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第一章绪论
绪论是对整个材料科学基础课程的概括性介绍，主要介绍材料和材料学的学科属性及建立过程。介绍材料的定义、材料的历史和作用；讨论材料科学课程的研究对象和任务。重点内容是材料科学的研究内容和方法、课程的性质和特点。
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●1.1材料和材料学
人类文明的发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。本节将从材料的定义、材料的历史和材料的作用带领大家走进材料科学基础课堂。
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●1.2课程的性质和内容
本节着重介绍课程的性质、课程的特点、学习方法以及课程的主要学习内容，即材料科学是研究各种材料的成分/结构、制备/加工、性能/性质和使用表现及其相互关系的科学。授课教师将带领大家初步认识材料四要素，理解和掌握材料的组织和结构-加工-性能之间的关系。
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第二章金属及合金的结构
金属的内部结构和组织状态是决定金属材料性能的关键因素之一，金属和合金在固态下通常都是晶体，要了解它们的组织结构与性能，首先必须了解其晶体结构。本专题主要介绍纯金属的晶体结构、实际晶体的结构和存在的缺陷和合金的相结构。通过对缺陷的研究，进一步探索强化金属的途径。
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●2.1金属
金属材料是目前应用最为广泛的材料之一。本节从认识纯金属开始，学习金属原子的结构特点、结合键的特点、结合力与结合能，重点了解四种结合键的特性、相应晶体物质的主要性能。
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●2.2纯金属的晶体结构——认识晶体
本节讲述了晶体与非晶体的区别以及晶体的特点；晶体学的基础知识：空间点阵、晶胞、点阵常数和晶系，介绍了7种晶系和14种布拉菲点阵。
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●2.3纯金属的晶体结构——典型金属的晶体结构
自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，其中最典型、最常见的金属晶体结构有3种类型，分别是体心立方、面心立方和密排六方结构。本小节介绍了这3种典型金属晶体结构及其特征参数，构建多晶型概念。
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●2.4纯金属的晶体结构——晶体中的原子堆垛方式及间隙
本小节介绍了上述3种典型晶体结构（fcc、bcc和hcp）的原子堆垛方式和晶体中的间隙，并阐述了3种晶体结构中八面体间隙和四面体间隙大小的计算方法。
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●2.5实际金属的晶体结构与晶体缺陷——点缺陷
在实际应用的金属材料中，不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷，它会直接地影响到晶体的性能。根据晶体缺陷的几何形态特征，可以分为点缺陷、线缺陷和体缺陷。本节主要讲解点缺陷的基础知识及点缺陷对金属性能的影响。
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●2.6晶体缺陷——线缺陷
晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，位错对金属的强度、断裂和塑形变形起着决定性的作用。本节主要介绍位错的基本类型（刃型位错和螺型位错）和一些基本概念。
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●2.7晶体缺陷——线缺陷、面缺陷
基于前面章节对位错的介绍，本小节视频主要讲解了位错中的两个重要概念，即柏氏矢量和位错密度。此外，本节还引入了另一种晶体缺陷：面缺陷。
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●2.8晶体缺陷——面缺陷
晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面两类，其中，内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。本节讲解它们是如何影响金属性能和塑形变形过程的，以及怎么协调相邻晶粒间的塑形变形。
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●2.9合金的相结构
合金是由两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼、烧结，或其他方法组合而成的具有金属特性的物质。本小节讲解了合金的基本概念和合金中组元、相、组织的重要概念。
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●2.10固溶体和金属化合物
合金中的相，依据其晶体结构的不同，可分成固溶体和金属化合物两大类。本节介绍了固溶体和金属化合物的概念、分类、结构和性能，以及二者的异同点。
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第三章材料的凝固
金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称之为结晶。本专题主要描述纯金属结晶的宏观现象、微观过程和金属结晶的基本原理，重点内容是结晶的原理。
