材料科学基础 (专业任选课)
Fundamentals of Materials Science
以下部分标题填写用黑体五号字体，具体填写内容字体为宋体五号）
【课程编号】RZ26493
【学分数】2
【学时数】40=36+4
【适用专业】物理学
一、教学目的、任务
本课程是物理学专业（材料方向）的选修课。本课程使学生了解和掌握金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的共性以及一些主要材料的特性；熟悉材料的组织结构在不同外界状态下的变化规律及对材料性能的影响，了解材料科学的进展，初步具备正确选择和研究材料的能力，并为进一步设计和制备新型材料打下良好的基础。
二、课程教学的基本要求
掌握：属于高要求。对于要求掌握的内容应透彻明了，相关的知识点应能熟练灵活运用，能分析和计算有关问题。
理解：属于一般要求。对于要求理解的内容应明了，能分析有关问题。
了解：属于较低要求。对于要求了解的内容，知道所涉及问题的现象和有关实验，能对它们进行定性解释。
三、教学内容和学时分配1 + 5 + 4 + 5 + 9 + 3 + 4 + 5 +4= 40
主要内容及教学要求：
绪论（1学时）
1、本课程的性质、目的与任务（了解）
2、材料科学与工程的关系。（了解）
第一章 固体材料的结构基础知识（5学时）
1、原子结构与键合（了解）
2、晶体学基础知识（了解）
3、常见的晶体结构（掌握）
4、固溶体和金属间化合物的晶体结构（掌握）
第二章晶体结构缺陷（4学时） 【课程类别】专业任选 【编写日期】2010.3.30 【先修课程】高数、普物
1、点缺陷 （掌握）
2、位错的结构 （掌握）
3、位错的的应力场和运动 （了解）
4、位错与晶体结构缺陷的交互作用，位错的增殖、塞积与交割 （了解）
5、实际晶体中的位错 （了解）
第三章 晶态固体中的扩散（5学时）
1、 扩散的宏观规律 （掌握）
菲克第一定律与稳态扩散、菲克第二定律与非稳态扩散
2、扩散的微观机制 （掌握）
扩散机制、固态原子的无规行走及相关效应、原子跳动与扩散系数的微观表达式
3、扩散系数 （掌握）
扩散系数与扩散激活能、扩散系数的测定及影响扩散系数的因素、本征扩散系数与互扩散系数
第四章 相平衡和相图（9学时）
1、相与相平衡 （掌握）
组元、相、相平衡、自由度与相律
2、单元系相图 （掌握）
单元系相图的表示和实验测定方法、相图分析、有晶型变化的单元系相图
3、二元系相图 （掌握）
杠杆定律、二元系相图的类型和几何规律、二元系相图的分析
4、铁碳相图 （掌握）
铁碳合金的组元及基本相、Fe－Fe3C相图分析、铁碳合金及平衡结晶、碳对铁碳合金的组织与性能的影响、铁－石墨相图
5、相图的热力学解释 （了解）
单元系相图热力学、二元系相图热力学、由自由能－成分曲线合成相图
6、三元系相图 （了解）
三元系相图的表示方法、三元系平衡相的定量法则、三元匀晶、共晶相图
其它教学环节：实验教学（3学时）
1、实验项目名称：金相显微镜的使用及金相试样的制备 （3学时）
实验目的：掌握金相试样制备的基本方法，掌握金相显微镜的使用方法，观察金相组织形貌。 仪器设备：待磨试样、砂轮机、及玻璃板、抛光机、吹风机、金相显微镜、夹子。
消耗材料：金相砂纸、抛光液、浸蚀剂、酒精、脱脂棉、吸水纸。
实验课的考试或考核办法
实验考核包括三部分：实验纪律、实验动手能力、实验报告，实验成绩占课程总成绩20%。
第五章 材料的凝固（4学时）
1、纯金属的结晶 （掌握）
结晶的过冷现象及热力学条件、液态金属结构、金属的结晶过程、形核与长大
2、固溶体合金的结晶 （掌握）
非平衡态的结晶、固溶体合金结晶过程时溶质的重新分布、合金凝固过程中的成分过冷、界面稳定性与晶体生长形态
3、共晶合金结晶 （掌握）
共晶转变机制、共晶组织形貌、亚共晶与过共晶合金中初生相形态、共晶系合金的非平衡结晶
4、铸锭组织的形成与控制 （了解）
5、凝固技术 （了解）
定向凝固、单晶制取及区域提纯
第六章 固态相变（5学时）
1、固态相变总论 （掌握）
固态相变的特点及分类、固态相变的形核与长大、固态相变动力学
2、成分保持不变的相变 （掌握）
多型性转变、块体转变、有序－无序转变
3、过饱和固溶体的分解 （掌握）
脱溶沉淀过程、方式、脱溶沉淀热力学、等温沉淀的动力学、调幅分解、沉淀相粗化、沉淀强化机制
4、共析转变 （掌握）
概述、共析转变的热力学、珠光体的形成过程、共析转变动力学、先共析与伪共析转变、珠光体的组织热点及力学性能
5、马氏体转变 （掌握及了解）
马氏体转变的基本特征、马氏体转变的晶体学、马氏体转变的动力学、热力学
6、贝氏体转变 （了解）
7、过冷奥氏体转变动力学图(了解)
四、教学重点、难点及教学方法
