材料科學基礎(西北工業大學建設的慕課)

材料科學基礎是西北工業大學建設的慕課、國家精品課程、國家級精品資源共享課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程，分（上）（下）兩部分分別於2014年10月10日與2015年3月23日在中國大學MOOC首次開課，授課教師為王永欣等。據2022年11月中國大學MOOC官網顯示，該課程（上）已開課17次，（下）已開課16次。

該課程以金屬材料、陶瓷材料、高分子材料及複合材料為對象，從材料的電子、原子尺度入手，介紹了熱力學、動力學理論及納觀、微觀尺度組織、細觀尺度斷裂機制及巨觀性能。主要內容包括：材料結構及缺陷，固態材料中原子的遷移，材料的變形與強韌化，凝固與相變理論等。

基本介紹

• 中文名：材料科學基礎
• 外文名：Fundamentals of Materials Science
• 類別：慕課、國家精品課程、國家級精品資源共享課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程
• 建設院校：西北工業大學
• 授課平台：中國大學MOOC
• 首開時間：2014年10月10日（上）、2015年3月23日（下）
• 授課教師：王永欣等

課程建設

2005年2月7日，材料科學基礎課程被中華人民共和國教育部評定為2004年度國家精品課程；

2013年12月20日，材料科學基礎課程入選中華人民共和國教育部高等教育司第三批國家級精品資源共享課立項項目；

2014年10月10日，材料科學基礎（上）課程上線中國大學MOOC平台；

2015年3月23日，材料科學基礎（下）課程上線中國大學MOOC平台；

2016年6月28日，材料科學基礎課程被中華人民共和國教育部辦公廳確定為第一批“國家級精品資源共享課”；

2017年12月26日，材料科學基礎課程被中華人民共和國教育部辦公廳認定為2017年國家精品線上開放課程（本科教育課程）；

2020年11月24日，材料科學基礎課程被中華人民共和國教育部認定為首批國家級一流本科課程（線上一流課程）。

課程性質

課程背景

材料是人類生存和文明的物質基礎與先導，是直接推動社會發展的動力。材料的發展及其套用是人類社會文明和進步的重要里程碑。沒有材料科學的發展，就不會有人類社會的進步和經濟的繁榮。

西北工業大學在材料類學科擁有“材料學”“材料加工工程”和“材料物理化學”三個國家重點學科，設立“材料科學與工程”和“材料成型及控制工程”兩個陝西省名牌專業和“複合材料與工程”一個國防特色專業，“材料科學基礎”課程是這三個專業本科生最主要的專業（技術）基礎課之一。

課程定位

該課程是材料類專業最主要的技術基礎課之一，探討工程材料的結構及其轉變、強韌化機理等的科學原理，主要目的是介紹材料的成分、微觀結構、製備工藝及性能之間的關係，為材料性能測試和材料加工奠定基礎，為進一步學習材料科學與工程的專門知識奠定基礎。

對高等學校材料類專業的學生來說，“材料科學基礎”課程是一門重要的技術基礎課程。它是學生在學完基礎課程（包括高等數學、大學物理、普通化學、物理化學、理論力學、材料力學等）後，進入專業課程（如材料的力學性能、材料的物理性能、鋼的熱處理原理及工藝、鍛造原理及工藝加工、鑄造原理及工藝、焊接原理及工藝等）學習前必須學習的一門課程。因為基礎課與工程實際有較大的距離，而專業課程則結合工程實際。這兩者之間在思維方式上有較大的差別，因此需要有一個過渡，同時也需要在知識上作進一步的準備。學生通過“材料科學基礎”課程，除了學習材料基礎的、共性的具體知識外，更重要的是學會如何分析、解決實際問題，建立基本的工程思維方式，這對於培養一個合格的工程師或研究人員是重要的。

