1 西安交通大学材料科学基础-I（英）课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 材料科学基础-I（英） Fundamentals of Materials Science-1 课程编号 MATL401902 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论: 32 实验: 上机: 课外: （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 大学物理、大学化学、有机化学、材料力学、物理化学 教材、参考 书及其他 资料 使用教材： 1. 石德珂主编，材料科学基础（第 2 版），北京：机械工业出版 社，2003 2. Schaffer, Saxena, Antolovich, Sanders, Warner, The Science and Design of Engineering Materials, McGraw-Hill Companies, 高等教 育书版社（影印版），北京，2003 参考教材： 1. 潘金生，仝健民，田民波主编，材料科学基础（修订版），北 京：清华大学出版社，2011 2. 胡赓祥，蔡 珣，戎咏华主编，材料科学基础（第三版），上 海：上海交通大学出版社，2010 3. 范群成，田民波主编，材料科学基础学习辅导，北京，机械工 业出版社，2005 二、课程目标及学生应达到的能力
2 2.1 课程的基本要求 本课程是材料科学基础理论中材料结构学的基础知识，以材料的晶体结构及 晶体缺陷为主，讲述材料从原子（或离子、分子）、原子间作用（结合方式）、原 子间排列到材料基本属性和基本行为的基本概念和基本理论，使学生通过学习基 础知识，深刻准确理解基本核心概念，牢固掌握基本理论。课程将组织学生分组 讨论，共同完成教师布置的课题，并以 PPT 的形式口头交流和展示，锻炼学生 自主查阅文献资料、交流表达的能力，培养学生自主性学习、批判性思考和创新 性思维的能力。 课程教学中，教师通过概念讲解使学生熟练理解和掌握晶体点阵、晶胞、晶 系、布拉菲点阵、晶带的基本概念，熟练掌握最基本的获得晶向指数、晶面指数、 晶面间距的方法。通过实物模型和演示动画结合的教学方式，加深学生对于金属 的典型晶体（体心立方、面心立方、密排六方）结构的理解掌握，熟悉离子晶体 的结构规则及典型离子晶体的结构和典型共价晶体的结构，从而建立扎实的理论 知识，为在工程上的进一步应用奠定理论基础。 熟练掌握晶体中点缺陷、位错、面缺陷及体缺陷的基本概念、基本类型和力 学特性。学会用伯氏矢量分析和解释位错的运动、能量特点和交互作用，掌握面 缺陷的能量特点以及其对微观组织形貌的影响。培养学生提炼物理模型、建立数 学模型以及从定性分析到定量分析的基本思路和能力。理解和掌握高分子材料的 基本概念、合成及分类，了解高分子材料的性能特点、结构/性能关系以及高分 子材料改性的途径。通过学习材料结构的基本知识，牢固建立成分-工艺-组织- 性能四面体关系的基本概念。让学生初步认识从材料的服役环境出发选择相应性 能的基本思路，使学生学会理论结合实际的思维方法。 2.2 课程的目标及学生应该达到的能力 1 工程知识 能够运用材料科学的相关专业知识，结合数学和其他学科工具，建立物理和 数学模型，有效解决材料领域的复杂工程问题。 支撑毕业要求指标点 1-4：具备综合应用数学、自然科学、工程基础及材料 科学基础并结合后续材料工程基础、材料研究方法、材料性能等专业知识的能力， 用于解决材料领域的复杂工程问题。 2 复杂工程问题分析能力 能够运用材料科学基础的相关知识，对各种典型材料在实际应用中的复杂工 程问题进行微观层次的基本分析。能够对比和分析不同种类材料在服役过程中微 观特点，从而揭示其力学和物理特性，对于多种解决方案和途径加以取舍，更加 有针对性的选择合适材料，获得有效结论
3 支撑毕业要求指标点 2-3：通过所学专业知识结合文献研究，分析复杂工程 问题中材料成分-工艺-组织-性能之间的相互关系，对比多种解决方案和路径，获 得有效结论。 3 研究 能够运用材料科学基础的相关知识和基本原理，基于文献调研和学习，从而 对实验结果进行整理，归纳和分析，在此基础上揭示材料的元素成分-加工工艺- 微观组织-物理或力学性能之间的对应关系，获得可靠有效的结论。 支撑毕业要求指标点 4-4：通过信息综合，对实验结果进行关联、分析和解 释，获得该类材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系特征，最终得到合理有效的 结论。 