《材料科学与工程基础》教案.doc
《材料科学与工程基础》教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程代码：NANA 2058课程名称：纳米材料科学与工程基础英文名称：Fundamentals of Nano Materials Science and Engineering课程性质：大类基础学分/学时：3学分/54学时考核方式：闭卷考试开课学期：第4学期适用专业：纳米专业先修课程：普通物理、无机化学、高等数学后续课程：毕业设计开课单位：纳米科学技术学院选用教材：《Fundamentals of Materials Science and Engineering》William D. Callister, Jr.，化学工业出版社一、课程目标本课程的主要目标旨在培养能够从事材料科学与工程领域的生产、研究与开发等工作，具有扎实的材料类专业基础、良好的创新素质、较强的工程能力、一定的人文社会科学素养与国际化视野的工程技术人才。
通过本课程的理论教学，使学生具备以下能力：1.从原理上认识各种类型材料的基本属性，了解其在各种实际应用领域的地位和重要作用。
（支撑毕业要求指标点1-1）2.对材料的组成、结构、物相、性能以及相互关系进行识别、表达和分析，根据不同种类材料的结构特征来解释基本物理、化学和光学性质与结构性质的关系和作用。
（支撑毕业要求指标点1-2）3.基于专业知识能够将其综合应用于材料设计、制造、加工、使用及分析，正确和合理地根据不同类型的材料特点来评价材料的使用性能和应用选择。
（支撑毕业要求指标点2-2）4.能够分析和研究材料制造和工艺开发中的工程问题，具有从事新材料的设计、研发及优化的初步能力。
（支撑毕业要求指标点4-1）二、教学内容第一章：绪论有关材料科学与基础方面的背景介绍第二章：原子结构与原子间的化学键1.原子结构与原子键2.初级原子间成键3.次级键以及范德华键第三章：金属与陶瓷结构1.晶体结构2.同质多晶和同素异性3. 晶体系统，结晶方向和平面第五章：晶体缺陷1. 点缺陷2. 线缺陷3. 面缺陷4. 显微技术第六章：扩散1. 扩散类型和机理2. 稳态扩散3. 非稳态扩散4. 影响扩散的因素第七章：机械性能1. 弹性形变2. 金属、陶瓷以及聚合物的机械性能3. 硬度及其他机械性能第十章：相图1. 定义和基本概念2. 平衡相图3. 铁-碳体系相图第十一章：相转移1.金属相转移2.铁-碳合金的微观结构及性质变化3.析出硬化4.聚合物中的结晶、熔化和玻璃化现象第十二章：电子结构1.电导2.半导体导电性3.离子陶瓷和聚合物中的导电性第十九章：光学性质1.基本概念2.折射、反射、吸收和透射3.光学现象的应用三、考核方式课程目标考核内容考核方式1.能够将数学、自然科学、工程基础和专业知能够运用数学和化学、课堂作业、课识用于解决纳米科技领域的复杂问题。
《材料科学与工程基础》课程教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程名称：材料科学与工程基础课程英文名称：Introduction to the Science andEngineering of Materials课程编码：0802ZY017 课程类别/性质：学科基础/选修学分：2学分总学时/理论/实验（上机）：32/32/0开课单位：化工学院适用专业：高分子材料与工程专业先修课程：无机及分析化学，有机化学一、课程简介《材料科学与工程基础》是高分子材料与工程专业学科基础课程。
是一门研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间关系的交叉学科。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程专业的学生必须具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
开设材料科学与工程基础这门课程，主要是为了使学生建立“大材料”基础。
通过学习材料科学与工程基础，学生将接触到金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等各种材料，学生能清楚地认识到高分子材料在整个材料家族中所具有的结构特点、性能优势、加工特殊性以及合适的应用领域，为学生以后进一步学习高分子材料和从事材料科学与工程方面的工作打下基础。
《Introduction to the Science and Engineering of Materials》is a basic course of polymer materials and engineering. It is an interdisciplinary subject that studies the relationship between the structure, properties, processing and use of materials. The development of material science, material industry and high technology requires that students majoring in polymer materials and engineering must have the foundation of "big materials" and the generous knowledge structure of "medium materials". The course of fundamentals of materials science