課程簡介

該課程分兩部分授課。

第一部分是整個課程的基礎，主要講授材料的基本結構，包括原子結構及鍵合、晶體結構、晶體缺陷、固體材料的相結構，最後簡單介紹固體材料中原子的運動，即擴散。

第二部分講授兩個主要的套用理論。首先分析材料的變形機理，並由此總結材料強韌化機理；隨後從純金屬凝固入手介紹凝固的基本理論，接下來討論二元合金的凝固理論，最後將凝固（液-固相變）和固態相變（固-固相變）綜合起來，介紹相變基礎理論。

課程大綱

材料科學基礎（上）
課前準備 歡迎選修 MOOC課程學習簡明指南 緒論 緒論 第一章 原子結構及鍵合 第一講 原子結構 第二講 鍵合種類 第三講 鍵合的多重性 第一章 原子結構及鍵合 作業 第一章 原子結構及鍵合 測驗 第二章 晶體的結構（一）：晶體結構與空間點陣 第一講 晶體結構與空間點陣 第二講 晶系與布拉菲點陣 第三講 晶體結構與點陣的關係 第二章 晶體的結構（一）：作業 第二章 晶體的結構（一）：測驗 第二章 晶體的結構（二）：晶向與晶面指數 第四講 晶向指數 第五講 晶面指數 第六講 晶向族與晶面族 第七講 六方晶系的晶向、晶面指數 第二章 晶體的結構（二）：測驗 第二章 晶體的結構（二）：作業 第二章 晶體的結構（三）：典型的晶體結構 第八講 金屬的典型晶體結構 第九講 典型晶體結構中的間隙 第十講 晶體中原子的堆垛 第十一講 陶瓷晶體結構 第二章 晶體的結構（三）：測驗 第二章 晶體的結構（三）：作業 第三章 晶體缺陷（一）：點缺陷 第一講 點缺陷 第三章 晶體缺陷（一）：作業 第三章 晶體缺陷（一）：測驗 第三章 晶體缺陷（二）：位錯的類型與柏氏矢量 第二講 位錯的發現 第三講 位錯的類型 第四講 位錯的柏氏矢量 第五講 位錯的正負與密度 第三章 晶體缺陷（二）：作業 第三章 晶體缺陷（二）：測驗 第三章 晶體缺陷（三）：位錯的運動 第六講 刃位錯的滑移 第七講 螺位錯的滑移 第八講 混合位錯的滑移 第九講 位錯滑移的對比 第十講 位錯的攀移與交滑移 第三章 晶體缺陷（三）：測驗 第三章 晶體缺陷（三）：作業	第三章 晶體缺陷（四）：位錯的應力場與應變能 第十一講 位錯應力場的假設 第十二講 刃位錯的應力場 第十三講 螺位錯的應力場 第十四講 位錯的應變能 第三章 晶體缺陷（四）：作業 第三章 晶體缺陷（四）：測驗 第三章 晶體缺陷（五）：作用在位錯線上的力與位錯線張力 第十五講 作用在位錯線上的力 第十六講 位錯線張力 第三章 晶體缺陷（五）：作業 第三章 晶體缺陷（五）：測驗 第三章 晶體缺陷（六）：位錯的互動作用 第十七講 平行位錯互動作用 第十八講 垂直位錯互動作用 第十九講 位錯塞積 第三章 晶體缺陷（六）：作業 第三章 晶體缺陷（六）：測驗 第三章 晶體缺陷（七）：位錯增殖 第二十講 位錯增殖 第三章 晶體缺陷（七）：測驗 第三章 晶體缺陷（七）：作業 第三章 晶體缺陷（八）：實際晶體中的位錯 第二十一講 實際晶體中的位錯 第二十二講 位錯反應 第二十三講 擴展位錯與面角位錯 第三章 晶體缺陷（八）：測驗 第三章 晶體缺陷（八）：作業 第三章 晶體缺陷（九）：面缺陷 第二十四講 小角晶界與大角晶界 第二十五講 孿晶界與相界 第二十六講 晶界能與晶界特點 第三章 晶體缺陷（九）：測驗 第三章 晶體缺陷（九）：作業 第四章 固體中的相 第一講 固溶體 第二講 金屬間化合物 第三講 陶瓷晶體相 第四講 玻璃相 第四章 固體中的相：作業 第四章 固體中的相：測驗 第五章 固體中的擴散 第一講 擴散定律及其套用 第二講 擴散的微觀機理 第三講 擴散的熱力學理論 第四講 反應擴散 第五講 影響擴散的因素 第五章 固體中的擴散：作業 第五章 固體中的擴散：測驗
材料科學基礎（下）
課前準備 歡迎選修 MOOC課程學習簡明指南 前言 前言 第六章 塑性變形（一）：巨觀規律 引言 第一講 應力應變曲線 第六章 塑性變形（一）：巨觀規律 —— 作業 第六章 塑性變形（一）：巨觀規律 —— 測驗 第六章 塑性變形（二）：單晶體塑性變形 第二講 單晶體塑性變形－滑移變形 第三講 單晶體塑性變形－孿生變形 第六章 塑性變形（二）：單晶體塑性變形 —— 作業 第六章 塑性變形（二）：單晶體塑性變形 —— 測驗 第六章 塑性變形（三）：多晶體塑性變形 第四講 多晶體塑性變形 第六章 塑性變形（三）：多晶體塑性變形 —— 作業 第六章 塑性變形（三）：多晶體塑性變形 —— 測驗 第六章 塑性變形（四）：合金塑性變形 第五講 固溶體的塑性變形 第六講 