《材料的结构》教学大纲

《材料的结构》课程教学大纲

课程名称：Structure of Materials 课程编号：012005

总学时数：48学时 讲课学时：40学时 实验学时：8学时 学分：3学分

先修课程： 《高等数学》、《大学物理》、《材料科学基础》。 教材：《材料的结构》（冶金工业出版社、余永宁 毛卫民 编著）。

参考书目：周公度，《晶体结构的周期性和对称性》，高等教育出版社，1992年；

弗里埃德尔，《位错》，科学出版社，1984年；

B.Henderson，《晶体缺陷》，高等教育出版社,1983年。

《课程内容简介》：系统地阐述了晶体材料的完整性结构及非完整性结构。在晶体的完整性方面，介绍了晶体的各种对称性和常见晶体结构，包含了先进金属材料结构分析的内容，介绍和分析了金属间化合物材料以及一些新材料的结构，论述了晶体取向分析、定量计算以及理论模拟的方法等。在晶体的非完整性方面，介绍了晶体的点、线和面缺陷的结构，除了介绍其一般性结构理论外，对一些典型结构中的结构缺陷作了适当的讨论。

一、课程性质、目的和要求

本课程是“材料成型及控制工程”专业的主要专业课。

本课程的学习目的是使学生掌握晶体学的基础知识，学习晶体结构的基本对称性，理解点群和空间群的分类及应用，了解分析晶体结构的常用方法和过程，以及测定晶体取向和多晶体织构的方法。通过学习晶体缺陷的基本知识，掌握点缺陷、线缺陷和面缺陷的基础理论，培养学生分析问题的能力，为学习后续专业课程打下厚实的理论基础知识。

本课程的要求：通过本课程的学习，要求学生掌握晶体材料微观结构的基础理论，熟悉完整晶体结构的基本规律，在此基础上进一步掌握晶体缺陷的基本理论。为以后承担和开展材料科学与工程研究工作奠定理论基础。

二、教学内容、要点和课时安排

《材料的结构》授课课时分配表

章节 第1章 讲课 2 习题课 讨论课 实验 其他 合计 2 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 第10章 第11章 第12章 第13章 第14章 第15章 第16章 3 4 3 3 2 1 3 2 2 3 自学 2 2 4 4 2 2 2 2 3 4 3 3 2 1 3 2 2 3 2 2 4 4 本课程的教学内容共分十六章。

第1章：晶体与晶体学

主要内容：简述晶体学的发展历史，介绍晶体、非晶体、液晶、准晶等不同物质。简述晶体的基本点对称性和平移对称性。论证晶体基本对称性的常规表达方式，介绍7种晶系和14种布拉菲点阵。

重点、难点：掌握晶体的概念，重点掌握晶系和布拉菲点阵的分类。 第2章：晶体学点群

主要内容：引入点群的概念，举例推导32种点群。

重点、难点：掌握点群的概念，重点理解为什么有32种点群。 第3章：空间群

主要内容：介绍空间群的概念，举例推导空间群。引入表达空间对称性的一般等效位置的观念，介绍空间对称性的图形表达方式。举例介绍不同晶系空间群的主要特征。

重点、难点：掌握空间群的概念，重点掌握各晶系空间群特征。 第4章：无机晶体结构分析

主要内容：介绍常见无机晶体的晶体结构及其表达符号，介绍晶体结构检测分析的基本原理，包括X射线衍射及其消光规律。举例简述分析简单未知晶体结构的过程。

重点、难点：掌握常规分析晶体结构的原理和方法，熟悉求解未知晶体结构的一般

过程。

第5章：晶体取向与多晶体织构

主要内容：引入晶体取向的概念，介绍晶体取向的表达方式。描述晶体学织构的概念，介绍织构分析的观念。

重点、难点：掌握晶体取向和多晶体织构的概念，了解织构的表达与分析。 第6章：晶体中的点缺陷

主要内容：介绍晶体中的点缺陷---空位、自间隙原子和杂质原子，讨论点缺陷的平衡浓度，简单介绍空位浓度测量方法。介绍晶体经辐照后产生的过饱和浓度点缺陷，讨论它们的聚集自组织以及在不同温度下的消散和恢复。

重点、难点：掌握晶体中点缺陷的主要形式，推导点缺陷的热力学平衡浓度。 第7章：位错的定义及柏氏矢量

主要内容是：解释晶体中为什么存在位错，介绍位错的典型形态，重点介绍位错的特征量---柏氏矢量以及求柏氏矢量的方法，说明柏氏矢量的守恒性。

重点、难点：理解晶体中为什么存在位错，掌握位错的基本分类和柏氏矢量。 第8章：位错的弹性性质

主要内容是：本章以在各向同性介质中的直位错线为基础介绍位错的弹性性质，包括位错的应力场以及导出应力场的方法、位错的能量以及求出位错能量的方法。位错的弹性性质是重要的性质，它是位错与位错交互作用以及与其他缺陷交互作用的基础。本章讨论位错的受力---即位错对内、外应力场的响应，这些力例如是外加应力场使位错受力、自身应力场引起的线张力、界面引起的映像力、位错间的交互作用力等。