and engineering is mainly to enable students to establish the foundation of "big materials". By studying the fundamentals of materials science and engineering, students will be exposed to various materials such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymer materials and composites. Students can clearly understand the structural characteristics, performance advantages, processing particularity and appropriate application fields of polymer materials in the whole material family, Lay a foundation for students to further study polymer materials and engage in material science and Engineering in the future.二、课程教学目标通过本课程的学习使学生掌握材料物质结构、性质、加工和使用性能间的相互联系，培养学生具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构，使学生建立“大材料”观。
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【首页】【理、工科】1. 点缺陷：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区类型：空位：未占据的阵点原子位置间隙原子：进入点阵间隙的原子（金属难；陶瓷易，如正离子）肖特基缺陷：有空位而无间隙原子（陶瓷中常见）弗兰克尔缺陷：等量的空位和间隙原子（陶瓷中常见）空位数，空位激活能，温度之间的关系例题2-6（EXAMPLE PROBLEM 5.1）2. 线缺陷（位错）：只在某一方向上尺寸可与晶体线度比拟的缺陷一列或数列原子发生有规则的错排1）类型：棱位错（刃位错）：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直受拉力、压力作用易发生螺旋位错：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行与位错线垂直的平面在螺旋斜面受剪切力作用易发生柏格斯矢量及右手规则b ·ξ= 0相互垂直，纯棱位错b ·ξ= - b相互逆向平行，纯螺旋位错混合位错：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)不平行也不垂直位错密度：单位体积内位错线的总长，即单位截面上位错线的露头数。
2）位错的滑移和爬移：滑移：外力是位错处原子受力不平衡而被推动，致位错移动到相邻位置移动方向平行滑移面爬移：与空位和间隙原子有关的位错在垂直滑移面方向的运动3. 面缺陷：只在某一平面各方向上尺寸可与晶体线度比拟的缺陷如由一系列刃位错排列成一个平面形成的缺陷4．体缺陷：各方向尺寸均可与晶体线度比拟的缺陷，如：空洞、嵌块要点图2-72随温度升高而增多如何求N可放到第三章讲要点，难点，图2-75，2-76，Fig.5.7图2-79，2-80，Fig.5.8,5.9 图2-81，介于二者之间该部分对于后面学习金属的塑性形变很重要，可以配合动画加深学生的印象，图2-84，2-85。
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
《材料科学与工程基础》教案
【首页】
课程名称
材料科学与工程基础
授课专业
高分子材料与工程
年级
11级
课程编号
30000230
课程类型
必修课
校级公共课（）；基础或专业基础课（√）；专业课（）
选修课
限选课（）；任选课（）
授课方式
课堂讲授（√）；实践课（）
考核方式
考试（√）；考查（）
课程教学
总学时数
48
学分数
即：1/r : 1/s : 1/t = h : k : l
选离原点；晶面与晶轴平行，截距为∞，该指数为零；
截负端，上加横线。
截距越大、指数越小。
Example Problem 3.8
（4）晶面族：
某晶面的晶面指数乘以-1后所表示的一组晶面仍与其平行。
晶面族用{h k l }表示，代表原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面。
注意与2.3.4.4节和3.4.1.2节可能有重复
表2-18
要点
一维有序
二维有序
授课
方式
理论课（√）；实践课（）；实习（）
教学
时数
3
教学
目的
及
要求
学习描述材料晶体（有序）结构的主要参数，包括晶面及其指数，面心立方、体心立方、密排六方三种典型晶体结构的主要参数的计算和表示方法；晶体材料的晶面间距测定方法和液晶的结构特点。
还受分子非球性及永久偶极相互作用影响
有氢键：有方向性、饱和性，堆积密度更低。
5）多晶型
多晶现象：一种化合物存在两种以上的晶体结构型式
温度、压力等外界条件变化时，可能使结构型式发生改变
1）改变连接方式（不改变配位）
材料科学与工程基础教案第一章绪论
第一章 材料的结构 Structure of Material
