《材料科学与工程基础》教案-四川大学课程中心30

《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》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。

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 —TgCp 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 =0.25Fe C P =0.50热容小，很快冷要点 区分：热 容和比热Fig17.1高分子 C P 1.0〜2.0例 / HDPELDPE 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 at20Fig 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 (y54-2-2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。

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。

材料科学与工程教案一、教学目标材料科学与工程是一门涉及材料结构、性能及其应用的学科，该教案的目标是使学生能够理解和应用材料科学的基本原理，掌握材料工程设计和制备的基本方法，并具备解决工程问题的能力。

二、教学内容本教案主要涵盖以下内容：1. 材料科学基础知识：包括材料的分类、结构与性能的关系、相图等。

2. 材料工程设计：介绍材料选型、材料性能测试与评价等。

3. 材料制备与加工技术：包括材料的化学合成、物理制备、表面处理等。

4. 材料性能测试与分析：介绍常用的材料性能测试方法和分析手段。

5. 材料应用与发展：探讨材料科学的前沿领域和应用案例。

三、教学方法本教案采用以下教学方法：1. 讲授与演示相结合：通过教师的讲解与示范，向学生介绍材料科学的基本理论和实践操作。

2. 实验与实践：组织学生进行实验和实践操作，培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。

3. 互动讨论：鼓励学生提问与思考，在课堂上进行互动交流，促进学生思维的活跃与深入。

四、教学流程第一课时：1. 导入：通过引入材料科学与工程的相关案例，引发学生对材料科学的兴趣。

2. 知识讲解：介绍材料科学的定义、研究内容和意义。

3. 实例分析：通过实例分析，解释材料结构、性能与应用之间的关系。

第二课时：1. 导入：通过回顾上一课时的内容，激发学生对材料科学的思考。

2. 知识讲解：详细介绍材料的分类和材料性能的评价方法。

3. 实践操作：组织学生进行材料性能测试实验，通过测试结果来评价材料的优缺点。

第三课时：1. 导入：通过引入一个实际工程问题，激发学生对材料应用的兴趣。

2. 知识讲解：讲解材料工程设计的基本方法和流程。

3. 实践操作：要求学生选择合适的材料应用于给定的工程问题，并设计相应的工程解决方案。

第四课时：1. 导入：通过展示材料制备与加工的实际应用，引发学生对材料制备技术的探索。

2. 知识讲解：介绍材料的制备与加工技术，包括化学合成、物理制备和表面处理等。

《材料科学基础教案》PPT课件第一章：材料科学导论1.1 材料科学的定义和发展历程1.2 材料的分类和特性1.3 材料科学的研究内容和方法1.4 材料科学在工程中的应用第二章：材料的力学性能2.1 弹性、塑性和脆性2.2 材料的强度、硬度和韧性2.3 材料的热膨胀和导热性2.4 材料的疲劳和腐蚀性能第三章：材料的结构3.1 原子结构与元素的电子配置3.2 金属晶体结构3.3 非金属晶体结构3.4 材料的微观结构与宏观性能的关系第四章：材料的热处理和加工4.1 材料的热处理工艺和性能4.2 金属的铸造、焊接和热轧4.3 非金属材料的加工方法4.4 新型材料的加工技术和应用第五章：材料的选择与应用5.1 材料的选用原则和标准5.2 工程常用金属材料的选择与应用5.3 常用非金属材料的选择与应用5.4 新型材料在工程中的应用案例分析第六章：金属的腐蚀与防护6.1 金属腐蚀的基本类型和机理6.2 金属腐蚀的影响因素6.3 金属的腐蚀防护方法6.4 实例分析：金属腐蚀与防护的应用第七章：陶瓷材料7.1 陶瓷材料的定义和特性7.2 陶瓷材料的制备方法7.3 陶瓷材料的分类与应用7.4 先进陶瓷材料的最新发展第八章：高分子材料8.1 高分子材料的定义和结构8.2 高分子材料的制备方法8.3 高分子材料的性能与应用8.4 生物基高分子材料和可持续发展的关系第九章：复合材料9.1 复合材料的定义和特点9.2 复合材料的制备方法9.3 常见复合材料的类型与应用9.4 复合材料在航空航天和汽车工业中的应用第十章：纳米材料10.1 纳米材料的定义和特性10.2 纳米材料的制备方法10.3 纳米材料的应用领域10.4 纳米材料的发展趋势和挑战重点和难点解析重点一：材料科学的定义和发展历程解析：理解材料科学的定义是掌握整个学科的基础，对材料科学的发展历程有一个全面的了解，能够帮助我们更好地理解其在不同历史阶段的重要性。

重点二：材料的分类和特性解析：材料的分类是理解不同材料性质的基础，而特性则是材料应用的关键。

《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。

《材料科学与工程基础》课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Materials Science and Engineering课程类型：学科基础课课程要求：必修学时/学分：32/2适用专业：高分子材料与工程材料科学与工程材料学一、课程性质与任务材料科学与工程基础是高分子材料与工程专业专业基础课。

本课程将系统、全面地介绍材料基础理论知识，诸如材料的结合键、材料的晶体结构、晶体结构缺陷、材料的相结构与相图、材料的凝固、材料中的扩散，材料的塑性变形与强化、材料的亚稳态。

