材料科学基础东北大学

《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。

第7章扩散与固态相变一、选择题1．离子化合物中，阳离子比阴离子扩散能力强的原因在于（）。

[上海交通大学2005研]A．阴离子的半径较大B．阳离子更容易形成电荷缺陷C．阳离子的原子价与阴离子不同【答案】A2．材料中能发生扩散的根本原因是（）。

[华中科技大学2006研]A．温度的变化B．存在浓度梯度C．存在化学势梯度【答案】C3．在低温下，一般固体材料中发生的扩散是（）。

[南京工业大学2009研]A．本征扩散B．非本征扩散C．无序扩散【答案】B【解析】固体材料在温度较高时，发生本征扩散；在低温下，则发生非本征扩散。

二、填空题1．固态金属中原子扩散的驱动力是______，其扩散方向是向关______的方向进行，其扩散机制主要有______和______；前者是原子通过______进行迁移，后者是原子通过______进行迁移，因此前者的扩散激活能比后者______；扩散系数比后者______。

[合肥工业大学2006研]【答案】化学势梯度；化学位降低；空位扩散机制；间隙机制；空位扩散；晶格间隙；小；大2．上坡扩散是指______。

扩散的驱动力是______。

[江苏大学2005研]【答案】由低浓度向高浓度方向的扩散；化学势的改变3．扩散系数越______，结构缺陷越多，扩散速度越______。

[沈阳大学2009研]【答案】小；快4．马氏体相变具有以下的一些特征：、、和等。

[南京工业大学2009研]【答案】存在习性平面；取向关系；无扩散性；速度快（或没有特定的相变温度）【解析】马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形成核心和长大的过程。

马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。

惯习（析）面是指马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体。

三、简答题1．解释名词扩散系数。

[东北大学2004研]答：根据菲克第一定律，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量，用J 表示）与该截面处的浓度梯度成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大，相应的数学表达式为：d d C J D x=-式中，D 为扩散系数，m 2/s；C 为扩散物质（组元）的体积浓度，原子数/m 或kg/m；d C /d x 为浓度梯度；“－”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散；J 为扩散通量，kg/m 2·s。

东北大学2014年研究生入学考试试题考试科目：材料科学基础（829）一、解释名词（20′）1、小角度晶界2、不全位错3、变形织构4、熟化5、不连续脱溶二、对于面心立方单晶体中b=a[101]∕2。

位错线方向为[¯1¯21]的刃位错。

试计算当沿[110]方向施家100MPa拉力时，单位长度位错线沿滑移和攀移方向所受的力，已知a=0.40nm。

三、（1）分析成分为5.6%Cu和5.7%Cu的合金在平衡结晶和快速冷却非平衡结晶时的室温组织特点。

（2）设x合金平衡凝固完毕的组织为α初晶+（Α+θ）共晶，其中α初晶占60% ，则合金中刚凝固完毕的θ相的含量是多少？（3）绘出温度T=560℃时各相自由能-成分曲线示意图（4）指出此二元系中比较适合作变形合金和铸造合金的成分范围。

（5）成分为4%的Cu的合金经80%冷变形后，分别在550℃和250℃退火1小时，试分析其组织有何不同。

四、材料结合键的类型有哪些？结合键的类型和结合键的大小对材料的力学性能有何影响？五、一台蒸汽涡轮机的低压转子是用Cr-Mo-V合金钢材料制成的，工作温度是565℃，转速为3400转/分钟，在运行106000小时之后发生断裂，请分析其失效的可能原因是什么？六、T温度下A-B二元合金系α相和γ相的摩尔吉布斯自由能Gm-成分曲线如图所示，由合金Ⅰ和合金Ⅱ组成的扩散偶在此温度下扩散。

分析原子扩散方向，如果合金Ⅰ和合金Ⅱ的混合成分为X分析通过扩散达到平衡后，系统的摩尔吉B,布斯自由能Gm的变化，并画出示意图。

七、Mg-Sn-Zn系液相面投影图（1）写出图中A、B、C、D处四相平衡反应类型及反应式。

（2）确定P点合金成分及初晶相，并估算其结晶温度。

（3）假设Sn基固溶体bct(Sn)对其他组员的固溶度可忽略，分析Q点成分的平衡凝固过程及组织变化。

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。

2001年1.在晶格常数为a的面心立方晶胞中，画出{111}晶面族的全部晶面并标出各自的晶面指数，计算面间距。

（12′）2.晶粒直径为50um，若在晶界萌生位错所需要的应力约为G/30，晶粒中部有位错源，问要多大的外力才能使晶界萌生位错？（13′）3. 含碳量为百分之3.5的铁－碳合金，在室温时由哪两个相组成？各占的重量百分数是多少？并计算室温时珠光体和莱氏体的百分含量。

（12′）4.再结晶后的晶粒大小如何计算?与哪些因素有关？为何多数金属材料再结晶后晶粒尺寸随预定形变量的关系会在百分之10变形量附近出现一个峰值？（13′）5.材料发生蠕变时通常符合的指数定律，对于同一种材料讨论说明式中的n 会不会随试验温度变化？试验测定n值的目的是什么？在例如800摄氏度的试验温度下，金属材料和陶瓷材料的n值由什么不同？（13′）6.什么是电子的分子轨道？为什么有的同类原子会形成分子？有的同类原子不形成分子？是否原子间核外电子越多，形成的分子就轨道越多？是否形成的分子轨道越多，形成的分子的结合键就越强？回答问题并给予简单讨论。

