西安交通大学：材料科学与工程专业《材料研究方法》课程教学大纲（英）

西安交通大学材料学研究方法（英）课程教学大纲一、课程基本信息材料学研究方法（英）课程名称Characterization techniques in materials science research课程编号MATL4007022总学时课程学分32理论：32实验：0上机：0课外：0学时分配（课外学时不计入总学时）口公共课程口通识课程课程类型口学科门类基础课口专业大类基础课专业核心课口专业选修课口集中实践□1-1□1-2□2-1□2-2□3-1Z3-2开课学期□4-1□4-2□5-1□5-2先修课程材料科学基础，材料工程基础教材、参考使用教材：书及其他[1] B.D.Cullity.Elements of X-ray diffraction（第二资料版）.Reading，Mass.：Addison-WesleyPublishingCompany,1956.[2]谈育煦，胡志忠.材料研究方法.北京：机械工业出版社，2004.参考教材：[1]周玉主编.材料分析方法（第三版）.北京：机械工业出版社，2011.[2]D.B.Williams,C.B.Carter.Transmission ElectronMicroscopy: A Textbook for Materials Science. New York:Springer,1996.[3]J.Goldstein,D.E.Newbury,D.C.Joy,C.E.Lyman,P.Echlin, E.Lifshin,L. Sawyer,J.R.Michael.ScanningElectron Microscopy and X-ray Microanalysis.New York:KluwerAcademic/Plenum,2003.[4]I.C. Noyan, J.B. Cohen. Residual stress: measurement by

西安交通大学材料学研究方法（英）课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 材料学研究方法（英） Characterization techniques in materials science research 课程编号 MATL400702 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论： 32 实验: 0 上机: 0 课外: 0 （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 ☑专业核心课专业选修课集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 ☑3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 材料科学基础，材料工程基础 教材、参考 书及其他 资料 使用教材： [1] B.D. Cullity. Elements of X-ray diffraction（ 第二 版）.Reading, Mass.：Addison-Wesley Publishing Company, 1956. [2]谈育煦，胡志忠.材料研究方法.北京：机械工业出版社，2004. 参考教材： [1]周玉 主编.材料分析方法（第三版）.北京：机械工业出版社， 2011. [2]D.B. Williams, C.B. Carter. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. New York: Springer, 1996. [3]J. Goldstein, D.E. Newbury, D.C. Joy, C.E. Lyman, P. Echlin, E. Lifshin, L. Sawyer, J.R. Michael. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. New York: Kluwer Academic/Plenum，2003. [4]I.C. Noyan, J.B. Cohen. Residual stress: measurement by

diffractionand interpretation.NewYork:Springer-VerlagNewYorkInc.，1987.[5]J.F.Nye.Physical Properties ofCrystals:TheirRepresentation by Tensors and Matrices.Oxford:ClarendonPress,1957二、课程目标及学生应达到的能力2.1课程的基本要求“材料研究方法”课是材料科学与工程专业的专业核心课程之一，向学生讲授光学显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜这四种最常见的近代材料物理研究方向方法的基本原理与应用实践。培养学生讲材料表征技术的基本原理与工程应用、科研实践相结合的能力，能够根据实际需要合理选择材料的微观组织结构表征方法，合理制定实验路线、设计实验方案、构建实验系统，具备通过微观组织结构的表征对材料的物理化学性能进行预测与解释的能力。本课程在第一篇光学显微镜中详细介绍瑞利判据、像差、空间分辨率等概念，与第三篇透射电子显微镜前后呼应，帮助学生深入理解这些基本原理与基本概念：做到融会贯通；第三篇讲授透射电子显微镜中的选区电子衍射时，与第二篇中的X射线衍射的特点进行逐一比对，并深入解释其物理根源，有助于学生在工程、科研实践中选择最合适的方法技术进行材料微观组织结构表征：从试样制备、信息获取、图像衬度解析等角度对比透射电子显微镜与扫描电子显微镜，帮助学生理解成像原理；从探测原理、分辨率、灵敏度、准确度等角度对能谱与波谱进行全方位对比，并将波谱信号探测原理与X射线衍射相联系，帮助学生深刻体会衍射的广泛应用；引导学生们阅读了解同步辐射光源、中子衍射、X射线断层扫描术、X射线近边吸收等最前沿的科学技术，并将这些技术的特点与主要学习内容（如传统的X射线衍射、扫描电子显微镜中的能谱分析等）进行比较，培养学生们终身学习的能力与习惯。本课程采用全英文授课：尽管采用的教材为中文教材，但是参考教材以英文教材为主：教师上课所用ppt为全英文；上课之前教师把ppt提前发给学生，并列出英汉对照生词表，以帮助学生更容易地接受所讲授的知识；平时作业全部由英文出题，鼓励学生用英语做作业；考试题目为英汉双语，鼓励学生英语答卷。希望通过以上手段与途径，使学生能够就材料开发与使用过程中的复杂工程问题

