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《材料科学基础》课程教学大纲课程编号：08061211课程名称：材料科学基础英文名称：Fundamental of Materials Science课程类型：学科基础课课程要求：必修学时／学分：88／5.5 （讲课学时：80 实验学时：8 上机学时：0）适用专业：材料成型与控制工程；焊接技术及工程；金属材料工程；无机非金属材料工程一、课程性质与任务《材料科学基础》是材料科学与工程学院各专业学生学习和掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，特别是固体材料的结构、晶体缺陷、平衡相图、凝固和原子扩散过程诸方面的基本概念和基础理论，以及有关的加工工艺对材料的组织结构和性能的影响规律的学科基础课，也是学生将来学习专业课程的理论基础。
本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本规律等方面的讲解；在培养实践能力方面着重试样的选取与制备及显微组织的观察等基本方法的训练，使学生熟悉材料科学的相关基础知识，为后续专业课程的学习以及将来解决材料的生产、加工等问题和探索新材料、新技术、新工艺打下比较系统而坚实的理论基础。
二、 课程与其他课程的联系选修课：大学物理，材料物理化学本课程是在学习了大学物理、材料物理化学等课程后方能学习本课程；该课程也是学习后续专业课程的理论基础。
通过该课程的学习，使学生掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，从而为进一步深入学习材料科学与工程学院各专业的专业课程奠定基础，并且理论结合实践，使其有机的结合起来，形成一个完整的系统的专业学科基础理论体系。
三、课程教学目标1．学习并掌握常见的晶体结构与材料的相结构、晶体缺陷及固态材料中的原子扩散、材料的凝固、二元相图及塑性变形等基本知识，使学生在材料方面具有扎实的基础理论知识，了解并掌握金属材料产品由不同工艺形成的组织特征，具有开发和选用新材料的能力和工程实际应用的能力；（支撑毕业能力要求1.1、1.2）2．培养学生的工程实践学习能力，使学生掌握观察材料显微组织的实验方法，获得实验技能的基本训练，具有查阅有关技术资料的能力；（支撑能力毕业要求2.1、2.3）3．培养学生对金属材料的各类物理现象、特性进行研究并通过实验验证的能力。
附件11专业学位硕士研究生培养方案材料工程（085204）一、专业领域简介与研究方向(一)专业领域简介东北大学材料工程是国家首批试点招收与培养工程硕士的领域之一，也是首批设立培养全日制专业硕士学位研究生的领域之一。
与本领域相对应的材料科学与工程学科是我国冶金与材料领域最早建立的学科之一，涵盖材料物理与化学、材料学、材料加工工程3个二级学科，具有学科齐全、理工结合等特点。
本学科1962年起开始培养研究生，1981年具有首批硕士、博士学位授权点，1998年被批准为博士学位授权一级学科，2007年被评为一级学科国家重点学科，并于同年设立博士后流动站。
依托本学科，建有“轧制技术及连轧自动化国家重点实验室”、“材料电磁过程研究教育部重点实验室”、“材料各向异性与织构教育部重点实验室”和发改委与地方共建的“材料电磁冶金国家工程实验室”、“金属材料微结构设计与控制辽宁省重点实验室”、“教育部新材料与功能材料网上合作研究中心”、“新材料技术辽宁省高校重点实验室”和“辽宁省金属防护专业技术服务中心”等科研教学基地。
本学科以金属材料和无机非金属材料为重点，以功能材料为发展前沿，以金属材料升级换代和新材料研制为使命，围绕工艺绿色化、装备智能化和产品高质化开展基础研究、应用基础研究及关键共性技术研究，在行业关键共性技术和高端金属材料产品两方面实现突破，为材料的研制、生产和应用提供原创性理论和关键技术。
学科立足国际前沿，致力于建设高层次复合型人才培养、科研与成果转化和学术交流的国际一流基地，使学科成为推动材料发展、促进材料技术进步和服务经济社会及国防建设的典范。