聚合型兩相合金的塑性變形 第七講 彌散型兩相合金的塑性變形 第六章 塑性變形（四）：合金塑性變形 —— 作業 第六章 塑性變形（四）：合金塑性變形 —— 測驗 第六章 塑性變形（五）：塑性變形引起的變化 第八講 塑性變形後的組織變化 第九講 塑性變形後的能量變化 第十講 塑性變形後的力學性能變化 第十一講 塑性變形後的物理、化學性能變化 第六章 塑性變形（五）：塑性變形引起的變化 —— 測驗 第六章塑性變形（五）：塑性變形引起的變化 —— 作業 第七章 回復與再結晶（一）：回復 引言 第一講 回復的微觀機制 第二講 回復的熱力學與動力學 第三講 影響回復的因素 第四講 回復後的組織與性能 第七章 回復與再結晶（一）：回復 —— 作業 第七章 回復與再結晶（一）：回復 —— 測驗 第七章 回復與再結晶（二）：再結晶 第五講 再結晶的微觀機制 第六講 再結晶的熱力學與動力學 第七講 再結晶溫度及影響因素 第八講 再結晶組織的控制因素 第七章 回復與再結晶（二）：再結晶 —— 作業 第七章 回復與再結晶（二）：再結晶 —— 測驗 第七章 回復與再結晶（三）：晶粒長大 第九講 晶粒的正常長大 第十講 晶粒的異常長大 第十一講 再結晶後的組織 第七章 回復與再結晶（三）：晶粒長大 —— 作業 第七章 回復與再結晶（三）：晶粒長大 —— 測驗 第七章 回復與再結晶（四）：熱變形 第十二講 金屬材料的熱變形 第七章 回復與再結晶（四）：熱變形 —— 作業 第七章 回復與再結晶（四）：熱變形 —— 測驗 第八章 凝固與結晶（一）：液體結構與凝固巨觀規律 第一講 液體的結構 第二講 凝固的巨觀現象 第三講 凝固的條件 第八章 凝固與結晶（一）：液體結構與凝固巨觀規律 —— 測驗 第八章 凝固與結晶（一）：液體結構與凝固巨觀規律 —— 作業	第八章 凝固與結晶（二）：均勻形核 第四講 均勻形核的能量變化 第五講 均勻形核分析 第六講 均勻形核的形核率 第八章 凝固與結晶（二）：均勻形核 —— 測驗 第八章 凝固與結晶（二）：均勻形核 —— 作業 第八章 凝固與結晶（三）：非均勻形核 第七講 非均勻形核的能量變化 第八講 非均勻形核分析 第九講 非均勻形核的形核率 第八章 凝固與結晶（三）：非均勻形核 —— 測驗 第八章 凝固與結晶（三）：非均勻形核 —— 作業 第八章 凝固與結晶（四）：晶核的長大 第十講 晶核長大機制 第十一講 晶核長大的形態 第八章 凝固與結晶（四）：晶核的長大 —— 測驗 第八章 凝固與結晶（四）：晶核的長大 —— 作業 第八章 凝固與結晶（五）：凝固理論的套用 第十二講 凝固理論的套用 第八章 凝固與結晶（五）：凝固理論的套用 —— 作業 第八章 凝固與結晶（五）：凝固理論的套用 —— 測驗 第九章 二元合金相圖（一）：相平衡與相圖 第一講 相平衡與相圖測定 第九章 二元合金相圖（一）：相平衡與相圖 —— 測驗 第九章 二元合金相圖（一）：相平衡與相圖 —— 作業 第九章 二元合金相圖（二）：勻晶相圖 第二講 勻晶相圖與平衡凝固 第三講 平衡結晶的成分變化 第四講 槓桿定律 第五講 非平衡凝固與微觀偏析 第六講 巨觀偏析 第七講 成分過冷 第九章 二元合金相圖（二）：勻晶相圖——測驗 第九章 二元合金相圖（二）：勻晶相圖——作業 第九章 二元合金相圖（三）：共晶相圖 第八講 共晶相圖分析 第九講 典型共晶合金平衡凝固 第十講 共晶組織形成機理與共晶形態 第十一講 非平衡共晶 第九章 二元合金相圖（三）：共晶相圖——作業 第九章 二元合金相圖（三）：共晶相圖——測驗 第九章 二元合金相圖（四）：包晶相圖 第十二講 包晶相圖分析 第十三講 典型包晶合金凝固 第九章 二元合金相圖（四）：包晶相圖——測驗 第九章 二元合金相圖（四）：包晶相圖——作業 第九章 二元合金相圖（五）：其他類型二元合金相圖 第十四講 其他類型二元合金相圖 第九章 二元合金相圖（五）：其他類型二元合金相圖——測驗 第九章 二元合金相圖（五）：其他類型二元合金相圖——作業 第九章 二元合金相圖（六）：鐵碳合金相圖 第十五講 鐵碳合金相圖分析 第十六講 鐵碳合金平衡凝固 第九章 二元合金相圖（六）：鐵碳合金相圖——作業 第九章 二元合金相圖（六）：鐵碳合金相圖——測驗 第十章 相變理論概要 第一講 相及其穩定性 第二講 相變 第三講 相變與固態相變的特點 第四講 按相變熱力學分類 第五講 按相變動力學分類 第六講 按相變結構學分類 第七講 近代相變理論 第十章 相變理論概要——作業 第十章 相變理論概要——測驗