本课程着眼于材料基本问题、从材料的基本理论出发，将高分子聚合物材料、陶瓷材料、复合材料等结合在一起，使学生能把握材料的共性，熟悉材料的个性。

通过理论教学与实验教学，使学生不仅能掌握基本理论，善于分析和解决问题，探索新知识的能力。

本课程也是高分子材料与工程专业的技术基础课，它为该专业学生的后续课程，如材料加工成型、材料热处理、材料的性能、工程材料学、材料测试、材料的近代研究方法、计算机在材料科学中的应用等提供基础。

本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本设计方法的讲解；在培养实践能力方面着重设计构思和基本设计技能的基本训练，使学生对材料合成与制备过程中的应用型知识有一定的了解并具有一定的设计能力。

二、课程与其他课程的联系学习本课程之前应该修完无机化学、物理化学，为材料结构的讲解奠定基础。

三、课程教学目标1．学习材料科学与工程基础知识和基本理论知识，掌握常用材料的结构分析方法、特性等基本知识；掌握材料科学的基础理论知识、材料合成及改性的方法，具有开发新型材料及产品的初步能力；具有对现有通用产品的生产和操作能力；具有常规分析仪器的操作和检测能力；具有进行技术经济分析和管理的初步能力。

3．学习常用的材料的设计原理、方法和设计等的一般规律，具有设计和检测常用工程材料的能力；掌握常规材料的生产及材料测试分析及表征设备的操作；能够进行专业实验的设计、操作、执行和结果分析，在专业实验中能够综合运用所学的基础理论解决合成和改性方面的工程实践问题的能力。

【首页】
【理、工科】
共棱小块的结构相同，
共面小块的结构不同反尖晶石B(AB)O4
密度计算
例题3-3, 3-4
EXAMPLE PROBLEM 3.5, 3.6
3-3-3硅酸盐晶体结构
结构基础[SiO4]4-四面体，Si4+中心，O2-顶。

两个邻近四面体之间共顶相连，不共棱或面。

排列方式5种：络阴离子团
岛状：4个O，非桥氧原子。

[ SiO4 ]4-
联岛[ Si2O7 ]6-
组群状：2个O，非桥氧原子，连成环状。

[ Si3O9 ]6-
链状：2个O，线形。

单链1∞[ Si2O6 ]4-
双链1∞[ Si4O11 ]6-层状：1个O 2∞[ Si2O5 ]2-
架状。

0个O，如石英。

3∞[ SiO2 ] 上述硅氧结构单元再通过离子连接，排列成晶体，构成晶粒，形成
多晶体。

粘土（高岭土）Al2〔Si2O5〕(OH)4
石英的同素异构体
蒙脱土
3-3-4无机非金属材料的非晶体结构
1.无机玻璃的组织结构
组成：（网络生成体、网络外体、中间体）氧化物
硅酸盐玻璃
主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。

键合形式：离子键、共价键，及其混合键。

难点，晶胞参量计算
要点
3-47,Fig.3.10 图3-48
图3-49
图3-50
图3-51
图3-52
难点，层状结构
Fig 3.13, 3.14
表3-6
图3－58。

材料科学与工程基础_四川大学3中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.图示结构K截面的弯矩为：答案:2.图示结构CD杆的内力是：答案:P3.图示结构A截面的弯矩和剪力为：答案:4.图示桁架1，2，3，4杆内力为：答案:5.图示结构，各杆EI、EA相同，K、H两点间的相对线位移为：答案:6.图示桁架，EA=常数，杆b的内力为：答案:7.图示结构AB杆A端的杆端弯矩为：答案:8.答案:9.在静定结构中，除荷载外，其它因素如温度改变，支座移动等：答案:均不引起内力；10.图示桁架内力为零的杆有：答案:8根；11.图示结构a杆的轴力为：答案:4P12.图示圆拱中支座C的竖向反力为：答案:13.图示各结构中，除特殊注明者外，各杆件EI=常数。

其中不能直接用力矩分配法计算的结构是：答案:14.答案:15.静定结构的内力计算与：答案:EI无关16.答案:17.图示刚架EB杆E端弯矩为（）答案:Pa（左侧受拉）18.不含支座链杆，图示桁架中零杆的数目为（）个答案:7 19.答案:20.如图所示，两刚架几何尺寸相同，但结构刚度和支座弹簧刚度不同，荷载大小和作用位置相同，则两刚架有关系为（）答案:内力相同，位移不同21.以下叙述正确的是（）答案:温度变化作用下，静定结构不产生内力22.对图示刚架，各杆抗弯刚度EI相同且为常数，三根杆件长度相同，忽略轴向变形，以下叙述正确的是（）答案:23.用力矩分配法计算图示结构时，BC杆的分配系数：答案:16/2524.图示连续梁用力矩分配法求得AB杆B端的弯矩是：答案:-6kN·m25.图示结构，AC杆的A端受拉侧为：答案:弯矩为零，无受拉侧26.关于图示结构，下列说法正确的为：答案:EF杆的轴力为-ql27.图示结构的M图一定是对称的。

答案:正确28.图（a）中+t为温升值，-t为温降值，则图（a）刚架的弯矩图形状为图（b）。

答案:正确29.用位移法计算图示结构时，最少的基本未知量为两个。