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●3.1液态金属的性质和结构
液态金属的性质介于气态和固（晶）态之间，结构更接近于晶态。液态金属中出现结构起伏被认为是金属结晶的结构条件。本节重点讨论液态金属的性质和结构，为后续学习金属凝固奠定基础。
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●3.2纯金属的结晶现象
结晶过程是一个十分复杂的过程，为了揭示金属结晶的基本规律，本节从结晶的宏观现象和微观过程入手，了解金属结晶过程的两个十分重要的宏观特征：过冷现象和结晶潜热，进一步在微观层面揭示了结晶过程的本质就是形核与长大的过程。
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●3.3金属结晶的原理——结晶的热力学条件
本小节指出了金属结晶所需满足的热力学条件，还引出了一个重要概念：过冷度。只有当体系所处的温度低于Tm，即出现过冷时，液态金属才能自发地转变为固态金属。此时，体系的自由能差构成了结晶的驱动力。
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●3.4金属结晶的原理——结晶的结构条件与形核
金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，新晶核的连续不断产生是结晶过程持续进行的关键。本节详细介绍了过冷液体金属的结构起伏和相起伏是结晶的结构条件以及形核的两种形式，帮助大家深入理解结晶原理。
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●3.5金属结晶的原理——晶体长大
结晶过程的进行不仅依赖于新晶核的形成，还依赖于已有晶核的进一步长大。晶核的长大，是原子由液相向晶核表面的转移，宏观上表现为固－液界面向液相中推移的过程。本节重点讨论决定晶体长大方式和长大速度的主要因素，这些因素进而决定了晶体长大后的形态及晶粒的大小，从而对金属性能产生影响。
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●3.6金属铸锭的宏观组织和缺陷
在实际生产中，铸锭的铸态组织直接影响它的力学性能和使用寿命，铸态组织不但影响它的压力加工性能，而且还影响到加工后金属制品的组织及性能。本小节介绍了铸锭（铸件）的组织及其形成规律，以及改善铸锭（铸件）组织以减少缺陷的措施。
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第四章二元相图及应用
合金相图是研究合金的化学成分、晶体结构、组织形态和性能之间变化规律的有效工具，掌握相图的分析和使用方法有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能。本章节主要描述二元相图的建立、二元相图的基本类型与分析。另外，还描述了合金的不平衡结晶。
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●4.1二元相图的建立
相图是研究金属材料的一个十分重要的工具，可用于研究合金系中的状态与合金成分和温度之间的变化规律。本小节先引入了一些相图相关的重要概念，如何为相、何为相变，随后介绍了二元合金相图的测定方法及检验、分析和使用相图的重要工具：吉布斯相律。
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●4.2匀晶相图及固溶体合金的结晶
匀晶相图是最简单的相图之一，本章节主要介绍匀晶相图和匀晶转变的基本概念主常见的能发生匀晶转变的合金，以及固溶体合金的平衡结晶特点，即固溶体合金的结晶为异分结晶，其结晶过程也是形核和长大的过程，形核条件相较于纯金属结晶，还需满足成分（浓度）起伏。
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●4.3杠杆定律和固溶体合金的非平衡结晶
本小节介绍了检验、分析和使用相图的另一个重要工具：杠杆定律，它用于了解某一具体合金中相的成分及其相对含量。此外，实际生产时，由于冷却速度较快，合金的结晶过程往往是非平衡的，因而掌握固溶体非平衡结晶的特点有助于我们分析合金的组织和性能变化。
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●4.4区域偏析和区域提纯、成分过冷
固溶体合金在不平衡结晶时往往造成区域偏析，它会对合金的性能有很大影响，应加以避免，但可以依据这一原理用以区域提纯金属。此外，本节课程内容还讲解了固溶体合金的成分过冷现象及成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响。
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●4.5共晶相图及其合金的结晶（上）
本节介绍了何为共晶相图、典型合金的平衡结晶及其组织。
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●4.6共晶相图及其合金的结晶（中）
本节主要介绍典型合金的平衡结晶过程及组织分析；共晶组织的形态；共晶组织的形成机理；辨析典型合金平衡结晶后的相组成物和组织组成物，利用杠杆定理计算室温下各相组成物和组织组成物的相对含量。
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●4.7共晶相图及其合金的结晶（下）
本节主要介绍伪共晶和离异共晶组织的概念及形成原因；共晶组织中比重偏析和区域偏析形成原因及规避方法。
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●4.8包晶相图及其合金的结晶（上）