(二)研究方向：1.材料设计、模拟与仿真2.低维材料的制备、结构与性能3.材料微结构与性能的调控4.新型功能材料的制备、结构与性能5.高性能陶瓷及粉末冶金材料6.材料表面技术7.材料电磁过程研究8.材料塑性成形理论与工艺9.材料成形过程智能控制10.金属材料成形与热处理装备智能化11.金属材料短流程工艺与理论12.材料腐蚀与防护二、培养目标材料工程领域培养热爱祖国，拥护中国共产党的领导和社会主义制度，遵纪守法，品学兼优, 具有良好的科研道德和敬业精神，能服务国家、服务人民的高层次应用型专门人才。
东北大学材料学科介绍－材料先进制备与处理技术研究领域一、研究领域简介先进材料制备与处理技术本领域主要从事激光应用技术、材料电磁场制备技术、表面防护技术、焊接与热处理技术及装备的研究与开发。
迄今已经形成了一个多学科交叉的研究领域。
近年来承担国家973计划、863计划、国家自然科学基金等各级各类科研项目15项，总经费400万元；公开发表学术论文200余篇，其中被SCI、EI、ISTP收录近百篇次，出版专著及教材4部；获科技成果奖励15项，其中省部级科技进步一等奖3项、二等奖5项、三等奖2项；本研究领域现有材料表面技术、热处理及焊接技术、和特殊外场处理技术三个研究方向。
二、学术带头人简介刘常升，1963年1月出生，博士，教授，博士生导师。
现任东北大学材料与冶金学院院长。
兼任中国材料研究学会青委会理事、辽宁省机械工程学会理事和材料工程学会理事长，教育部材料先进制备技术工程中心副主任。
1999年获国务院颁发的政府特殊津贴奖励。
2000年获第二届“辽宁省青年科技奖”二等奖奖励。
2000年入选教育部高校中青年骨干教师资助计划。
2001年入选教育部“跨世纪优秀人才培养计划”。
2003年当选沈阳市十大杰出青年。
1995年获得辽宁省科技进步奖一等奖，2001年获得中国冶金科学技术奖二等奖和辽宁省科学技术奖（自然科学）三等奖。
出版《激光表面改性与纳米材料制备》专著，申报国家发明专利1项，发表学术论文120篇。
赵骧，1956年生，工学博士，教授，博士生导师。
1982年7月毕业于东北工学院（现东北大学）金属材料专业；1987年获硕士学位后留校任教；1990年赴日本东京大学工学部金属材料系留学；1993年获博士学位；1995年至1998年在日本东北大学工学部材料晶界设计讲座任教；回国后在东北大学材料与冶金学院材料研究所任教。
1999年至今多次以客座教授身份赴法国Metz大学进行科研合作。
1994年和2002年分别被评为东北大学优秀共产党员和先进教育工作者。
材料科学基础课程教学大纲
一、课程背景与目标
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的一门基础性课程，旨在培养学生对材料科学基本理论和基本知识的理解和掌握，为其后续的专业学习和科研工作打下坚实的基础。
本课程通过系统地讲授材料结构、性能与应用等方面的基础知识，旨在培养学生的科学思维、分析问题和解决问题的能力。
二、教学内容
1. 材料科学基础
1.1 材料科学的发展历程
1.2 材料科学的研究方法与手段
1.3 材料科学的基本概念和专业术语
2. 材料结构与性能
2.1 材料的晶体结构与非晶体结构
2.2 材料的晶体缺陷与非晶缺陷
2.3 材料的晶体结构与性能关系
2.4 材料的物理性质与化学性质
2.5 材料的机械性能与材料强度
3. 材料制备与加工
3.1 金属材料的制备与加工
3.2 陶瓷材料的制备与加工
3.3 高分子材料的制备与加工
3.4 复合材料的制备与加工
3.5 材料制备与加工中的工艺控制与监测
4. 材料性能测试与分析
4.1 材料性能测试的基本原理与方法4.2 材料力学性能测试与分析
4.3 材料热学性能测试与分析
4.4 材料电学性能测试与分析。
《材料科学基础》课后答案（1-7章）第一章8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例(1)NaF(2)CaO(3)ZnS解：1、查表得：X Na =0.93,X F =3.98根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21(0.93 3.98)4[1]100%90.2%e---?= 共价键比例为：1-90.2%=9.8%2、同理，CaO 中离子键比例为：21(1.003.44)4[1]100%77.4%e---?=共价键比例为：1-77.4%=22.6% 3、ZnS 中离子键比例为：21/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-?=中离子键含量共价键比例为：1-19.44%=80.56%10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。
