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（完整版）上海交大材料科学基础课件教学大纲课程名称：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science课堂学时：90实验学时：36适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业一、课程的性质、地位、任务《材料科学基础》是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。
通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。
二、课程的教学内容和基本要求绪论（1学时）了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。
第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
§1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子链。
§2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键 (三)、共价键(四)、范德华力 (五)、氢键§3 高分子链(一)、结构单元的化学组成1．碳链高分子 2．杂链分子 3．元素有机高分子4．无机高分子(二)、高分子链结构单元的键合方式1．均聚物结构单元顺序 2．共聚物的序列结构(三)、高分子链的几何形状(四)、高分子链的构型第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。
晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。
材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。
§1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1．空间点阵概念 2．晶胞 3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带 6．晶面间距§2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征§3 金属的相结构(一)、固溶体1．置换固溶体 2．间隙固溶体 3．有序固溶体 4．固溶体的性质(二)、中间相1．正常价化合物 2．电子化合物3．原子尺寸因素化合物(ⅰ)间隙相和间隙化合物(ⅱ)拓扑密堆相§4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl型结构 (四)、a-Al2O3型结构§5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2结构 (三)、VA、VIA族亚金属结构§6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构 (二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态§7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。
没有目标的人很容易中途放弃，一定坚持自己的目标！①如果你现在有目标院校，那最好不过了，去查找或者咨询历年的分数线，包括单科线、初试线、复试线。
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第一章要求掌握的内容第一节晶体与非晶体，晶体结构与空间点阵，晶胞与原胞，晶系，布拉菲点阵，点阵常数。
第二节晶面指数、晶向指数的确定，晶面族，晶向族，晶带轴，晶面与晶向平行或垂直。
第三节面心立方、体心立方、密排六方晶胞结构，原子数，配位数，紧密系数，间隙种类，间隙大小（定性），间隙位置，第四节面心立方和密排六方的堆垛方式，堆垛层错第一章（一）内容及习题引言金属由于其性能的多样性，而被人们广泛的应用。
金属的性能由其成分、结构所决定。
成分、结构、性能之间的关系，以及它们的变化规律，构成了本课程的基础。
金属（或非金属）在固态通常是晶体，故金属的结构通常被称为金属的晶体结构。
第一章介绍的是学习和研究晶体结构所需要掌握的一些基本知识――晶体学基础。
本节课要求1 要求掌握“晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵、晶胞与原胞、晶系、布拉菲点阵、点阵常数”概念，理解布拉菲点阵的唯一性。
2 看完第一节，并完成习题1～3。
习题1描述晶体与非晶体的区别，从结构、性能等方面。
2何谓空间点阵，简述晶体结构与空间点阵的区别。