（註：課程大綱排版從左到右列）

開課信息

材料科學基礎（上）

開課次數	開課時間	授課教師	參與人數
第1次開課	2014年10月10日~2015年1月30日	王永欣、盧艷麗	8628
第2次開課	2015年3月23日~2015年7月31日		4947
第3次開課	2015年8月31日~2015年11月26日		5166
第4次開課	2016年3月28日~2016年6月17日	王永欣、盧艷麗、張靜	5306
第5次開課	2016年9月1日~2016年11月13日	王永欣、盧艷麗	5054
第6次開課	2017年2月20日~2017年4月30日		4157
第7次開課	2017年9月4日~2017年11月5日	王永欣、盧艷麗、張靜	8448
第8次開課	2018年2月24日~2018年4月30日	王永欣	3806
第9次開課	2018年8月31日~2018年11月4日		9810
第10次開課	2019年2月25日~2019年4月30日		5380
第11次開課	2019年8月30日~2019年12月4日		7669
第12次開課	2020年2月22日~2020年4月27日		10368
第13次開課	2020年8月30日~2020年11月2日		3963
第14次開課	2021年2月27日~2021年5月2日		3546
第15次開課	2021年8月27日~2021年11月1日		6746
第16次開課	2022年2月28日~2022年4月25日		3348
第17次開課	2022年8月27日~2022年10月31日		6196
第1~17次開課學時安排均為4小時每周

