《金属材料》课程教学大纲课程概况S课程名称金属材料课程号1412095课程英文名称Metal Material学时/学分36/2课程性质选修适用专业材料化学专业课程负责人张旭东教学团队徐远丽、彭鹏选用教材及《金属学与热处理》崔忠圻等主编，哈尔滨工业大学出版社：《材料科学基础》胡廣祥、蔡苟等主编，上海交通大学出版；《材料科学基础》，潘金生等编，清华大学出版参考书目社：《金属材料学》吴承建陈国良强文江等编著，冶金工业出版社。课程简介：本课程是对材料学中与金属材料相关的基础理论和应用技术的较深入和全面地介绍。课程包括金属学和金属材料两大部分。其中金属学部分作为对《材料科学基础》（《材料科学与工程导论》教材）课程的补充内容，着重介绍有关位错理论、凝固理论、相变和相图（含三元相图）、材料热力学、热处理原理等内容。金属材料部分主要介绍金属材料合金化的一般规律及钢的合金化原理、分类和性能特点和应用等。课程目标（CourseObjectives,CO)掌握位错理论、金属凝固理论、相变和相图（含三元相图）、材料热力学、热处理原理等基础理论知识知识目标（CO1)掌握金属材料的合金化原理和材料性能特征及优化原理熟悉金属材料在工程应用中的基本知识具有材料设计和研究的基本理论素养能力目标（CO2)掌握材料性能和缺陷的分析研究方法了解金属材料的工程加工和应用学习专业知识的同时获得对金属材料重要性的认识以及对专业与职业的认识与认同素质、情感价值观目标（CO3)能在设计开发解决方案的过程中，运用材料科学基础理论、工程管理与经济决策方法PMI讲授法教学27学时团PM2研讨式学习3学时%%教学方式学时团PM3案例教学6学时%PM4翻转课堂ofo(PedagogicalMethods,PM)口PM5混合式教学学时%口PM6体验式学习学时%考核方式考25%团EM3课堂辩论25%团EMI课程作业口EM2单元测试%试(Evaluation
1 《金属材料》课程教学大纲 一、课程概况 课程名称 金属材料 课程号 1412095 课程英文名称 Metal Material 学时/学分 36/2 课程性质 选修 适用专业 材料化学专业 课程负责人 张旭东 教学团队 徐远丽、彭鹏 选用教材及 参考书目 《金属学与热处理》崔忠圻等主编，哈尔滨工业大学出版社；《材料科学基础》胡赓 祥、蔡荀等主编，上海交通大学出版；《材料科学基础》，潘金生等编，清华大学出版 社；《金属材料学》吴承建 陈国良 强文江等编著，冶金工业出版社。 课程简介：本课程是对材料学中与金属材料相关的基础理论和应用技术的较深入和全面地介绍。课程包 括金属学和金属材料两大部分。其中金属学部分作为对《材料科学基础》（《材料科学与工程导论》教 材）课程的补充内容，着重介绍有关位错理论、凝固理论、相变和相图（含三元相图）、材料热力学、 热处理原理等内容。金属材料部分主要介绍金属材料合金化的一般规律及钢的合金化原理、分类和性能 特点和应用等。 课程目标（Course Objectives, CO) 知识目标（CO1) 掌握位错理论、金属凝固理论、相变和相图（含三元相图）、材料 热力学、热处理原理等基础理论知识 掌握金属材料的合金化原理和材料性能特征及优化原理 熟悉金属材料在工程应用中的基本知识 能力目标（CO2) 具有材料设计和研究的基本理论素养 掌握材料性能和缺陷的分析研究方法 了解金属材料的工程加工和应用 素质、情感价值观目标（CO3) 学习专业知识的同时获得对金属材料重要性的认识以及对专业与职 业的认识与认同 能在设计开发解决方案的过程中，运用材料科学基础理论、工程管 理与经济决策方法 教学方式 （Pedagogical Methods,PM） PM1 讲授法教学 27 学时 % PM2 研讨式学习 3 学时 % PM3 案例教学 6 学时 % □PM4 翻转课堂 学时 % □PM5 混合式教学 学时 % □PM6 体验式学习 学时 % 考核方式 （Evaluation 考 试 EM1 课程作业 25% □EM 2 单元测试 % EM3 课堂辩论 25%