本节主要介绍包晶相图的概念及典型的发生包晶转变的二元合金系；以Pt-Ag合金系为例，对包晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
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●4.9包晶相图及其合金的结晶（下）
本课程以Pt-Ag合金系为例，对包晶相图及其合金的平衡结晶过程及组织进行分析，并利用杠杆定理计算室温下各相组成物和组织组成物的相对量。另外本节还介绍了包晶反应的实际应用，它被主要应用于滑动轴承合金和细化晶粒领域。
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●4.10其他类型的二元合金相图
除了匀晶、共晶和包晶三种最基本的二元相图之外，还有其他类型的二元合金相图，主要有组元间形成化合物的相图，偏晶、熔晶和合晶相图，具有固态转变的二元合金相图。本节介绍了上述相图的概念和典型的二元合金系。此外，还讨论了二元相图的分析方法和使用领域。
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第五章铁碳合金铁碳相图
铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳相图是研究铁碳合金的重要工具，掌握铁碳相图对研究和使用钢铁材料、制订各种热加工工艺等都有很重要的指导意义。本章节主要讨论铁碳合金的基本相、铁碳合金的平衡结晶过程及其组织、含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响，以及钢中的杂质元素及钢锭组织。
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●5.1铁碳合金的组元及基本相
铁碳相图存在Fe-Fe3C和Fe-石墨两种形式，本章节重点介绍Fe-Fe3C相图。本小节主要讲解了铁碳合金的组元及基本相，如铁素体、奥氏体、渗碳体。
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●5.2铁碳合金相图分析
本节介绍了铁碳合金相图的基本信息，包括Fe-Fe3C相图中的特性点、特性线、相区和渗碳体的5中形态。
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●5.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
研究铁碳合金的的结晶过程，有助于我们分析合金组织的形成和其对性能的影响。根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为7种类型。本节主要介绍了工业纯铁、共析钢、亚共析钢等7种类型合金的平衡结晶过程和组织，并利用杠杆定律计算出合金的组织组成物和相组成物的相对量。
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●5.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
本小节分别阐述了含碳量对相组成物、组织组成物的影响，总结出铁碳合金的含碳量与相、含碳量与组织的关系图。含碳量对性能的影响体现在对其力学性能（硬度、强度、塑形和韧性）和工艺性能（切削加工性、可锻性、铸造性、焊接性）的影响。
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●5.5钢中的杂质元素及钢锭组织
本小节介绍了钢中典型杂质元素，如锰、硅、硫、磷、氮、氢、氧及其他非金属夹杂物对钢组织和性能的影响。此外，根据钢中的含氧量和凝固时放出一氧化碳的程度，可将钢锭分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三类，并介绍了前两种钢锭的组织和缺陷。
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第六章金属及合金的塑形变形
各种压力加工，如轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等，均能使金属发生塑性变形，即金属的外形发生了改变。探讨金属及合金的塑形变形规律，一方面可以揭示金属材料强度和塑形的本质，以此来探索强化金属材料的方法和途径；另一方面为实际生产上的各种有关塑形变形问题和改进加工工艺等提供重要参考，具有十分重要的理论和实际意义。本章节主要描述单晶体、多晶体和合金的变形，描述合金的塑性变形和塑性变形对金属组织和性能的影响。
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●6.1金属的变形特性
金属在外力作用下会经历弹性变形、弹塑性变形和断裂三个连续的变形阶段。本节通过拉伸实验测得的载荷-变形曲线和应力-应变曲线介绍了金属受力变形特性。
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●6.2单晶体的塑形变形——滑移（上）
在常温和低温下，金属塑形变形方式主要有滑移和孪生。本节主要描述滑移这种方式，介绍了滑移的特点、典型金属结构的滑移系以及多系滑移。
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●6.3单晶体的塑形变形——滑移（下）
晶体的滑移本质就是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步运动的结果。本小节主要讲述了滑移的位错机制；位错运动的点阵阻力；位错的增殖机制；位错的交割与塞积。
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●6.4单晶体的塑形变形——孪生