材料科學基礎（下）

開課次數	開課時間	授課教師	參與人數
第1次開課	2015年3月23日~2015年7月31日	王永欣、盧艷麗	4936
第2次開課	2015年8月31日~2015年11月23日		3585
第3次開課	2016年3月28日~2016年6月20日	王永欣、盧艷麗、張靜	3442
第4次開課	2016年9月1日~2016年11月27日	王永欣、盧艷麗	3363
第5次開課	2017年2月20日~2017年5月14日		2986
第6次開課	2017年9月4日~2017年11月19日	王永欣、盧艷麗、張靜	5433
第7次開課	2018年2月24日~2018年5月14日	王永欣、盧艷麗	2604
第8次開課	2018年8月31日~2018年11月18日	王永欣	6918
第9次開課	2019年2月25日~2019年5月19日		2835
第10次開課	2019年8月30日~2019年11月18日		5158
第11次開課	2020年2月22日~2020年5月11日		6649
第12次開課	2020年8月30日~2020年11月16日		2749
第13次開課	2021年2月27日~2021年5月17日		2109
第14次開課	2021年8月27日~2021年11月15日		4543
第15次開課	2022年2月28日~2022年5月9日		2053
第16次開課	2022年8月27日~2022年11月14日		3112
第1~16次開課學時安排均為4小時每周

課程特色

該課程內容依據以下原則進行設計：

在課程內容的選擇和各部分比重的確定方面，強調基本理論、基本概念和基本技能的教授，注重基本工程思維方式的培養；

以教學基本要求為出發點，在教學過程的各環節上將科研工作中的成果、對學科發展的了解和認識，將高性能材料研究方面的成果通過適當的形式融合到授課內容中去以增大教學內容的信息量，增強教學內容的新穎性和時代性，以提高教學效果，處理好基礎性和先進性、經典與現代的關係。

學習預備

預備知識

先修課程：高等數學，物理化學，理論力學，材料力學

預備知識：高等數學，物理化學，理論力學，材料力學

學習資料

書名	作者	出版社	出版時間
《材料科學基礎（第五版）》	劉智恩	西北工業大學出版社	2018.9
《材料科學基礎（第四版）》	劉智恩	西北工業大學出版社	2013.9
《材料科學基礎（第三版）》	胡賡祥	上海交通大學出版社	2010.5
《材料科學基礎（第二版）》	石德珂	機械工業出版社	2008.9
《材料科學基礎》	趙品	哈爾濱工業大學出版社	1999.8
Foundations of Materials Science and Engineering, 4th edition	Willinam F. Smith	機械工業出版社	2006.6
Esaentials of Materials Science and Engineering	Donald R. Askeland	清華大學出版社	2005.1
Foundations of Materials Science and Engineering, 5th edition	Willinam D. Callister	化學工業出版社	2004.1

（註：表格內容參考資料）

教師簡介

王永欣，工學博士，西北工業大學材料學院副院長、教授，採用計算模擬方法，研究先進金屬結構材料的微觀組織與性能、固態相變機理等。

盧艷麗，工學博士，西北工業大學材料學院教授、博士生導師，主要從事先進材料微觀結構、性能、成分、轉變機理的多尺度研究。

張靜，博士，西北工業大學材料學院副教授，科學研究：電化學催化、超級電容器、金屬結構材料的第一性原理、分子動力學、相場計算。