课Methods,EM)口EM6撰写论文/必口EM4期中考试%%EM5期末考试50%实验报告选考口EMI课程作业%%%口EM2单元测试DEM3课堂辩论查课口EM5撰写论文/实ofo必口EM4期末考试%验报告选DEM11实验%口EM10课堂互动%%口EM12实训自选口EM13实践%口EM14期末考试%2
2 Methods,EM） 课 必 选 □EM4 期中考试 % EM5 期末考试 50% □EM6 撰写论文/ 实验报告 % 考 查 课 必 选 □EM1 课程作业 % □EM 2 单元测试 % □EM3 课堂辩论 % □EM4 期末考试 % □EM5 撰写论文/实 验报告 % 自 选 □EM10 课堂互动 % □EM11 实验 % □EM12 实训 % □EM13 实践 % □EM14 期末考试 %
二、教学大纲的定位说明（一）课程教学目标1概述金属材料的基本特性，分类，应用，历史、现状和前景。2.阐述位错模型、位错应力场、位错能、位错线张力、位错的相互作用、位错的运动等概念和性质，描述位错增殖机制。阐述晶体中全位错和不全位错类型和特征。归纳金属单晶和多晶塑性变形的特点，解释金属强化的位错机制。3.归纳金属凝固及其他相变中形核和长大规律，比较不同类型材料中对形核和长大的影响因素的不同，能够推导临界半径和形核功等基本公式。阐述合金平衡凝固和非平衡凝固特点，理解并阐述合金凝固过程溶质再分配原理和过程，推导成分过冷条件。理解和概括凝固理论在晶粒细化和单晶制备中的应用。4.熟悉二元相同的类型并能说出各相区组织和计算各相含量，熟悉三元相同的类型并能说出各相区组织和计算各相含量，理解概括相图相变热力学理论。5.归纳钢热处理的加热转变和冷却转变特征和影响因素，判断冷却转变中不同组织形成的条件，比较不同组织结构和性能特点，比较不同热处理工艺的特点和应用。6匣述钢的合金化原理，了解列出不同钢种的合金化特征、热处理工艺、组织和性能特征。（二）课程教学目标与培养目标的关系课程目标教学目标支撑的毕业要求支撑强度H1~63.1知识目标（CO1)1~63.1H能力目标（CO2）m
3 二、教学大纲的定位说明 （一）课程教学目标 1.概述金属材料的基本特性，分类，应用，历史、现状和 前景。 2.阐述位错模型、位错应力场、位错能、位错线张力、位 错的相互作用、位错的运动等概念和性质，描述位错增殖机制。 阐述晶体中全位错和不全位错类型和特征。归纳金属单晶和多 晶塑性变形的特点，解释金属强化的位错机制。 3.归纳金属凝固及其他相变中形核和长大规律，比较不同 类型材料中对形核和长大的影响因素的不同，能够推导临界半 径和形核功等基本公式。阐述合金平衡凝固和非平衡凝固特 点，理解并阐述合金凝固过程溶质再分配原理和过程，推导成 分过冷条件。理解和概括凝固理论在晶粒细化和单晶制备中的 应用。 4.熟悉二元相同的类型并能说出各相区组织和计算各相 含量，熟悉三元相同的类型并能说出各相区组织和计算各相含 量，理解概括相图相变热力学理论。 5.归纳钢热处理的加热转变和冷却转变特征和影响因素， 判断冷却转变中不同组织形成的条件，比较不同组织结构和性 能特点，比较不同热处理工艺的特点和应用。 6.阐述钢的合金化原理，了解列出不同钢种的合金化特 征、热处理工艺、组织和性能特征。 （二）课程教学目标与培养目标的关系 课程目标 教学目标 支撑的毕业要求 支撑强度 知识目标（CO1) 1~6 3.1 H 能力目标（CO2) 1~6 3.1 H