答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。
稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。
稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。
但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。
第二章1．回答下列问题：(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(001）与[210]，(111）与[112]，(110)与[111],(132)与[123],(322)与[236］(2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和（112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。
(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。
解：1、2．有一正交点阵的a=b, c=a/2。
2009年《材料科学基础》参考答案一、名词解释1.晶格:通过空间点阵的阵点作平行的直线或平面，形成网格，称为格子或晶格2.Schmid因子:cosΦcosλ3.如果由于某种原因使密排面的堆垛次序遭到破坏，使整个一层密排面上的原子都发生了错排，这种缺陷称为层错。
4.金属的实际开始凝固温度了T n总是低于理论凝固温度了T m，这种现象称为过冷、二者之间的温度差ΔT＝T m -T n称为过冷度。
过冷度是金属凝固的必要条件。
5.非共析成分的合金在非平衡结晶条件下得到的共析组织称伪共析。
6.非均匀形核是在非均一的熔体中，以某种界面为依附衬底而形成晶核的过程。
其特点是：依附已有界面形核，所需的驱动力较小。
二、d=a/3 ρ=2/a233三、析出硬化型合金能在一定温度下发生淬火软化，因为在时效的初期，随时效时间增长，亚稳平衡析出粒子长大，材料强度会增高，时间进一步增长或温度提高，一旦亚稳析出相粒于转变为平衡析出相粒子后，粒子的共格应变就会消失，强化作用显著降低，材料强度降低，而且随时效时间的延长，平衡相粒子粗化，强度将进一步降低。
过饱和固溶体合金易产生时效。
泠变形使过饱和固溶体容易产生时效。
四、多晶材料形变的基本过程与单晶相同，但复杂得多。
其复杂性源自晶界以及邻接晶粒的限制作用。
换言之，外加应力是通过周围晶粒传输到个别晶粒的，同时一个晶粒的形变必然涉及到各邻接晶粒的形变，多晶材料的强度显然应高于单晶。
由此也可推断，细化晶粒必能提高材料的强度与硬度。
施于任何给定晶粒的载荷对于每一可能的滑移系都可分解成切应力和正应力。
当切应力超过材料的临界切应力时，就会造成位错的产生与运动从而产生材料的塑性变形。
：材料变形时，正应力分量会造成每个晶粒都在转动，使运行中的滑移方向愈趋近拉力方向。
多晶体金属的变形是各晶粒联合变形的总结果。
多晶体金属变形涉及沿滑移面和沿晶界的两种运动，这就更增加了复杂性，因为在正常情况下滑移改变着晶界的方向。
第一章晶体结构
1、晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排解（失稳分解）：处于热力学不稳定的固溶体自发地分解为两个结构与母相相同，成分不同的不均匀新相的过程。
5、贝茵畸变:通过沿晶轴膨胀、收缩的方法将一种晶体转变为另一种晶格的简单均匀畸变。
6、形变记忆效应：将一种具有热弹性转变的合金在M s点以下拉伸变形，卸载后应变并没有完全恢复，但如果将试样加热到奥氏体相区后，应变得到恢复，试样又回到原来的形状，合金的这种特性被称为形变记忆效应。
7、马氏体：C溶于a-Fe形成的过饱和固溶体，呈体心正方点阵。
第十部分其他
第一目
1、化学键：组成物质整体的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力。
2、共价键：原子互相接近时，借共享电子对所产生的力结合.
3、离子键：两种离子靠静电引力结合.