教学重点：晶体结构、晶体学基本原理、点缺陷、位错、扩散规律、扩散机制、扩散热力学、二元相图、结晶热力学、共晶合金结晶、凝固技术、马氏体相变、贝氏体转变、过冷奥氏体转变动力学图。
教学难点：金属间化合物的晶体结构、晶体学基础知识、非晶态固体结构及准晶体、位错的应力场、实际晶体的位错、扩散机制、扩散的热力学分析、三元相图、马氏体相变、结晶热力学。
教学方法：采用形象、直观的多媒体技术教学，加大信息量；在课堂上采用把以传授知识为主的演绎式讲授方法改之为以培养素质、鼓励创新为主的归纳式、启发式和研讨式等方法，激发学生主动学习的积极性，强调并提高学生自主学习能力。结合实验巩固课堂讲授内容，培养实践技能和图谱分析能力。
四、考试考核办法：
考查，笔试，闭卷，考试时间：120分钟。总成绩的分值分配比例为：平时成绩：16％，期末考试成绩：64％，实验成绩：20%。
五、教材及参考书：
(一)教材：
材料科学基础.徐恒钧主编.北京工业大学出版社.
(二)参考书：
材料科学基础.石德珂主编.机械工业出版社
材料科学基础.胡庚祥等主编.上海交通大学出版社
材料科学基础. 余永宁主编.高等教育出版社
修（制）订人： 审核人：
20xx年3月30 日
第二篇：材料科学基础 第七章
第七章 力学性质
一、学习目的
对于工程师来说，了解不同的材料力学性质如何被测量以及这些性质所代表的内容，是他们的职责所在。他们可能会被要求应用预先规定的材料进行结构或者组分设计，从而使得这些材料不会发生可承受之外的变形或者断裂。
二、本章的主要内容
1．定义工程应力与工程应变。
2．陈述Hooke定律，并且指出保证定律有效所遵循的条件。
3．定义泊松比。
4．已知工程应力－应变曲线图，确定（a）弹性模量；(b)屈服强度（残余应变0.002时）；（c）拉伸强度；（d）估算延伸百分比。
5．对于一个延性柱体样品的拉伸形变，描述样品直至断裂的剖面的变化过程。
6．对于一个承受张力并直至断裂的材料，根据其延展百分比与面积还原率来计算材料的延展度。
7．根据三点负荷法，计算陶瓷棒弯曲至断裂的弯曲强度。
8．描绘出聚合物材料中所观察到的三种典型应力－应变特性的示意图。
9．给出两种最常见的硬度测量技术，并指出二者的不同。
10．(a)指出并简要描述两种不同的显微硬度测量技术；（b）列举这些技术一般被应用的情况。
11．计算延展性材料的工作应力。
三、重要术语和概念
Anelasticity: 滞弹性
In most engineering materials, elastic deformation will continue after the stress application, and upon load release some finite time is required for complete recovery. This time-dependent elastic behavior is known as anelasticity.
应力施加后，大多数工程材料弹性形变都会持续，并且撤去加载，样品的完全回复也需要一定的时间。这种与时间相关的弹性行为称为滞弹性。
Design stress: 设计应力
For static situations and when ductile materials are used, design stress, σd, is taken as the calculated stress level σc (on the basis of the estimated maximum load) multiplied by a design factor, N', that is σd= N'σc, where N' is greater than unity.
对于静态条件以及延展性材料的情况下，设计应力σd是计算的应力σc（即估算的最大载荷）乘以一个设计因子N'，即σd= N'σc，其中N'大于1。
Ductility: 延伸度
Ductility is a measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture.
延伸度是指材料在断裂时发生的塑性形变程度的量度。
Elastic deformation:弹性形变
Deformation in which stress and strain are proportional is called elastic deformation. Elastic deformation is nonpermanent, which means that when the applied load is released, the piece returns to its original shape.
