材料科学与工程基础双语教学大纲_材料科学基础双语

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《材料科学与工程基础》（双语）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》(双语)（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：300004030 课程类别：必修课

学时： 48 学分：3

二、教学目的及要求

材料科学与工程基础是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。本课程详细阐述高分子材料、金属材料、无机非金属材料、复合材料等。从材料科学与工程的角度出发，说明各种材料的共性规律及个性特征，并能够用于解决材料及其相关领域的复杂工程问题。使学生从原理上认识高分子材料的基本属性，并能够应用高分子材料工程基础理论知识，识别、表达、并通过文献研究分析高分子材料及其相关领域复杂工程问题，以获得有效结论。

对毕业要求及其分指标点支撑情况：（1）毕业要求 1，分指标点1.4和1.5；（2）毕业要求2，分指标点2.3和2.5；（3）毕业要求3，分指标点3.4；（4）毕业要求6，分指标点6.2；

三、教学内容（含各章节主要内容、学时分配，并红字方式注明重点难点）

第一章 绪论（1学时）

简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程基础的基本内容。使学生对本课程的学习内容和学习方法建立整体概念。

要点：材料的定义、分类

材料科学与工程基础的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求

第二章 物质结构基础（15学时）

按照从微观到宏观、从内容到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子结构、原子间相互作用和结合方式，与固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构及变化规律之间的相互关系。使学生对材料组成（成分）与物质结构的内在联系有较系统、深刻的理解。

1、原子结构及原子之间相互作用、结合及排列（3学时）

要点：物质与材料的区别

四个量子数的物理意义

原子中电子壳层数目、电子填充方式和原则、表达方式 电子能级及电子的稳定性

原子间相互作用的内在因素和结合类型与性质

原子的间距和半径，空间排列状态及配位数

键性与键能

2、多原子体系中电子的相互作用与稳定性（2学时）

要点：原子杂化轨道的类型及空间图形

分子轨道的意义、类型及空间图形

能带、能隙、带宽等基本概念、导体、绝缘体、导体的能带特点 费米能级的基本概念、费米分布的特点和分布函数

3、固体中的原子有序（3学时）

要点：对称图形和对称操作

点阵的意义和特点

晶胞的表示和定位、晶系和空间点阵型式 晶向、晶面的表示及其指数的计算 晶面间距及测定、公式（2-

45、2-48）晶体结构与键合性质的关系

面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法（点阵常数、晶胞中原子数、致密度、密度、原子间距、配位数； 间隙类型、数量和大小）

离子晶体的配位数和晶格类型

4、固体中的原子无序（3学时）

要点：固溶体的概念、分类及典型结构特点

点缺陷的主要类型，金属晶体中的空位计算

棱位错和螺旋位错的特征和区别、位错线与柏格斯矢量 非晶体的结构模型、分布函数及其图形 体积扩散机制、扩散激活能和FICK第一定律、公式（2-80、2-81）

5、固体中的转变（2学时）

要点：四种转变类型及特点

一级相变和二级相变的数学表达式及物理意义 相律和相图，公式（2-90）

二元相图（匀晶、共晶）：特征点、线、区域的意义 杠杆法则及计算公式（2-94）

6、固体物质的表面结构（1学时）

要点：表面张力和表面能的概念

表面结构特点与成因 表面能与表面特性的关系

润湿过程的种类及公式（2-107、2-108、2-109、2-115）粘附公式（2-121）

7、小结（1学时）

归纳、讨论第二章基本概念和作业中的问题

第三章 材料的组成及结构（8学时）

从材料的组成（成分）入手，详细阐述高分子材料、金属材料、无机非金属材料，及其多相多组分复合材料的聚集态结构和宏观组织结构特点。详细阐述由特性不同的各类材料相互复合而成的纳米级、微米级、粒子填充、纤维增强等复合材料的微观和宏观结构以及界面结构，使学生较系统地掌握不同类型材料从微观到宏观的结构变化特点。

1、金属材料的组成与结构（2学时）

要点：金属原子的电子结构与其晶体结构特点的关系(应用2-5-1中的公式计算不同金属晶体的有关参量)金属合金的三种结构类型的特点

铁碳合金相图中点、线、区域的物理意义、微相结构特点及随温度和C含量的变化规律 铜的组成和结构特点 非晶态合金的三T图

金属再结晶的物理意义及T、t、l的影响

2、无机非金属材料的组成与结构（3学时）

要点：组成和结合键性质

简单晶体的结构类型：AX, AmXp, AmBnXp 密度计算

几种典型晶体：单晶硅、NaCl, CsCl, ZnS, 钙钛矿、尖晶石 硅酸盐的五种晶体结构、桥氧原子和非桥氧原子 玻璃的组成、特性及结构参数 凝胶与陶瓷的组成与结构特点

碳黑、石墨、金刚石、C60、碳纳米管的结构与性能特点

3、高分子材料的组成与结构（2学时）

要点：（侧重与金属和无机非金属材料对照）

高分子材料结构的多层次性概貌 大分子链的组成和结构特点 大分子链的内旋转、柔性和构象

大分子链间的相互作用与聚集态结构模型 结晶构象与晶体结构特点 取向态结构

合成聚合物和天然高分子的主要类型 聚合物共混材料的微结构特点、界面

4、复合材料的组成与结构（1学时）

要点：复合材料的定义、分类、组成与结构特点

复合材料的典型结构及“连通性”概念 界面的形成过程、结构与功用特点 界面理论中的浸润和化学键理论

第四章 材料的性能（21学时）

本章内容较多，涉及的领域十分广泛。主要阐明在应力、热、电、光、磁、声、化学介质、氧等外界因素的作用下，各类材料所表现出来的宏观性质、破坏形式、及其内部结构的变化规律。讲述各类宏观物理性质的定义及测试和评价方法，介绍材料研究中的重大发现和进展。使学生掌握材料结构与性能关系的基本规律，了解不同类材料结构与性能特征，为材料的设计和应用奠定基础。