孪生是金属塑形变形的另一种重要方式，本节主要介绍了孪生的特点，讨论了孪生与滑移的异同点。
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●6.5多晶体的塑形变形
实际生产中使用的金属材料大部分是多晶体，多晶体发生塑性变形的方式仍然是滑移和孪生，但多晶体的塑形变形要比单晶体的情况复杂得多。本节通过描述多晶体塑形变形过程总结出其变形的特点，并阐述了晶界、晶粒位向和晶粒大小对多晶体塑形变形的影响。
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●6.6合金的塑形变形
合金可根据其组织分为两大类：单相固溶体合金和多相合金。本节讲述了两类合金的塑形变形过程和两种重要的金属强化方式：固溶强化和弥散强化。
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●6.7塑形变形对金属组织和性能的影响
多晶体经过塑形变形后，会发生显微组织、亚结构细化、形变织构方面的组织结构变化，还会产生加工硬化和残余内应力，进而影响金属的性能。
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第七章金属及合金的回复与再结晶
金属及合金在塑形变形后，强度、硬度升高，塑形、韧性下降，这给进一步冷加工成形带来困难。因而需要将金属进行退火处理，以使其性能向塑形变形前的状态变化。本章的目的是讨论冷变形金属在加热时的组织和性能的变化；回复及其机制、金属的再结晶和晶粒长大及其机制；金属的热加工。了解这些过程的规律，对于控制和改善变形材料的组织和性能具有重要意义。
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●7.1冷变形金属在加热时的组织和性能变化
形变金属的组织和性能在加热时逐渐发生变化，向稳态转变，这个过程称为退火，典型的退火过程可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。本节分别讨论了这三个阶段发生的显微组织和材料性能的变化。
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●7.2回复
回复是冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能变化的过程。本节介绍了回复机制、回复过程中亚结构的变化以及回复退火的应用。
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●7.3再结晶
本节组要讨论了形变金属退火过程中发生的最为重要的一个阶段：再结晶。从再结晶动力学、再结晶的形核长大、再结晶温度及其影响因素和再结晶的应用几个方面具体阐述形变金属的再结晶过程。
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●7.4晶粒长大
根据再结晶后晶粒长大过程的特征，可将其分为：正常长大和反常长大（二次再结晶）。本节主要讨论了形变金属在再结晶结束后，随着温度不断升高或延长保温时间，晶粒上述两种长大形式的驱动力和影响因素。还讨论了再结晶退火后形变金属的组织变化。
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●7.5金属的热加工（上）
工业生产中，热加工或热塑性变形通常指将金属材料加热至高温进行锻造、轧制等过程。本节主要介绍了何为金属的冷、热加工，以及金属材料热加工时回复和再结晶的5种形式。
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●7.6金属的热加工（下）
一些在室温下不能进行压力加工的金属材料（如镁、钛、钨等）在热加工时容易产生变形，因而这些金属材料可在高温下进行加工。本小节讨论了热加工对上述金属材料组织和性能的影响以及热加工时控制晶粒大小的措施。
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第八章固态金属中的扩散
扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种形式。事实上，在固态金属中也同样地存在着扩散现象，扩散影响金属内部组织转变的微观过程，从而影响其性能。因而扩散在金属的固态转变中也有十分重要的意义。本章节主要描述了扩散现象、本质及条件，以及扩散定律；扩散机制和影响扩散的因素。
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●8.1概述和扩散定律
本小节从柯肯达尔效应讲述了扩散现象的本质：扩散是大量原子随机跃迁的统计结果。同时阐述了固态金属发生扩散的条件以及菲克第一定律。
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●8.2扩散机制
本小节首先介绍了另一个重要的扩散定律：菲克第二定律，其次讨论了固态金属中典型的扩散机制和影响扩散的主要因素。
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●8.3扩散定律
本节深入探讨了固态金属中的扩散机制，包括空位机制和间隙机制。此外，课程还推导了扩散系数的一般表达式，强调了扩散系数的重要性及其与原子跳跃行为的关系。最后，通过实验结果分析了晶界扩散的特性及其对材料性能的影响。
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●8.4反应扩散
本节围绕置换扩散与间隙扩散的机理及其影响因素进行讲解。随后，分析了影响扩散的主要因素，包括温度、晶体结构、固溶体类型、晶体缺陷以及化学成分等，包括在扩散过程中形成的化合物及其对扩散速度的影响。此外，还讨论了反应扩散现象，并总结了扩散对材料科学领域的重要性。