素质、情感价值观目1、6H11.2、11.3标（CO3)（三）支撑课程自标的教学内容与方法课堂讲授为主，讨论和实例分析为辅。（1）先修课程要求，与先修及后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接先修课程：《材料科学与工程导论》《材料力学性能》等。属于金属学范畴但在《材料科学与工程导论》（《材料科学基础》课程）已经讲授较为充分的内容本课程将不再涉及，如晶体学、材料力学性能、材料的失效等内容。（2）检验课程目标达成度的考核方法和评分标准课堂讨论、提问和作业作为平时考核基本方式，各占25%。期末考试占50%，考试可以采用开卷或者闭卷方式进行。三、课程内容与安排第一章绪论（1学时）学习目标：1.了解金属材料及发展概况。2.了解金属材料在国民经济中的地位与作用。3.了解本课程的性质、地位和任务4.掌握金属材料的基本性质和分类。教学重点：金属材料的四个发展阶段，金属材料的基本性质和分类教学难点：金属材料的基本性质和分类教学方法：讲授、讨论第二章实际金属的晶体结构（6学时）4
4 素质、情感价值观目 标（CO3) 1、6 11.2、11.3 H （三）支撑课程目标的教学内容与方法 课堂讲授为主，讨论和实例分析为辅。 （1）先修课程要求，与先修及后续相关课程之间的逻辑 关系和内容衔接 先修课程：《材料科学与工程导论》《材料力学性能》等。 属于金属学范畴但在《材料科学与工程导论》（《材料科 学基础》课程）已经讲授较为充分的内容本课程将不再涉及， 如晶体学、材料力学性能、材料的失效等内容。 （2）检验课程目标达成度的考核方法和评分标准 课堂讨论、提问和作业作为平时考核基本方式，各占 25%。 期末考试占 50%，考试可以采用开卷或者闭卷方式进行。 三、课程内容与安排 第一章 绪论（1 学时） 学习目标： 1.了解金属材料及发展概况。 2.了解金属材料在国民经济中的地位与作用。 3.了解本课程的性质、地位和任务 4.掌握金属材料的基本性质和分类。 教学重点：金属材料的四个发展阶段，金属材料的基本性 质和分类 教学难点：金属材料的基本性质和分类 教学方法：讲授、讨论 第二章 实际金属的晶体结构（6 学时）
第一节点缺陷第二节位错模型及位错的弹性性质第三节实际晶体中的位错学习目标：1.点缺陷、线缺陷。2.刃型位错、螺型位错的结构特征、应力场、相互作用、增殖。实际晶体中的位错。重点掌握：位错的概念，柏氏矢量及其性质。位错的运动，两种位错的应力场的特征，位错的能量，位错的受力和线张力，位错的相互作用。不全位错，堆垛层错，位错反应，扩展位错，位错的增殖。掌握：肖克莱不全位错和弗莱克不全位错及其特征。了解：位错概念的提出过程。汤姆逊四面体。难点：位错应力场和相互作用。教学方法：讲授、讨论第三章纯金属的结晶（3学时）第一节纯金属的结晶过程第二节结晶的热力学条件第三节形核规律第四节长大规律第五节结晶理论的某些实际应用学习目标：1.纯金属的凝固过程。2.结晶的热力学条件。5
5 第一节 点缺陷 第二节 位错模型及位错的弹性性质 第三节 实际晶体中的位错 学习目标： 1.点缺陷、线缺陷。 2.刃型位错、螺型位错的结构特征、应力场、相互作用、 增殖。实际晶体中的位错。 重点掌握： 位错的概念，柏氏矢量及其性质。位错的运动，两种位错 的应力场的特征，位错的能量，位错的受力和线张力，位错的 相互作用。不全位错，堆垛层错，位错反应，扩展位错，位错 的增殖。 掌握：肖克莱不全位错和弗莱克不全位错及其特征。 了解：位错概念的提出过程。汤姆逊四面体。 难点：位错应力场和相互作用。 教学方法：讲授、讨论 第三章 纯金属的结晶（3 学时） 第一节 纯金属的结晶过程 第二节 结晶的热力学条件 第三节 形核规律 第四节 长大规律 第五节 结晶理论的某些实际应用 学习目标： 1.纯金属的凝固过程。 2.结晶的热力学条件