4 国际背景下沟通交流能力 掌握专业英文词汇和口语，培养学生沟通与交流能力，使学生能够准确应用 专业术语，并能有效地与专业同行或组内成员进行交流沟通，准确理解对方的观 点、清楚表达自己的观点。 支撑毕业要求指标点 10-1：能应用外语在国际化背景下就材料及相关领域问 题进行有效沟通和交流。 表 2-1 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕业要求 / 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课程目标 1 M 课程目标 2 M 课程目标 3 M 课程目标 4 L 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的关联 关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序 号 章节名称 知识点 参考 学时 0 绪论 材料发展历程和分类，各种材料概况，材料内部 结构，加工工艺与性能的关系， 1 1 1 材料结构的基本知识 1.1 原子结构 1.2 原子结合键 1.3 原子排列方式 电子排布，键能曲线，键力曲线，离子键，共价 键，金属键，二次键，晶体，非晶体，布拉格定 律 5 2 2 材料的晶体结构 2.1 晶体学基础 2.2 纯金属的晶体结构 2.3 离子晶体的结构 晶系和布拉菲点阵，晶向指数和晶面指数， 晶 面间距， 晶带及晶带定理，赤面投影图，金属 典型晶体结构，多晶型性，原子半径，离子晶体 的主要特点，离子半径、配位数， 离子晶体的 7
4 2.4 共价晶体的结构 结构规则， 离子晶体的典型结构，共价晶体的 主要特点， 共价晶体的典型结构。 3 3 高分子材料结构 3.1 高分子材料概述 3.2 高分子链的结构及构 象 3.3 高分子的聚集态结构 3.4 高分子材料的性能与 结构 高分子材料的基本概念、 合成、分类，高分子 链的化学组成，结构单元的键接方式和构型，链 的几何形状，链的构象及柔顺性，晶态聚合物的 结构，非晶态聚合物的结构，聚合物的结晶度与 玻璃化温度，主要性能特点，性能与结构的关系， 改变高分子材料性能的途径。 3 4 4 晶体缺陷 4.1 点缺陷 4.2 位错的基本概念 4.3 位错的能量和交互作 用 4.4 晶体中的界面 点缺陷的类型，点缺陷的浓度，位错学说的产生， 位错的几何形态，位错的运动，应力和应变分析， 位错的应力场，位错的应变能，外加应力对位错 的作用力，位错间的互作用力，位错与溶质原子 的互作用力，位错的线张力，位错运动的点阵阻 力，全位错，堆垛层错，不全位错，位错反应， 晶界的结构与晶界能，表面及表面能，表面吸附 与晶界内吸附，浸润行为，界面能与显微组织形 貌的变化。 16
5 四、教学安排详表 章节顺序 教学内容 学时 分配 教学方式 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标的 支撑关系 1 材料的发展概述 1 上课 通过学习材料结构的基本知识，牢固建立成分-工艺-组织-性能之间的 关系。 课程目标 1 2 原子尺度的材料结 构 5 上课 讨论 熟练掌握电子排布规律，理解掌握键能曲线、键力曲线的画法和表达 的信息，掌握离子键、共价键、金属键、二次键的特点和典型实例， 掌握晶体、非晶体的概念，学会布拉格定律。 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 3 3 晶体学基础知识 7 上课 讨论 熟练掌握晶体点阵、晶胞、晶系、布拉菲点阵、晶带的基本概念，熟 练掌握求晶向指数、晶面指数、晶面间距的方法。熟练掌握金属的典 型晶体（体心立方、面心立方、密排六方）结构、离子晶体的结构规 则及典型离子晶体的结构、典型共价晶体的结构。 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 3 课程目标 4 4 高分子材料基本概 念 3 上课 自学 掌握高分子材料的基本概念、合成及分类；掌握高分子链的结构及构 象；了解高分子的聚集态结构；了解高分子材料的性能特点、结构/ 性能关系以及材料改性的途径。 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 3 5 晶体缺陷及其运动 16 上课 讨论 掌握晶体中点缺陷的类型、浓度及其与材料行为的关系， 理解掌握位 错的基本概念、弹性性质、作用在位错线上的力以及实际晶体中的位 错。了解晶体中晶界的结构及晶界能、晶体的表面及表面能、表面吸 附与晶界内吸附、浸润行为、及界面能对显微组织形貌的影响。 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 4