3 对于图1-4（n）的面心立方点阵，如果在该点阵的上下两个底面的面中心各添加一个阵点，请问，新的结构是属于14种空间点阵的哪一种。
2005年上海交通大学材料科学基础考博试题[ 回忆版]材料科学基础：8选5。
每题两问，每问10 分，我当10 个题说吧，好多我也记不清是那个题下的小问了。
1。
填空。
你同学应该买那本材料科学基础习题了吧，看好那本此题就没多大问题，因为重复性很强。
2。
论述刃位错和螺位错的异同点3。
画晶面和晶向，立方密排六方一定要会，不仅是低指数；三种晶型的一些参数象原子数配位数之类的4。
计算螺位错的应力。
那本习题也有类似的，本题连续考了两年，让你同学注意下此题5。
置换固熔体、间隙固熔体的概念，并说明间隙固熔体、间隙相、间隙化合物的区别。
那本习题上有答案、6。
扩散系数定义，及对他的影响因素7。
伪共晶定义，还有个相关的什么共晶吧，区分下。
根据这概念好像有个类似计算的题，这我没做，不太记得了，总之就是共晶后面有点内容看下8。
关于固熔的题，好像是不同晶型影响固熔程度的题，我就记得当时我画了个铁碳相图举例说明了下还有两个关于高分子的题，我没做也没看是啥题总之，我觉得复习材科把握课本及习题，习题很重要，有原题，而且我发现交大考试重基础，基本概念要搞清楚，就没问题。
上海交通大学2012年材料科学基础考博试题[回忆版]5个大题，每个大题20 分。
下面列出的是材料科学基础的前五个大题，其中第一大题有几个想不起来了，暂列9 个。
其实后边还有三道大题，一道是关于高分子的，一道是关于配位多面体的，还有最后一个是作为一个材料工作者结合经验谈谈对材料科学特别是对材料强韧化的看法和建议，我都没敢选。
一填空（20 分，每空1 分）1密排六方晶体有（）个八面体间隙，（）个四面体间隙2晶体可能存在的空间群有（230）种，可能存在的点群有（32 ）种。
3离子晶体中，正负离子间的平衡距离取决于（），而正离子的配位数则取决于（）。
（鲍林第一规则）4共价晶体的配位数服从（）法则。
5固溶体按溶解度分为有限固溶体和无限固溶体，那么（）固溶体永远属于有限固溶体。
6 空位浓度的计算公式：（）。
材料科学基础（第三版）第1章原子结构与键合1.1 原子结构1.1.1 物质的组成1.1.2 原子的结构1.1.3 原子的电子结构1.1.4 元素周期表1.2 原子间的键合1.2.1 金属键1.2.2 离子键1.2.3 共价键1.2.4 范德瓦耳斯力1.2.5 氢键1.3 高分子链1.3.1 高分子链的近程结构1.3.2 高分子链的远程结构第2章固体结构2.1 晶体学基础2.1.1 空间点阵和晶胞2.1.2 晶向指数和晶面指数2.1.3 晶体的对称性2.1.4 极射投影2.1.5 倒易点阵2.2 金属的晶体结构2.2.1 三种典型的金属晶体结构2.2.2 晶体的原子堆垛方式和间隙2.2.3 多晶型性2.3 合金相结构2.3.1 固溶体2.3.2 中间相2.4 离子晶体结构2.4.1 离子晶体的结构规则2.4.2 典型的离子晶体结构2.4.3 硅酸盐的晶体结构2.5 共价晶体结构2.6 聚合物的晶态结构2.6.1 聚合物的晶体形态2.6.2 聚合物晶态结构的模型2.6.3 聚合物晶体的晶胞结构2.7 准晶态结构2.8 液晶态结构2.8.1 液晶的分子结构特征与分类2.8.2 液晶的结构2.9 非晶态结构第3章晶体缺陷3.1 点缺陷3.1.1 点缺陷的形成3.1.2 点缺陷的平衡浓度3.1.3 点缺陷的运动3.2 位错3.2.1 位错的基本类型和特征3.2.2 伯氏矢量3.2.3 位错的运动3.2.4 位错的弹性性质3.2.5 位错的生成和增殖3.2.6 实际晶体结构中的位错3.3 表面及界面3.3.1 外表面3.3.2 晶界和亚晶界3.3.3 孪晶界3.3.4 相界第4章固体中原子及分子的运动4.1 表象理论4.1.1 菲克第一定律4.1.2 菲克第二定律4.1.3 扩散方程的解4.1.4 置换型固溶体中的扩散4.1.5 扩散系数D与浓度相关时的求解4.2 扩散的热力学分析4.3 扩散的原子理论4.3.1 扩散机制4.3.2 原子跳跃和扩散系数4.4 扩散激活能4.5 无规则行走与扩散距离4.6 影响扩散的因素4.7 反应扩散4.8 离子晶体中的扩散4.9 高分子的分子运动4.9.1 分子链运动的起因及其柔顺性4.9.2 分子的运动方式及其结构影响因素4.9.3 高分子不同力学状态的分子运动解说第5章材料的形变和再结晶5.1 弹性和黏弹性5.1.1 弹性变形的本质5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量5.1.3 弹性的不完整性5.1.4 黏弹性5.2 晶体的塑性变形5.2.1 单晶体的塑性变形5.2.2 多晶体的塑性变形5.2.3 合金的塑性变形5.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响5.3 回复和再结晶5.3.