4、金属键：金属正离子与自由电子之间静电作用产生的键合力。
5、范德华键：分子间，以微弱静电子相吸引，使之结合在一起。
6、布里渊区：能量不连续的点把k空间(一维就是k轴)分成许多区域，这些区域称为布里渊区。
第二目
7、晶界能：不论是小角度晶界或大角度晶界，这里的原子或多或少地偏离了平衡
位置，所以相对于晶体内部，晶界处于较高的能量状态，高出的那
部分能量称为晶界能，或称晶界自由能。
8、表面能：表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量
称为表面自由能（或表面能）。
9、界面能：界面上的原子处在断键状态，具有超额能量。
平均在界面单位面积上
的超额能量叫界面能。
10、内吸附：由于界面能的存在，当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这
些原子将向晶界偏聚，这种象现叫内吸附。
第三目
11、长大线速度：单位时间内晶核生长的线长度叫作长大线速度G。
12、能量起伏：是指系统中各微小体积所具有的能量短暂偏离其平均能量的现象。
13、光滑界面：指在界面处固液两相是截然分开的，固相表面为基本完整的原子
密排面，所以从微观上看界面是光滑的。
14、粗糙界面：指在微固观上高低不平，存在厚度为几个原子间距的过渡层的液
固界面，这种界面在微观上是粗糙的。
15、非晶态金属：在特殊的冷却条件下，金属可能不经过结晶过程而凝固成保留
液态短程有序结构的金属
16、晶界偏析：第一种情况，两晶粒并行生长，因表面张力平衡要求，在晶界与
熔体交界处出现凹槽可深达10（-3）cm，此处可深达有利于溶质富
集，凝固后形成晶界偏析。
另一种，两晶粒彼此对面生长，晶界彼
此相迂，晶界间富集大量溶质，造成晶界偏析
17、胞状偏析：当成分过冷小的时候，固溶体呈胞状方式生长。
对K。
<1的合金，
溶质富集于胞壁，对于K。
>1的合金则溶质富集于胞中心。
这种成
分不均匀现象称为胞状偏析
第四目
18、相图：就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。
19、组织：是指用肉眼或借助放大镜、显微镜观察到的材料微观形貌图像。
它包
括相的种类、数量、尺寸、分布及聚集状态等信息
20、组织组成体：组织中具有一定组织特征的组成体称为组织组成体。
21、相律：是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关
系式。
22、匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。
23、正常凝固：实际凝固过程中，固相中扩散几乎不能进行而液相中溶质可以通
过扩散、对流、搅拌，有不同程度的混合。
这种凝固过程叫作正常
凝固
24、共晶转变：液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变称为共晶转变
25、不平衡共晶体：合金在不平衡凝固时：由于固相线偏离平衡位置，不但冷到
固相在线凝固不能结束，甚至冷到共晶温度以下，还有少量液相残
留，最后这些液相转变为共晶体，形成所谓不平衡共晶组织
26、包晶转变：一个液相与一个固相在恒温下生成另一个固相的转变被称为包晶
转变。
27、熔晶转变：一个固相在恒温下转变为一个液相和另一个固相的转变称为熔晶
转变
28、偏晶转变：一个液相分解为一个固相和另一成分的液相的转变
29、共析转变：一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相的转变叫
共析转变。
30、包析转变：两个一定成分的固相，在恒温下，转变为一个新的固相的转变叫
作包析转变
31、伪共晶：在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过共晶合金，
凝固后的组织却可以全部是共晶体。
这种非共晶合金得到完全的共
晶组织称为伪共晶。
32、伪共析转变：非平衡转变过程中，处在共析成分点附近的亚共析、过共析合
金，转变终了组织全部呈共析组织形态。
33、奥氏体：C溶解在γ－Fe中的固溶体。
34、莱氏体：铁碳相图共晶转变的产物，是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合
物。
35、变态莱氏体：共晶白口铸铁的室温组织，珠光体与渗碳体的机械混合物
第五目
36、重心定律：处于三相平衡的合金，其成分点必位于共轭三角形的重心位置。
37、投影图：有两种，一种是把空间相图中所有相区间的交线都投影到浓度三角
形中，借助对立体图空间构造的了解，可以用投影图来分析合金的
冷却和加热过程，另一种是等温线投影图。
38、等温线投影图：把一系列水平截面中的相界线投影到浓度三角形中，在每一
条在线注明相应的温度，这样的投影图叫等温线投影图
39、四相平衡共晶转变：是指由一个液相在恒温下转变为三个固相的转变
40、四相平衡包共晶转变：是指一个液相和一个固相在恒温下转变为两个固相的
转变
41、四相转变包晶转变：是指一个液相与两个固相在恒温下生成另一个固相的转
变
第六目
42、滑移：切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(滑移面)
和一定的晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子
排列规律性的塑性变形方式。
43、孪生：切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(孪晶面)
和一定的晶向（孪生方向）产生均匀切变，变形后晶体的变形部分
与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系。
44、脆性断裂：裂前无明显变形的断裂
45、韧性断裂：裂前有明显塑变的断裂
46、断裂韧性：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆
性破坏的韧性参数。
第七目
47、间隙扩散：这是原子扩散的一种机制，对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，
处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从一个间隙位置跳到相邻的
另一个间隙位置，形成原子的移动。
（编辑：范全保—贵州师范大学07级金属材料工程，2010年12月13日星期一）。