重点、难点：重点讲解位错周围的弹性应力场和能量，理解位错与位错之间的交互作用。

第9章：点缺陷与位错间的交互作用

主要内容：点缺陷与位错间的交互作用有弹性的、化学的和电的交互作用。本章详细地介绍了溶质原子与位错的一级弹性交互作用，从讨论交互作用能出发，继而讨论交互作用力，此外本章还介绍了扩展位错与溶质原子的化学交互作用。

重点、难点：溶质原子与位错的交互作用。 第10章：位错的点阵模型

主要内容：本章介绍位错受一种与弹性应力源无关的力，这个力就是位错移动时所受到的周期性的晶格阻力。这个问题以经典的皮尔斯-纳巴罗（P-N）模型来解决。简要介绍P-N模型的建立以及由这个模型引出的位错宽度的概念，并导出位错的应力场（P-N应力场）和能量。提出位错移动要克服一个势垒（P-N势垒）以及相应的力（P-N力）。

重点、难点：理解位错移动时需要克服的周期性阻力。 第11章：位错运动

主要内容：位错的基本运动形式是滑移和攀移，位错运动会引起晶体的永久变形，本章在开始时介绍位错运动与塑性变形的关系。位错运动会和晶体存在的其他位错相交截，本章介绍了这些这种交截产生的结果。介绍了溶质原子气团对位错滑移的拖拽作用，讨论了位错攀移的机制。最后讨论了割阶对滑移的影响，说明其控制因素是割阶的攀移。

重点、难点：重点介绍位错的滑移和攀移，理解带割阶位错的滑移和攀移。 第12章：高速运动位错

主要内容：高速运动的位错的性质与静态或低速运动的位错的性质有很大的不同。本章以匀速运动的直螺旋型位错为例介绍了获得高速运动位错应力场的方法，得出的结果表明:位错在高速运动时，位错的应力场在运动方向减小，在垂直于运动方向增大。因为位错运动，所以位错的能量由弹性能和动能两部分组成。本章介绍了如何根据能量反过来导出位错的等效质量。本章最后简单介绍了不同速度运动位错可能遇到的阻尼。

重点、难点：位错应力场与运动速度的关系。 第13章：位错的产生和增殖

主要内容：本章介绍了在晶体形成和其后的全部热历史过程可能产生位错的途径。介绍了位错的增殖源：F-R双边和单边滑移源，空间源，双交滑移产生的F-R源，Bardeen-Herring攀移源以及晶界源等。

重点、难点：晶体内部位错增殖的机制。 第14章：位错的塞积

主要内容：本章讨论位错塞积的基础，位错塞积群对材料的力学性能有重要影响，用塞积群作为裂纹的位错模型。还介绍了怎样把这些应力场转化为裂纹前沿的应力场，讨论了塞积群产生的后应力以及后应力对原来的位错源的反作用。

重点、难点：位错运动受阻时产生的应力场。 第15章：特殊晶体结构中的位错

主要内容：从能量以及晶格能阻力考虑，位错的柏氏矢量通常是最短的平移矢量，位错的滑移面是最密排面。根据具体的晶体结构以及位错能量，在各种晶体结构中会出现不同的位错反应和位错组态，还可以出现比平移矢量还短的柏氏矢量。本章介绍了典型晶体结构的滑移系和独立滑移系，介绍位错反应的弗兰克判据。在讨论面心立方结构的位错时，介绍它的堆垛层错，肖克菜部分位措和扩展位错以及弗兰克部分位措，引入汤普逊符号。根据位错可能发生的反应，介绍压杆位错以及它伴随的阻塞。

重点、难点：典型晶体结构中常见的全位错和不全位错的形式。 第16章：晶态固体的表面和界面

主要内容：晶态固体的表面与界面是晶体的面缺陷，它的结构不同于晶体内部的结构，对材料的各种物理和化学过程和宏观性能都有重大的影响。本章先介绍了晶体的表面，晶体表面的原子因失去表面的近邻而产生悬挂键，使得表面会发生弛豫和重构，也

会发生表面吸附与分凝。此外本章讨论了小角度和大角度晶界,小角度晶界是由位错组成，讨论大角度晶界的方法原则上与小角度晶界的相同，但是所得的界面位错应看成是形式上满足几何学的要求而不是可以观察到的几何学的、数学的或晶体学的位错。异相界面的比较复杂，本章用O点阵讨论了一个简单的异相界面结构，还介绍一个比较成熟的fcc／bcc取向关系为{111}fcc／／{110}bcc界面。

重点、难点：晶体表面和多晶体材料的晶界模型。 三、教学方法

本课程是材料成型及控制工程专业的专业课，理论性很强，在教学方法上主要采用课堂讲授的形式，辅以课外作业和实验等教学形式。

四、成绩考核方式

考试采用闭卷的形式，试题内容包括基本概念、基本原理和分析计算，题型可采用简答、计算、论述题等方式。总评成绩：课外作业、实验等平时成绩占20%，期末考试占80%。

五、制定本大纲的有关说明

1．本教学大纲是材料成型及控制工程本科专业《材料的结构》课程的基本内容。这些内容是通过讲课、习题课、讨论课和实验等教学环节进行教学的。

2．本课程是一门理论性强，涉及知识面较广的课程。为了使学生便于理解讲课内容，在教学过程中要安排学生到学校分析测试中心做实验。学生在学完本课程后，能够运用所学的知识，分析和解决晶体材料中遇到的各种晶体学基本问题。

大纲执笔者：韩明 大纲审定者：

分管教学负责人签字： 编写时间：2005年6月30日