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化5.3.2 回复5.3.3 再结晶5.3.4 晶粒长大5.3.5 再结晶退火后的组织.5.4 热变形与动态回复、再结晶5.4.1 动态回复与动态再结晶5.4.2 热加工对组织性能的影响5.4.3 蠕变5.4.4 超塑性5.5 陶瓷材料变形的特点5.6 高聚物的变形特点第6章单组元相图及纯晶体的凝固6.1 单元系相变的热力学及相平衡6.1.1 相平衡条件和相律6.1.2 单元系相图6.2 纯晶体的凝固6.2.1 液态结构6.2.2 晶体凝固的热力学条件6.2.3 形核6.2.4 晶体长大6.2.5 结晶动力学及凝固组织6.2.6 凝固理论的应用举例6.3 气-固相变与薄膜生长6.3.1 蒸气压6.3.2 蒸发和凝聚的热力学条件6.3.3 气体分子的平均自由程6.3.4 形核6.3.5 薄膜的生长方式6.3.6 应用举例(巨磁电阻多层膜和颗粒膜) 6.4 高分子的结晶特征第7章二元系相图和合金的凝固与制备原理7.1 相图的表示和测定方法7.2 相图热力学的基本要点7.2.1 固溶体的自由能-成分曲线7.2.2 多相平衡的公切线原理7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则7.2.4 从自由能-成分曲线推测相图7.2.5 二元相图的几何规律7.3 二元相图分析7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固7.3.2 共晶相图及其合金凝固7.3.3 包晶相图及其合金凝固7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解7.3.5 其他类型的二元相图7.3.6 复杂二元相图的分析方法7.3.7 根据相图推测合金的性能7.3.8 二元相图实例分析7.4 二元合金的凝固理论7.4.1 固溶体的凝固理论7.4.2 共晶凝固理论7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷7.4.4 合金的铸造和二次加工7.5 高分子合金概述7.5.1 高分子合金的相容性7.5.2 高分子体系的相图及测定方法7.5.3 高分子合金的制备方法7.5.4 高分子合金的形态结构7.5.5 高分子合金性能与组元的一般关系7.5.6 高分子及其合金的主要类型7.6 陶瓷合金概述7.6.1 陶瓷粉体的合成7.6.2 陶瓷粉体的成型和烧结7.6.3 玻璃的制备7.6.4 陶瓷材料的性能第8章三元相图8.1 三元相图的基础8.1.1 三元相图成分表示方法8.1.2 三元相图的空间模型8.1.3 三元相图的截面图和投影图8.1.4 三元相图中的杠杆定律及重心定律8.2 固态互不溶解的三元共晶相图8.3 固态有限互溶的三元共晶相图8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶型二元系构成的三元相图8.5 包共晶型三元系相图8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图8.7 形成稳定化合物的三元系相图8.8 三元相图举例8.9 三元相图小结第9章材料的亚稳态9.1 纳米晶材料9.1.1 纳米晶材料的结构9.1.2 纳米晶材料的性能9.1.3 纳米晶材料的形成9.1.4 纳米碳管简介9.2 准晶态9.2.1 准晶的结构9.2.2 准晶的形成9.2.3 准晶的性能……第10章材料的功能特性中英对照的关键词参考文献。
各章例题、习题以及解答第1章原子结构与键合1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案:在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？答案:原子数=个价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个a)b) 共价键，共有2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以3.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。
答案:丙烯腈(－C2H3CN－)单体相对分子质量为53；丁二烯(－C2H3C2H3－) 单体相对分子质量为54;苯乙烯(－C2H3C6H5－) 单体相对分子质量为104;设三者各为1g，则丙烯腈有1/53mol，丁二烯有1/54mol，苯乙烯有1/104mol。
故各单体的摩尔分数为1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？答案2. 在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答案3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？答案 4. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr 原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。