1、固体材料的力学性能（6学时）

要点：不同材料力学性能的差异及其与组成和结构的关系

应力和应变的定义、五种基本类型

应力－应变曲线的物理意义（参量）典型曲线

弹性形变、应力状态与模量之间的关系，公式（4-

8、4-11）粘弹形变与蠕变、应力松弛（静态）和内耗（动态）永久形变的机制与塑性材料的增强途径 强度的概念及测试方法和计算公式 脆性断裂和韧性断裂的机制及相互转变因素,公式（4-50）

理论断裂强度和脆性断裂理论的推导过程，公式（4-30、4-

38、4-44a、4-

47、4-48）

裂纹在脆性断裂中的重要作用 塑性变形及断裂的计算

断裂韧性的类型，公式（4-

52、4-53）

硬度的概念、布氏硬度、洛氏和维氏硬度的测试技术及区别，公式（4-

55、4-

56、4-57）

粘合摩擦和磨损机制，公式（4-63），材料减摩耐磨的途径

疲劳的概念及在工业中的重要性，疲劳寿命曲线与疲劳强度，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途径

2、材料的热性能（2学时）

要点：不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关系

材料的导热机制、公式（4-69、4-71）

热导率的定义

热容和比热的定义及其在热分析技术中的应用，公式（4-75、4-76）材料热膨胀的内在因素及影响因素，公式（4-77、4-78）材料热性能与温度的关系

有机高分子材料的热物理和热化学稳定性、表征方法、耐热性和阻燃性高分子的组成和结构特点

3、材料的电学性能（3学时）

要点：不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关系

电导率和电阻率的定义、电导机制、电导率的基本参数及影响因素、公式（4-80、4-81、4-89、4-90、4-91、4-92、4-93、4-96）

材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电性公式（4-106）

超导电性的定义、超导体的2种特性、3个性能指标

介电常数的定义、介质极化的三种机制，公式（4-112、4-113、4-114）

交变电场中的介电损耗的成因及影响因素、公式（4-118、4-119）

击穿强度的定义，公式（4-120）

材料电性能与温度的关系

4、材料的磁学性质（2学时）

要点： 磁矩、磁化强度、磁感应强度、磁导率和磁化率的定义，公式（4-123、4-126、4-128）电子的磁矩和“交换作用”

磁化率与磁性材料的五种类型，公式（4-130、4-131）磁滞回线的成因（磁畴）、物理意义、软磁与硬磁材料

金属和无机非金属材料的磁学性能，公式（4-135、4-138、4-140、4-141）

5、材料的光学性能（2学时）

要点：电磁辐射与电子跃迁

光吸收与光波长的关系

材料对光吸收、反射和透射的内在因素和表述方式，公式（4-144、4-155、4-157、4-158、4-160）折射率与材料的透明性

不同材料的光学性质及其与组成和结构的关系 非线性光学性质 发光机理及应用

6、材料的耐腐蚀性（2学时）

要点： 高分子材料物理腐蚀的定义及影响因素，公式（4-167、4-169）

酸、碱、盐对金属和高分子材料的化学腐蚀 高分子材料大气老化腐蚀的类型及提高耐老化的途径 金属材料的氧化及电化学腐蚀

7、复合材料的性能（2学时）

要点：复合效应的主要类型

混合效应，公式（4-171、4-172）

几何尺寸效应lc和lc/d的意义及与拉应力的关系 界面效应、界面相的功能，二次复合规律，公式（4-176）

单向连续纤维增强复合材料的力学性能，模量和强度，计算公式（4-177、4-178、4-182、4-183、4-184、4-185、4-188、4-189、4-190），破坏模式

8、纳米材料及效应（1学时）

要点：纳米材料的定义，纳米结构单元、纳米固体、纳米组装体系 纳米效应的基本特点 应用实例

9、小结（1学时）

归纳、讨论第四章基本概念和作业中的问题

第五章 材料的制备与成型加工（3学时）

从原料出发，讲述材料的制备原理和主要方法，由各种材料的结构和性能特点，讲述其加工行为和主要加工方法。使学生在材料工程的基础上，建立材料制备——加工——结构——性能关系的整体概念。本章结合观看电视片或图片演示进行。

1、材料制备原理及方法（3学时）

要点：铁的制备原理及方法

钢的制备原理及方法 铜的制备原理及方法 陶瓷的制备原理及方法 玻璃的制备原理及方法 水泥的制备原理及方法

（与金属和无机非金属材料进行对照）聚合物合成工艺过程 主要的聚合反应类型

主要的聚合物合成工业实施方法

2、料的成型加工性（2学时）

要点：金属的熔体流动性与铸造性

金属的变形性与可煅性 切削加工性 金属材料的热处理

聚合物的熔融和流动特性

聚合物加工过程中的结构变化 聚合物主要成型方法

四、教材（名称、作者、出版社、出版时间）

《材料科学与工程基础》，顾宜主编，化工出版社，2004年。

五、主要参考资料

①Fundsmentals of Materials Science and Engineering, Fifth Edition, William D.Callister,Jr, 2001, John Wiley & Sons, Inc., New York.②材料科学基础，谢希文主编、北京航空航天大学出版社，1999年。

③材料性能学，王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年

六、成绩评定（注明期末、期中、平时成绩所占的比例，或理论考核、实践考核成绩所占的比例）

课程总成绩中，期末占45-55%，期中占25-35%，平时成绩15-20%。