材料科学基础教学大纲

材料科学基础教学大纲课程号：课程名称：材料科学基础II 学分：4英文名称：Fundamentals of Materials Science （II）周学时： 4预修课程：《材料科学基础I》面向对象：材料科学与工程专业本科生一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介《材料科学基础II》是《材料科学基础I》与材料科学后续专业课程的连接纽带，是材料系学生学习其它材料科学与工程相关专业课的基础，内容主要包括固态扩散、相图、固相反应、陶瓷烧结过程、熔融态与玻璃态、金属的凝固与结晶、固态相变过程等。

（二）英文简介This course provides fundamental knowleges for more specified courses related to materials science and engineering. The major contents are as follows: solid diffusion, phase diagrams, solid state reaction, sintering process of ceramics, molten and glassy states, solidification and crystallization of metals, and solid state phase transformations.二、教学目标（一）学习目标《材料科学基础II》课程教学的基本目的是在学生学完《材料科学基础I》课程之后，通过本课程的学习，进一步掌握材料研究与制备过程中所涉及的基础理论问题，如相平衡与相变过程、材料不同尺度范围内的本征结构、晶体组织、几何形态及表观性能，材料微观行为与宏观表现的有机联系，具有不同化学成分、加工过程、组织结构及宏观性能材料的物理本质、材料制备过程中的固相反应和烧结过程等。

学完本课程后，学生应掌握固态扩散基础知识；各类相图的判读以及在实际过程中的应用；理解固相反应、陶瓷烧结过程的实质和控制条件以及相关的动力学关系；掌握玻璃制备过程中的熔融态结构与性质以及玻璃形成过程与结构;掌握金属凝固和结晶基本过程以及成分分布、组织结构调控；掌握材料固态相变，特别是钢的奥氏体化、珠光体相变、马氏体相变、贝氏体相变、脱溶与时效、调幅分解等基础知识。

（二）可测量结果1）了解固态扩散基础知识；2）掌握相图基础知识，能理解各类相变过程的基本概念和规律；3）能基本掌握纯金属和合金成分、亚微观和宏观组织等基本概念；掌握玻璃制备过程中的熔融态结构与性质以及玻璃形成过程与结构等。

4）基本理解固相反应、陶瓷烧结过程的实质和控制条件以及相关的动力学关系。

注：以上结果可以通过课堂讨论、回答质疑或提问的问题以及笔试等环节测量。

5）在教师指导下，能够独立设计、改进和实施材料科学基础的教学实验。

6）能够提出与材料科学基础及材料工艺有关的SRTP学生立项项目。

7）能够具备报考本校及外校材料科学与工程专业硕士生的信心和能力，并有基础能取得报考985学校相关专业硕士生及格以上成绩。

三、课程要求（一）授课方式与要求授课方式：a.教师讲授（采用多媒体教学）；b.学生课堂互动教学，讨论与讲授并举；c. 实验课单列；d.平均每周布置作业，有阶段测试，主要针对每章的基本概念、关键内容的理解和掌握；e.期末闭卷考试课程要求：要求学生掌握材料科学的基本概念、基础理论及其应用。

（二）考试评分与建议课程考核主要分为理论授课部分考试和讨论互动部分成绩，理论授课部分考试包括期终考试成绩与平时成绩，平时成绩为平时作业和月考等成绩。

讨论课、习题课、基于问题（项目）的学习等互动教学课成绩比例为三分之一。

理论课程占比为三分之二。

其中期终考试成绩与平时成绩中，考试占70〜80%，平时测试及作业占30〜20%。

四、教学安排每次课2学时第1次课：固体中的扩散主要内容：菲克定律，稳态扩散及其应用，非稳态扩散及其应用主要介绍菲克第一定律及菲克第二定律，一维稳态扩散，柱对称稳态扩散，球对称稳态扩散，一维无穷长物体的扩散，半无穷长物体的扩散和有限长物体的扩散。

布置相关课后作业第2次课：固体中的扩散主要内容：Kirkendall效应，Darken公式，扩散的微观理论、机制及其影响因素主要介绍Kirkendall效应，Kirkendall效应的理论和实际意义，Darken公式，扩散的原子随机行走，扩散的微观机制和影响扩散的因素。

布置相关课后作业第3次课：材料热力学基础主要内容：材料热力学基础主要介绍热力学基本参数和关系，热力学第一定律，热力学第二定律和热力学第三定律，热力学函数的基本关系，化学位，统计热力学基础，统计热力学概论，热力学函数的统计计算。

布置相关课后作业第4次课：材料热力学基础主要内容：单元和二元系统材料吉布斯自由能、相平衡图的热力学推导主要介绍单组元材料热力学，二组元材料热力学，二元固溶体相的吉布斯自由能，中间相和混合相的吉布斯自由能，相平衡热力学，相平衡的化学位，化学位的图解确定，相平衡的公切线定则，相图热力学推导。

布置相关课后作业第5次课：材料热力学基础主要内容：相变热力学根据热力学的相变分类，液相-固相转变中的均态成核和非均态成核，液相-液相转变。

布置相关课后作业第6次课：相平衡主要内容：相律、单元系统相图主要介绍热力学平衡态与非平衡态，组分、相及相律，水系统相图，具有同质多晶转变的单元系统相图，可逆的（双向的）与不可逆的（单向的）多晶转变，SiO2系统相图，C2S 系统相图，ZrO2系统相图布置相关课后作业第7次课：相平衡主要内容：二元无机相图主要介绍二元凝聚系统相图的基本类，Al2O3-SiO2系统相图，CaO-SiO2系统相图，CaO-Al2O3系统相图，MgO-SiO2系统相图，MgO-Al2O3系统相图，TiO2-SiO2系统相图，BaO-TiO2系统相图，ZrO2-CaO系统相图，ZrO2-Y2O3系统相图，Nd2O5-Li2O系统相图，Fe2O3-Y2O3系统相图。