应力与应变成正比关系的形变称为弹性形变。弹性形变是非永久性的，即撤去加载后，样品可恢复初始的形状。
Elastic recovery：弹性回复
Elastic recovery means that when the applied load is released, the piece returns to its original shape.
弹性回复是指当样品所受应力撤销后，其完全回复到初始形状的现象。
Elastomer:弹性体
Elastomer is a class of polymers whose deformation displayed by strain-stress curve is totally elastic, i.e., large recoverable strains produced at low stress levels.
弹性体是聚合物的一个种类，它的应力－应变曲线表明其变形是完全弹性的，即很低的应力变化就会产生很大的可回复应变。
Engineering strain:工程应变
Engineering strain ε is defined according to ε = (li-l0)/l0 = Δl/l0, in which l0 is the original length before any load is applied, and li is the instantaneous length. Sometimes the quantity li-l0 is denoted as Δl, and is the deformation elongation or change in length at some instant, as referenced to the original length. Engineering strain is unitless.
工程应变ε由方程ε = (li-l0)/l0 = Δl/l0定义，这里l0是样品加载前的初始长度，li是加载瞬间的长度，有时li-l0也用Δl来表示，即代表与初始长度相比较，某一时刻样品形变的延长率或长度的变化。工程应变是没有单位的。
Engineering stress: 工程应力
Engineering stress σ is defined by the relationship σ = F/A0, in which F is the instantaneous load applied perpendicular to the specimen cross section, in units of newtons (N), and A0 is the original cross-sectional area before any load is applied (m2). The units of engineering stress are megapascals, MPa.
工程应力σ的定义为σ = F/A0，这里F是加载在垂直样品横截面的瞬间载荷，单位为牛顿，A0是加载前样品的初始横截面积（单位m2），工程应力单位为MPa。
Flexural strength: 抗弯强度
For the brittle ceramic materials, flexural strengths are determined by the stress at fracture in transverse bending tests.
对脆性陶瓷材料来说，抗弯强度即为横向弯曲试验中样品断裂时的应力。
Hardness:硬度
Hardness is a measure of the resistance to localize plastic deformation.
硬度是材料抵抗局部塑性形变的量度。
Modulus of elasticity: 弹性模量
For most metals that are stressed in tension and at relatively low levels, stress and strain are proportional to each other through the relationship σ = Eε. This is known as Hooke’s law, and the constant of proportionality E (GPa) is the modulus of elasticity, or Young’s modulus.
大多数金属在较低的拉力作用下，应力和应变成正比关系，可表达为σ = Eε，这就是胡克定理，比例常数E（GPa）就是弹性模量，或杨氏模量。
Plastic deformation:塑性形变
As the material is deformed beyond the strain that elastic deformation persists, the stress is no longer proportional to strain, and permanent, nonrecoverable, or plastic deformation occurs.
当材料的形变超出弹性形变发生的范围，其应力将不再与应变成正比，永久的、不可回复的形变发生，即为塑性形变。
Poisson’s ratio: 泊松比
Poisson’s ratio represents the negative ratio of transverse and longitudinal strains.
泊松比的定义为样品横向应变与轴向应变的相反数。
Proportional limit:比例极限
For metals that experience the gradual elastic-plastic transition, the point of yielding is determined as the initial departure from linearity of the stress-strain curve and this is sometimes called the proportional limit.
对于金属逐步的弹塑性形变转变，其屈服点确定为应力－应变曲线非线性关系的开始，这个点也被称为比例极限。
Resilience:弹性
Resilience is the capacity of a material to absorb energy during elastic deformation.
弹性是指材料在弹性形变中吸收能量的能力。
Safe stress:安全应力
Safe stress is based on the yielding strength of the material and is defined as the yield strength divided by a factor of safety, N, or σw=σy/N.
安全应力是基于材料的屈服强度，它定义为屈服强度除以一个安全因子N，或σw=σy/N。
Tensile strength: 抗拉强度
Tensile strength corresponds to the maximum tensile stress that may be sustained by a specimen.
抗拉强度是指样品可能承受的最大拉伸应力。
Toughness: 韧性
Toughness is a measure of the ability of a material to absorb energy up to fracture.
韧性是指材料在断裂前所能吸收能量的量度．
True strain: 真应变
True stain εT is defined by εT=ln(li/l0), in which l0 is the original length before any load is applied, and li is the instantaneous length.