❖材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。 ❖材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
第一节 结合键 Binding Bond
一、结合力与结合能 双原子模型：
材料科学与工程基础
The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering
An Introduction to Materials Science
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
绪论 Introduction
古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈 括）、 “天工开物”（明代宋应星）
明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态 解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。
一整套材料体系 门类全齐 数量 质量 钢铁突破2亿吨大关 世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭
金 属 材 料 － 金 属 学 陶 瓷 材 料 － 陶 瓷 学 材 料 科 学 基 础 突 出 材 料 共 性 教 学 高 分 子 材 料 － 高 分 子 物 理
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
材料科学与工程基础是研究材料的成分、 组织结构与性能之间关系
I ：材料结构学构 ：与 原键 子合 结、固晶 体体 结缺 构陷 、 II： 材 料 相 变 学相 ：图 凝、 固热 、处 理 II： I 材料变形学变 ：形 材与 料再 的结晶 V： I 材料学：金非 属金 材属 料材 、料、复合材料
宝钢高炉
材料科学与工程基础教案第一长章征绪三号运载火箭在发射架上的图片 论
《材料科学与工程基础》教案
Strength
stress(tensile,compression and shear)
flexural, torsional and impact
Fracture
Brittle Fracture,
金属，
摆锤式冲击试验测定试样冲断的冲击吸收功，
试样夏比（Charpy）V型缺口
夏比U型缺口。
冲击韧性值，
冲击吸收功除以缺口底部横截面积得到的商值。
金属——韧脆转变——冲击韧性随温度的下降、显著降低。
冷脆转变曲线，韧脆转变温度。
(4)抗扭强度Torsional strength
抗扭强度表征材料抵抗扭曲的能力。
扭转试验机上测定。
A在一定的扭矩M作用下，产生扭转角，
B扭矩M和扭转角之间的关系曲线。
C材料的抗扭强度b=Mb/W
表4-5
图4-27
例题
From the tensile stress–strain behavior for the brass specimen shown inFigure7.12,determinethe following:
(d) InEquation 7.2, it is first necessary to determine the strain that is produced by a stress of345 MPa. This is accomplished by locating the stress point on the stress–strain curve,pointA, and reading thecorresponding strainwhich is approximately0.06.Inasmuch asl0=250 mm, we have
《材料科学与工程基础》课程大纲
《材料科学与工程基础》课程大纲一、课程概述课程名称（中文）：材料科学与工程基础（英文）：Fundamentals of Materials Science and Engineering课程编号：14241009课程学分：3课程总学时：48课程性质：专业课二、课程内容简介《材料科学与工程基础》是一门以材料为研究对象的科学，其研究内容涉及高分子材料、无机非金属材料、复合材料等各种材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系，在材料科学与工程专业教学计划中是一门重要的专业基础课。
通过本课程的学习，使学生充分掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的组成-结构-工艺-性能之间的关系。
为后继专业课程的学习打下良好的基础。
三、教学目标与要求通过本课程的教学，使学生获得材料科学与工程专业高等工程技术人才所必须掌握的材料科学的基本概念、基本理论和基本原理等知识，培养学生分析解决生产实际问题的能力，进行新材料、新工艺研究开发的初步能力，培养学生的专业素质、科学思维、创新精神要求通过本课程的教学,使学生掌握本课程中的基本概念、基本原理和相关的知识，了解用物理化学等基本原理阐明材料形成过程中的组成、结构、工艺与性能之间关系及相互联系，注重知识的连贯性和增强分析问题和解决问题的能力。
四、教学内容与学时安排第一章绪论（2学时）1. 教学目的与要求：了解本课程的学习内容、性质和作用。
2. 教学重点与难点：《材料科学基础》课程的性质、任务和内容，以及在材料科学与工程技术中的作用。