试求铬的相对原子质量。
答案 6.铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu 63和Cu 65，试求两种铜的同位素之含量百分比。
目录第1章原子结构与键合 (1)1.1 原子结构 (1)1.2 原子间的键合 (2)1.3 高分子链 (2)本章重点复习 (3)第2章固体结构 (4)2.1 晶体学基础 (4)2.2 金属的晶体结构 (5)2.3 合金相结构 (7)2.4 离子晶体结构 (9)2.5 共价晶体结构 (10)2.6 聚合物的晶体结构 (11)2.7 非晶态结构 (13)本章重点复习 (13)第3章晶体缺陷 (15)3.1 点缺陷 (15)3.2 位错 (16)3.3 表面及界面 (18)本章重点复习 (20)第4章固体中原子及分子的运动 (23)4.1 表象理论 (23)4.2 扩散的热力学分析 (23)4.3 扩散的原子理论 (24)4.4 扩散激活能 (25)4.5 无规则行走与扩散距离 (25)本章重点复习 (25)第5章材料的形变和再结晶 (27)5.1 弹性和粘弹性 (28)5.2 晶体的塑性变形 (29)5.3 回复和再结晶 (33)5.4 高聚物的塑性变形 (36)本章重点复习 (36)第6章单组元相图及纯晶体凝固 (38)6.1 单元系相变的热力学及相平衡 (38)6.2 纯晶体的凝固 (39)本章重点复习 (40)第7章二元系相图及合金的凝固 (42)7.1 相图的表示和测定方法 (42)7.2 相图热力学的基本要点 (43)7.3 二元相图分析 (44)7.4 二元合金的凝固理论 (45)7.5 高分子合金概述 (47)本章重点复习 (48)第8章三元相图 (52)8.1 三元相图基础 (52)8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 (55)8.3 固态有限互溶的三元共晶相图 (57)8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图 (58)8.5 包共晶型三元系相图 (59)8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图 (60)8.7 形成稳定化合物的三元系相图 (60)8.8 三元相图举例 (61)8.9 三元相图小结 (63)本章重点复习 (64)第9章材料的亚稳态 (66)9.1纳米晶材料 (66)9.2 准晶态 (69)9.3 非晶态材料 (70)9.4 固态相变形成的亚稳相 (71)本章重点复习 (72)上海交通大学材料科学基础网络课程整理73材料是国民经济的物质基础。
第8章 三元相图一、选择题1．如图8-1所示三元合金相图中，共晶反应的三相平衡的连接三角形应为（）。
[上海交通大学2006研]图8-1【答案】A2．下列四相平衡反应中，属于包共晶反应的是（ ）。
[华中科技大学2006研]A ．L α+β+γ→B ．L αβ+γ+→C ．L α+βγ+→【答案】B3．在三元系中有哪些四相平衡反应结束后可能有液相剩余？（ ）[东南大学2006研]A ．共晶和包晶B ．共晶和包共晶C ．包晶和包共晶D ．包晶和包析【答案】C4．利用三元相图的变温界面图可以（ ）。
[哈尔滨工业大学2007研]A ．确定三元合金平衡相的成分B ．定性分析三元合金的平衡结晶过程C ．确定平衡相的含量D ．应用杠杆定律和重心法则【答案】B台图8-2二、简答题1．三元相图如图8-3所示。
图8-3（1）确定含、、的物料从高温冷却时初始凝固温度和液相全部凝固温度。
（2）写出该成分点的析晶过程。
（3）根据此三元相图画出的二元相图示意图。
[北京工业大学2007研]答：（1）、、的物料从高温冷却时初始凝固温度为750℃，液相全部凝固温度425℃。
（2）该成分点的析晶过程为（3）如图8-4所示。
图8-42．A-B-C 三元相图如图8-5所示。
（1）划分分三角形。
（2）标出界线的性质（共熔界线用单箭头，转熔界线用双箭头）。
（3）指出化合物S 、D 的性质。
（4）说明E 、H 、R 点的性质，并列出相变式。
（5）分析M 点的析晶路程（表明液、固相组成点的变化，并在液相变化的路径中注明各阶段的相变化和自由度数）。
[南京工业大学2009研]答：（1）划分成3个分三角形，如图8-5所示。
（2）如图8-5所示。
（3）S ：不一致熔三元化合物；D ：一致熔二元化合物。
（4）E ：低共熔点L E →B ＋C＋S f ＝0H：单转熔点R ：单转熔点（5）液相：固相：图8-53．如图8-6所示为V-Cr-C 三元系液相图投影图（示意图）的一部分，请列出所有四相平衡反应的反应式，并说明属于什么反应。