3.形核及长大的规律。4.凝固理论的应用。重点掌握：结晶的热力学条件，过冷度的概念。均匀形核和非均匀形核的条件和规律，形核率。长大的方式和规律，线长大速度。细化金属铸件的晶粒的方法。掌握：单晶、微晶、纳米晶、非晶、准晶的概念。定向凝固与快速凝固。了解：单晶体的制备，急冷技术。难点形核的条件和规律，长大的方式和规律。教学方法：讲授、讨论第四章二元合金的相结构与结晶（5学时）第一节合金的相和相结构。第二节相图的基本知识第三节匀晶相图及固溶体的结晶第四节共晶相图及其合金的结晶第五节包晶相图及其合金的结晶第六节其他类型的二元合金相图第七节二元相图的分析和使用第八节金属铸锭的宏观组织与缺陷学习目标：合金的相结构：一次固溶体、二次固溶体、置换固溶体、6
6 3.形核及长大的规律。 4.凝固理论的应用。 重点掌握： 结晶的热力学条件，过冷度的概念。 均匀形核和非均匀形核的条件和规律，形核率。 长大的方式和规律，线长大速度。 细化金属铸件的晶粒的方法。 掌握： 单晶、微晶、纳米晶、非晶、准晶的概念。 定向凝固与快速凝固。 了解：单晶体的制备，急冷技术。 难点： 形核的条件和规律，长大的方式和规律。 教学方法：讲授、讨论 第四章 二元合金的相结构与结晶（5 学时） 第一节 合金的相和相结构。 第二节 相图的基本知识 第三节 匀晶相图及固溶体的结晶 第四节 共晶相图及其合金的结晶 第五节 包晶相图及其合金的结晶 第六节 其他类型的二元合金相图 第七节 二元相图的分析和使用 第八节 金属铸锭的宏观组织与缺陷 学习目标： 合金的相结构：一次固溶体、二次固溶体、置换固溶体
间隙固溶体、固溶度的影响因素，超结构，中间相，正常价化合物、电子化合物，间隙相和间隙化合物，拓扑密堆相。二元相图的基本类型，固溶体合金的非平衡凝固、溶质再分配、成分过冷，二元相图的分析与使用方法。重点掌握：相律，杠杆定理，二元相图的几何规律。匀晶相图，固溶体合金的非平衡凝固，溶质再分配和成分过冷，合金生长形态。共晶相图，伪共晶、非平衡共晶、离异共晶的概念。包晶相图，具有包晶转变的非平衡凝固。二元相图的基本分析方法。合金的相结构，固溶体、金属间化合物的分类、特征。掌握：其他类型的二元相图复杂二元相图的分析方法。根据相图判断合金的性能。区域熔炼。铸件组织与缺陷，偏析。难点：非平衡凝固中的溶质再分配、成分过冷。二元相图的分析和使用。金属间化合物的分类、特征。教学方法：讲授、讨论第五章三元相图（6学时）第一节三元相图的成分标示法7
7 间隙固溶体、固溶度的影响因素，超结构，中间相，正常价化 合物、电子化合物，间隙相和间隙化合物，拓扑密堆相。 二元相图的基本类型，固溶体合金的非平衡凝固、溶质再 分配、成分过冷，二元相图的分析与使用方法。 重点掌握： 相律，杠杆定理，二元相图的几何规律。 匀晶相图，固溶体合金的非平衡凝固，溶质再分配和成分 过冷，合金生长形态。 共晶相图，伪共晶、非平衡共晶、离异共晶的概念。 包晶相图，具有包晶转变的非平衡凝固。 二元相图的基本分析方法。 合金的相结构，固溶体、金属间化合物的分类、特征。 掌握： 其他类型的二元相图。 复杂二元相图的分析方法。 根据相图判断合金的性能。 区域熔炼。 铸件组织与缺陷，偏析。 难点： 非平衡凝固中的溶质再分配、成分过冷。 二元相图的分析和使用。 金属间化合物的分类、特征。 教学方法：讲授、讨论 第五章 三元相图（6 学时） 第一节 三元相图的成分标示法
第二节三元系平衡转变的定量法则第三节三元匀晶相图第四节三元共晶相图第五节三元合金相图的四相平衡转变第六节具有化合物的三元相图及其分割第七节三元合金相图应用举例学习目标：1.三元相图的成分表示方法及定量法则。2.三元匀晶相图、三元共晶相图。3.四相平衡转变。4.三元相图应用举例。重点掌握：直线定律和重心定律。三元匀晶相图和三元匀晶合金的凝固过程。三元共晶相图和三元共晶合金的凝固过程。三元相图应用举例。掌握：四相平衡转变。具有化合物的三元相图及其分割。难点：三元共晶相图和三元共晶合金的凝固过程，四相平衡转变。教学方法：讲授、讨论第六章金属及合金的塑性变形（4学时）第一节金属的变形特性第二节单晶体的塑性变形8