第二章材料结构基础（18学时）1. 教学目的与要求：掌握描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数、核外电子排布遵循的原则;元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；原子间结合键分类及其特点；正确理解并掌握高分子链的近程和远程结构。
掌握结晶的热力学、结构和能量条件；相律的应用、克劳修斯——克拉珀龙方程的应用；均匀形核的临界晶核半径和形核功的推导；润湿角的变化范围及其含义；液—固界面的分类及其热力学判据；晶体的生长方式及其对生长速率的关系；阿弗拉密方程的应用；液—固界面结构和液—固界面前沿液体的温度分布对晶体形态的影响；减小晶粒尺寸的方法；了解亚稳相出现的原因；高分子结晶与低分子结晶的相似性和差异性；2. 教学重点与难点：重点：（1）晶向、晶面的表示及其指数的计算；（2）面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法；（3）立方晶体的间隙；（4）点缺陷的主要类型，扩散激活能和FICK第一定律；（5）四种转变类型及特点。
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川大学教案【理、工科】
掌握疲劳 强度的概
念
4.1.8.3疲劳极限和疲劳强度
图 4-49 难点
了解并理 解疲劳断 裂机理
高分了材料宏观疲劳断裂过程:
2()
DTA ——差热分析
Fig 17.2
图 4-51
难点
（2）与温度T 相关
T —Tg
Cp 发生突变
DSC ——示差扫描量热仪 测
试原
理示意图。
比热容与温度 比热容与相变 一级相变，二级相变
3. 比热容（C P ）或Cv
定义：IKg 质量的固体（或液体）升高（或降低）PC 时，所增加 （或减
少）的（振动能量）热量。
固体多用Cp。
单位：
J - mol'1 - K 」。
Cp 〉
Cv。
比热=热容/原子量,单位J ・Kg-I ・K 1
比热容的大小：主要取决于化学结构 等容热容 内能对温度的曲线上的斜率等压热容：嬉对温度的曲线 上的斜率 同体热容理论 经典理论 量了理论 原子的振动---晶格的振动 谐振了 随机振动 德拜模型 金属C P <1,
容易加热、容易冷却。
单原子 晶体24.9；银24.3；铝
25.1。
银 C P =0.25
Fe C P =0.50
热容小，很快冷
要点 区分：热 容和比热
Fig
17.1
高分子 C P 1.0〜2.0
例 / HDPE
LDPE PS
天然橡胶
PVC
环氧树脂
热容大
2.31 1.90 1.20 1.92 1.05 1.05
影响高分了比热容Cp 的因素
（1）分了链柔顺性
温度的升高是由于分子过 其间内摩擦引起的，柔性 链，运动单元小内摩擦小, 反上升慢，热高量大，热 能动能
难点:理解 热容的宏 观效应，及 影响因素
4.2.2热膨胀性
(1)热膨胀材料的体积随温度升高而增大的现象 原因：
原子或分子的热运动
晶体：原子在晶格内平衡位是附近震动，T t ,振幅f,原子平均间 距个 非晶体：原子的振动和转变。
动；
(2)热膨胀类型，单位：K 1
线膨胀 a z =(l//)d//dT
化 高分了沿主振动；链节、链段，转
自由体积一运动的空间
一维，温度升高1度，线尺寸相对变
体膨胀 a v =(l/V)d V/dT
热膨胀系数a 不是常数，其影响因素: %1 温度 %1 结构
三维，温度升高1度，体积相对变化
T 升高，a 增大
键能大，a 减小
取向 交联度 a 减小
柔顺性
结晶度
刚性， 柔性，
a at
20
Fig 17.3
图 4-54
表4・
13
难点
无机材料 金属 高分子
a 小,I (y5~i (y6
中，1 〜3Xl (y5 大，2.5~25Xl (y5
4-2-2耐热性 1.
概念 耐热性一一指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久 变形的温度。
指材料的使用上限温度
高分了材料 常温及中温条件下使用，＜500°C, 一般170。
钢——550°C ；合金——900°C ；
石墨——3000°C o
陶瓷——2000°Co
25
表 4-14
Fig7.25
表 4-15
2.耐热性表征：
高分子材料——物理状态［Tg 无定形
Tm 结晶 工业上的表征方法及指标 。
、£
马丁耐热温度
热变形温度 > 材料在一定负荷条件下，产生规定变形的温 度 维卡软化温度
屈服
脆韧转变影响因素
(1) 结构因素：刚性链
A
结晶 耐热性 交联
(2) 分子量 耐热性 (3) 增索剂
耐热性f (4) 填料，纤维增强
耐热性
2()
分
图 4-57 图 4-58
@4-59
4-2-4高分子材料的燃烧特性
有机材料、有机聚合物(含C、H元素)。
1.高分子材料引燃和燃烧(略讲)
燃烧：较高温度下与氧剧烈反应，并发出热和光。
引燃过程：外部热原分解固体材料的表面层；产生可燃气化物,
与空气混合——致燃烧
燃烧过程：材料不断热分解，始终在表面空气中燃烧，无残清。
2.燃烧特性及影响因素
临界氧指数：能够维持稳定燃烧的最小氧浓度
>0.27的聚合物是有自熄性。
(1)仅由C、H、O元素组成，临界氧指数为0.16〜0.18
(2)含卤族元素(F、Cl、Br、D,临界氧指数大于0.40
(3)含磷、氮等元素，临界氧指数高
(4)加入阻燃剂和无机填料，可以提高临界氧指数。
(吸收热量，温度下
降；隔氧)
(5)
3.高分了材料的阻燃flame retardancy 结构和
组成
提高热稳定性
引入卤族、磷、氮等元素阻燃剂和无机填料
吸收热量
降低温度
隔离氧图4-60
表4-16
表4-17
临界氧指数的影响因素
表4・
18
高分子材料的阻燃是重点。