布置相关课后作业第8次课：相平衡主要内容：三元无机相图主要介绍三元系统相图基本原理，具有一个低共熔点的三元系统相图，具有一个一致熔融二元化合物的三元系统相图，具有一个不一致熔融二元化合物的三元系统相图，判读三元系统相图的几条重要规则，具有一个一致熔融三元化合物的三元系统相图，具有一个不一致熔融三元化合物的三元系统相图，形成一个高温分解、低温稳定存在的二元化合物的三元系统相图，形成一个低温分解、高温稳定存在的二元化合物的三元系统相图。

布置相关课后作业第9次课：相平衡主要内容：三元无机相图主要介绍固相具有多晶转变的三元系统相图，形成三元连续固溶体的三元系统相图，形成有限固溶体的三元系统相图，具有液相分层的三元系统相图，分析复杂相图的主要步骤，CaO-Al2O3-SiO2系统相图，Na2O-CaO-SiO2系统相图，K2O-Al2O3-SiO2系统相图，MgO-Al2O3-SiO2系统相图。

布置相关课后作业第10次课固体中的扩散、热力学与相图基础知识阶段性测试及讨论课共2学时第11次课：固相反应与烧结主要内容：固相反应概述，固相反应动力学主要介绍固相反应定义及其研究对象，固相反应特点，固相反应类型，固相反应机理，固相反应的一般动力学方程，化学反应控制的动力学范围，扩散控制的动力学范围，升华控制的动力学范围，反应条件改变对动力学控制过程的影响，过渡范围布置相关课后作业第12次课：固相反应与烧结主要内容：影响固相反应的因素，烧结概述主要介绍反应物化学组成，反应物颗粒尺寸及均匀性，温度，压力和气氛，反应物活性，烧结定义及研究对象，现代烧结理论，烧结过程，烧结的分类，烧结及其它一些概念。

布置相关课后作业第13次课：固相反应与烧结主要内容：粉末烧结热力学与推动力，烧结动力学理论主要介绍粉末的烧结性，烧结特性评价指标，烧结热力学概述，粉末烧结机理，烧结初期的烧结模型，烧结初期特征和烧结动力学动力学。

布置相关课后作业第14次课：固相反应与烧结主要内容：烧结动力学理论，烧结过程中的颗粒长大主要介绍烧结机理的判断和实验研究，烧结中后期烧结初次再结晶，晶粒长大，二次再结晶，再结晶与晶粒长大对烧结质量的影响，晶界在烧结中的作用。

布置相关课后作业第15次课：固相反应与烧结主要内容：强化烧结，影响烧结的因素主要介绍缺陷强化烧结，液相强化烧结，应力强化烧结，特种烧结技术，原料种类、烧结温度与保温时间、原料颗粒尺寸与粒度均匀性、原料活性、烧结助剂、烧结气氛和成型压力对烧结的影响。

布置相关课后作业第16次课固相反应与烧结基础知识阶段性测试及讨论课共2学时第17次课：纯金属的凝固与结晶主要内容：概述，金属凝固的形核过程，纯金属晶体的长大研究凝固与结晶的意义，液态金属的结构，结晶的一般过程，均匀形核的能量条件、形核率，非均匀形核的能量条件、形核率，液体中的温度分布，晶体的宏观长大方式，晶体的微观长大方式。

布置相关课后作业第18次课：合金凝固的凝固与结晶主要内容：二元合金相图主要介绍匀晶相图、共晶相图、铁碳相图。

布置相关课后作业第19 ~20次：合金凝固的凝固与结晶主要内容：单相固溶体晶体的长大、溶质分布，两相共晶体的长大平衡凝固，固相无扩散液相完全混合的凝固，固相无扩散液相完全不混合的凝固，固相无扩散液相部分混合的凝固，成分过冷，单相固溶体晶体的生长方式，晶体偏析，典型共晶与非典型共晶的凝固生长，层片共晶的凝固生长，共晶凝固中的成分过冷。

布置相关课后作业第21次课：铸锭分区、结晶控制与特殊凝固技术主要内容：金属凝固理论的实际应用铸锭三区，铸锭组织的控制，特殊凝固：定向凝固、区域熔炼、快速凝固。

布置相关课后作业第22次课凝固基础知识阶段性测试及讨论课共2学时第23〜24次课：固态相变概述主要内容：固态相变基础知识固态相变分类，相界面，位向关系与惯习面，界面能，弹性应变能，过渡相（亚稳相），固态相变的热力学条件，固态相变的均匀形核，固态相变的非均匀形核，半共格界面的迁移，非共格界面的迁移，无成分变化的新相长大、界面热激活迁移，有成分变化的新相长大、界面迁移，固态相变动力学，钢中过冷奥氏体转变动力学。

布置相关课后作业第25次课：奥氏体化主要内容：钢的奥氏体化奥氏体的组织结构特征，奥氏体的性能特征，奥氏体的形核长大，奥氏体的等温形成动力学，奥氏体的连续加热转变，奥氏体晶粒度，晶粒长大动力学，奥氏体晶粒控制。

布置相关课后作业第26次课：珠光体转变主要内容：珠光体转变珠光体的组织结构与性能特征，珠光体的形核，珠光体的长大，亚（过）共析钢的珠光体转变，伪共析组织，珠光体的形核率和长大速率，珠光体转变C曲线及其影响因素。