真应变εT的定义为εT=ln(li/l0)，其中l0是样品加载前的初始长度，li是瞬间长度。
True stress:真应力
True stress σT is defined as the load F divided by the instantaneous cross-sectional area Ai over which deformation is occurring, or σT = F/Ai.
真应力σT定义为形变发生时，载荷F与瞬间横截面积Ai的比值，或者σT = F/Ai。
Yielding:屈服
For metals, the phenomenon of yielding occurs at the onset of plastic or permanent deformation.
金属的屈服是指塑性或者永久形变开始发生的现象。
Yield strength: 屈服强度
Yielding strength is indicative of the stress at which plastic deformation begins.
屈服强度是指塑性形变开始发生时的应力。
四、主要例题、习题的分析
例7.1 一个铜板最初长度为305 nm，受到276 MPa的应力的拉伸，假如发生的形变是完全弹性的，则伸长量最终为多少？
解：
因为形变是弹性的，根据公式7.5，应变与应力有关，更进一步说，通过公式7.2ε=(li-l0)/l0=Δl/l0，伸长值Δl与初始长度l0有关。结合这两个表达式，可以解得Δl有：
σ和l0的值分别为276MPa和305mm，由表7.1可知铜的杨氏模量E为110GPa，将以上值代入表达式可得到伸长值为
例7.2 在一个直径为10mm的圆柱型黄铜棒的长轴方向施加一个拉应力，假设所产生的形变为完全弹性，那么使得直径产生2.5×10-3mm的改变所需要的载荷为多少。
解：
当作用力F被施加到样品上时，样品在Z方向将被拉长，同时直径在x方向上将减少Δd=2.5×10-3mm。
在x方向的应变为：
这个值为负，因为直径是减小的。
随后应用公式7.8计算Z方向的应变。黄铜的泊松比为0.34，因此
应用公式7.5和弹性模量可以计算施加的应力，弹性模量如表7.1为97 GPa，则：
最后，由公式7.1可以确定所施加的力为：
例7.3 由图7.12所给出的黄铜样品的拉伸应力－应变行为，确定：
(a)弹性模量；
(b)残余应变为0.002时的屈服强度；
(c)初始直径为12.8mm的圆柱型样品所能承受的最大载荷；
(d)若样品的初始长度为250mm，则承载拉伸应力345GPa时其长度的变化。
解：
(a)弹性模量是指应力－应变曲线的弹性或初始线性部分的斜率。为了便于计算，图7.12插图中的应变轴被拉伸。此线性部分的斜率是其宽度除以其高度，或者是其应力的变化除以相应的应变的变化，其数学表达式为：
因为线性部分通过原点，则σ1和ε1为零。如果我们选取σ2为150MPa，那么ε2的值为0.0016。
因此：
此值很接近表7.1中所给的黄铜的弹性模量值
。
(b)0.002残余应变线已经由插图给出，它与应力－应变曲线的交点大约为250MPa,即为黄铜的屈服强度。
(c)样品所能承受的最大负载可由公式7.1计算得到,方程中σ是拉伸强度，由图7.12可知,其值为450MPa。解关于最大负载F的方程：
(d)为了计算公式7.2中的长度变化
，我们首先要确定由345MPa应力所产生的应变数值。在应力－应变曲线上定位应力点A，从应变轴上读取相应的应变值，由图可知其值接近0.06。因此，当l0=250mm,我们可以得到：
例7.4 圆柱形铁样品初始直径为12.8mm，拉伸测试直至断裂，得到其工程断裂强度
是460MPa，如果断裂时其横截面的直径为10.7mm，计算：
(a)根据面积缩减率确定其延展度；
(b)断裂时的真实应力。
解：
(a)延展度可由公式7.12计算：
(b)真实应力可由方程7.15计算得到，本题中选取的面积为断裂面积Af，然而首先，我们要由断裂强度计算断裂时的载荷：
因此，真实应力为：
例7.5. 利用方程7.19计算合金应变-硬化指数n，其中真实应力为415MPa，所产生真实应变为0.10，假定Ｋ值为1035MPa.
解：
这需要对方程7.19进行代数变换，使n变为关联参数，采用对数变换并重新调整，得n值为：
五、背景资料
以人名命名的组织大体如此，其他的组织命名则各有不同。铁素体Ferrite，命名自拉丁文的铁（Ferrum）；珠光体Pearlite，得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽；渗碳体Cementite则因发现者称其为水泥（法语Ciment）以描述它在凝固过程中粘结先析出的晶胞的作用而得名。
参考书目
1. 钱临照：晶体缺陷研究的历史回顾，《物理》,第9卷，第4期,1980。