8 第二节 三元系平衡转变的定量法则 第三节 三元匀晶相图 第四节 三元共晶相图 第五节 三元合金相图的四相平衡转变 第六节 具有化合物的三元相图及其分割 第七节 三元合金相图应用举例 学习目标： 1.三元相图的成分表示方法及定量法则。 2.三元匀晶相图、三元共晶相图。 3.四相平衡转变。 4.三元相图应用举例。 重点掌握： 直线定律和重心定律。 三元匀晶相图和三元匀晶合金的凝固过程。 三元共晶相图和三元共晶合金的凝固过程。 三元相图应用举例。 掌握： 四相平衡转变。 具有化合物的三元相图及其分割。 难点：三元共晶相图和三元共晶合金的凝固过程，四相平 衡转变。 教学方法：讲授、讨论 第六章 金属及合金的塑性变形（4 学时） 第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形
第三节多晶体的塑性变形第四节合金的塑性变形第五节塑性变形对金属组织与性能的影响第六节金属和合金强化的位错机制学习目标：塑性变形的机理，塑性变形对组织与性能的影响，滑移系，晶体转动。金属强化的位错机制。重点掌握：滑移，滑移系，滑移的临界分切应力，滑移时的晶体转动，多滑移和交滑移。李生及其特点，扭折及其特点。多晶体的塑性变形过程，晶粒尺寸对塑性变形的影响。单晶体和多晶体的应力应变曲线。变形过程显微组织和性能的变化，应力和织构。金属强化的位错机制，固定位错、林位错、位错交割和增殖。掌握：李生晶体学。裂纹的萌生机制。难点:多滑移和交滑移，固定位错。固定位错、林位错、位错交割和增殖。教学方法：讲授、讨论第七章金属及合金的回复与再结晶（3学时）9
9 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织与性能的影响 第六节 金属和合金强化的位错机制 学习目标： 塑性变形的机理，塑性变形对组织与性能的影响，滑移系， 晶体转动。 金属强化的位错机制。 重点掌握： 滑移，滑移系，滑移的临界分切应力，滑移时的晶体转动， 多滑移和交滑移。 孪生及其特点，扭折及其特点。 多晶体的塑性变形过程，晶粒尺寸对塑性变形的影响。 单晶体和多晶体的应力应变曲线。 变形过程显微组织和性能的变化，应力和织构。 金属强化的位错机制，固定位错、林位错、位错交割和增 殖。 掌握： 孪生晶体学。 裂纹的萌生机制。 难点： 多滑移和交滑移，固定位错。 固定位错、林位错、位错交割和增殖。 教学方法：讲授、讨论 第七章 金属及合金的回复与再结晶（3 学时）
第一节形变金属及合金在退火过程中的变化第二节回复第三节再结晶第四节晶粒长大第五节金属的热加工学习目标：形变金属材料退火时的回复、再结晶、晶粒长大过程及其微观机制。回复和再结晶动力学。金属的热变形。重点掌握：不同温度下的回复机制。再结晶的形核机制。影响再结晶的因素，再结晶后晶粒的大小。晶粒的正常长大和异常长大过程及影响因素。动态回复和动态再结晶。掌握：回复动力学。再结晶动力学。超塑性。难点:再结晶形核机制、晶粒长大过程，回复和再结晶动力学。教学方法：讲授、讨论第八章钢的热处理原理（3学时）第一节钢在加热时的转变10
10 第一节 形变金属及合金在退火过程中的变化 第二节 回复 第三节 再结晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工 学习目标： 形变金属材料退火时的回复、再结晶、晶粒长大过程及其 微观机制。 回复和再结晶动力学。 金属的热变形。 重点掌握： 不同温度下的回复机制。 再结晶的形核机制。 影响再结晶的因素，再结晶后晶粒的大小。 晶粒的正常长大和异常长大过程及影响因素。 动态回复和动态再结晶。 掌握： 回复动力学。 再结晶动力学。 超塑性。 难点： 再结晶形核机制、晶粒长大过程，回复和再结晶动力学。 教学方法：讲授、讨论 第八章 钢的热处理原理（3 学时） 第一节 钢在加热时的转变