（12分）7.解释名词（1）复合强化（2）晶界偏析（3）应变疲劳（4）扩散激活能（20′）2002年1.画出面心立方体的（111）和（100）面，计算面间距和面密度。

证实晶面的间距越大，原子面密度越高。

（15′）2.假定一块钢进行热处理时，加热到850摄氏度后，快冷到室温，铁中空位的形成能是104Kj/mol,R=8332J/K mol.。

试计算，从20摄氏度加热到850摄氏度以后，空位的数目应当增加多少倍？扼要解释快速淬冷到室温后，这些“额外”的空位会出现什么情况？如果缓慢冷却呢？（12′）3.三元相图中含有液相的四相区有哪几种形状？请分别画出并标出四个相的位置和进入与离开四相区的液相成分随温度变化的投影线，写出对应的各四相反应的表达式。

讨论四相区零自由度的含意。

（13′）4.课本第153页习题第2题。

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。

东北大学材料科学基础（826）名词解释1、晶体[2008年]原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。

2、中间相两组元A和B组成合金时，除了形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B两组元均不相同的新相。

由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。

3、亚稳相亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却或加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。

4、配位数晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

5、再结晶[2002年、2003年、2004年、2006年B]冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。

（指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程）6、伪共晶[2006年A]非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。

7、交滑移当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。

8、过时效铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP区，θ″，θ′，和θ。

在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ′，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。

9、形变强化金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。

10、固溶强化由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。

11、弥散强化许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。

12、不全位错[2014年]柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。

13、扩展位错[2007年]通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。

1．清华大学材料科学基础历年考研真题及详解2009年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解2008年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解2007年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解清华大学2007年攻读硕士学位研究生入学考试试题考试科目：材料科学基础（与物理化学或固体物理）适用专业：材料科学与工程一、（5分）证明：对于立方晶系，有二、（10分）画出下述物质的一个晶胞：金刚石 NaCl 闪锌矿纤锌矿石墨三、（10分）请导出摩尔分数为x A、x B的二元系中的综合扩散系数D与分扩散系数D A、D B之间的关系。

四、（10分）根据图1-1所示的铁碳平衡相图，回答以下问题：1．写出在1495℃、1154℃、1148℃、738℃和727℃发生的三相平衡反应的反应式。

2．画出含碳量的过共析钢在室温下的平衡组织，并计算其中二次渗碳体的百分数。

3．含碳量的亚共晶白口铸铁在从液相平衡冷却到室温时会发生什么三相平衡反应和两相平衡反应（可用热分析曲线表示）？室温下该成分的铸铁中有没有二次渗碳体？如有的话，计算其百分数。

五、（10分）1．解释冷变形金属加热时回复、再结晶的过程及特点。

2．已知Cu-30％Zn合金的再结晶激活能为250kJ/mol，此合金在400℃的恒温下完成再结晶需要1h，试求此合金在390℃的恒温下完成再结晶需要多少小时。

六、（15分）沿铝（A1）单晶的方向拉伸，使其发生塑性变形，请确定：1．画出立方晶系的标准投影，并由此确定初始滑移系统。

2．转动规律和转轴。

图1-1　第四题图3．双滑移系统。

4．双滑移开始时晶体的取向和切变量。

5．双滑移过程中晶体的转动规律和转轴。

6．晶体的最终取向。

七、（15分）有一面心立方单晶体，在（111）面滑移的柏氏矢量为的右螺型位错，与在面上滑移的柏氏矢量为的另一右螺型位错相遇于此两滑移面交线，并形成一个新的全位错。

东北大学2001年攻读硕士研究生学位研究生试题1.在晶格常数为a的面心立方晶胞中，画出{111}晶面族的全部晶面并标出各自的晶面指数，计算面间距。

（12′）2.晶粒直径为50um，若在晶界萌生位错所需要的应力约为G/30，晶粒中部有位错源，问要多大的外力才能使晶界萌生位错？（13′）3. 含碳量为百分之3.5的铁－碳合金，在室温时由哪两个相组成？各占的重量百分数是多少？并计算室温时珠光体和莱氏体的百分含量。

（12′）4.再结晶后的晶粒大小如何计算?与哪些因素有关？为何多数金属材料再结晶后晶粒尺寸随预定形变量的关系会在百分之10变形量附近出现一个峰值？（13′）5.材料发生蠕变时通常符合的指数定律，对于同一种材料讨论说明式中的n 会不会随试验温度变化？试验测定n值的目的是什么？在例如800摄氏度的试验温度下，金属材料和陶瓷材料的n值由什么不同？（13′）6.什么是电子的分子轨道？为什么有的同类原子会形成分子？有的同类原子不形成分子？是否原子间核外电子越多，形成的分子就轨道越多？是否形成的分子轨道越多，形成的分子的结合键就越强？回答问题并给予简单讨论。

（12分）7.解释名词（1）复合强化（2）晶界偏析（3）应变疲劳（4）扩散激活能（20′）东北大学2002年攻读硕士研究生学位研究生试题1.画出面心立方体的（111）和（100）面，计算面间距和面密度。

证实晶面的间距越大，原子面密度越高。

（15′）2.假定一块钢进行热处理时，加热到850摄氏度后，快冷到室温，铁中空位的形成能是104Kj/mol,R=8332J/K mol.。

试计算，从20摄氏度加热到850摄氏度以后，空位的数目应当增加多少倍？扼要解释快速淬冷到室温后，这些“额外”的空位会出现什么情况？如果缓慢冷却呢？（12′）3.三元相图中含有液相的四相区有哪几种形状？请分别画出并标出四个相的位置和进入与离开四相区的液相成分随温度变化的投影线，写出对应的各四相反应的表达式。