diffraction and interpretation. New York:Springer-Verlag New York Inc.，1987. [5]J.F. Nye. Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices. Oxford: Clarendon Press, 1957. 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 “材料研究方法”课是材料科学与工程专业的专业核心课程之一，向学生讲 授光学显微镜、X 射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜这四种最常见的 近代材料物理研究方向方法的基本原理与应用实践。培养学生讲材料表征技术的 基本原理与工程应用、科研实践相结合的能力，能够根据实际需要合理选择材料 的微观组织结构表征方法，合理制定实验路线、设计实验方案、构建实验系统， 具备通过微观组织结构的表征对材料的物理化学性能进行预测与解释的能力。 本课程在第一篇光学显微镜中详细介绍瑞利判据、像差、空间分辨率等概念， 与第三篇透射电子显微镜前后呼应，帮助学生深入理解这些基本原理与基本概念， 做到融会贯通；第三篇讲授透射电子显微镜中的选区电子衍射时，与第二篇中的 X 射线衍射的特点进行逐一比对，并深入解释其物理根源，有助于学生在工程、 科研实践中选择最合适的方法技术进行材料微观组织结构表征；从试样制备、信 息获取、图像衬度解析等角度对比透射电子显微镜与扫描电子显微镜，帮助学生 理解成像原理；从探测原理、分辨率、灵敏度、准确度等角度对能谱与波谱进行 全方位对比，并将波谱信号探测原理与 X 射线衍射相联系，帮助学生深刻体会衍 射的广泛应用；引导学生们阅读了解同步辐射光源、中子衍射、X 射线断层扫描 术、X 射线近边吸收等最前沿的科学技术，并将这些技术的特点与主要学习内容 （如传统的 X 射线衍射、扫描电子显微镜中的能谱分析等）进行比较，培养学生 们终身学习的能力与习惯。 本课程采用全英文授课：尽管采用的教材为中文教材，但是参考教材以英文 教材为主；教师上课所用 ppt 为全英文；上课之前教师把 ppt 提前发给学生，并 列出英汉对照生词表，以帮助学生更容易地接受所讲授的知识；平时作业全部由 英文出题，鼓励学生用英语做作业；考试题目为英汉双语，鼓励学生英语答卷。 希望通过以上手段与途径，使学生能够就材料开发与使用过程中的复杂工程问题

与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，具备全球视野和跨文化书面、口头表达能力，能够应用英语在国际化背景下进行有效沟通和交流。2.2课程的目标及学生应该达到的能力1采用科学方法研究能力系统学习光学显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜这四种最常见的近代材料物理研究方向方法的基本原理，细致对比X射线衍射与选区电子衍射，光学显微镜、透射电镜及扫描电镜成像，能谱与波谱，衍射衬度与质厚衬度，二次电子衬度与背散射电子衬度等技术特点，深刻理解这些技术背后的物理原理与工程技术特点，最终做到“表征技术-材料微观组织结构-材料服役性能”的融会贯通。支撑毕业要求指标点4-2：能根据材料及其服役条件，合理选择材料体系及合适的测试表征方法，合理制定研究路线，设计实验方案，构建实验系统，安全有效地开展实验。2了解现代工具的工作原理和使用方法熟练掌握光学显微镜、X射线衍射研究晶体结构、X射线测量多晶材料宏观残余应力、透射电子显微镜成像、选区电子衍射、扫描电子显微镜成像、能谱、波谱等现代物理研究技术的基本原理与局限性，透射电子显微镜、扫描电子显微镜样品的特点、要求与局限性，X射线衍射、X射线应力、选区电子衍射、明暗场像数据分析的原理、方法与局限性。支撑毕业要求指标点5-1：充分了解现代工程工具、测试仪器、信息技术工具和模拟软件的工作原理和使用方法，并理解其局限性。3针对性选择使用现代工具能力了解各个分析表征技术适用的样品种类，所能达到的分辨率，影响分辨率、信噪比、数据可靠性的主要因素等。能够针对复杂工程问题建立合适的模型，提炼科学、技术问题，并根据所研究的材料体系、材料性能的需要，选择适当的表征测试技术与方法。支撑毕业要求指标点5-3：能够选用和开发与材料体系相适应的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具解析材料领域的复杂工程问题，并能针对具体的对象和方法分析其局限性

与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，具备全球视野和跨文化书面、口头 表达能力，能够应用英语在国际化背景下进行有效沟通和交流。 2.2 课程的目标及学生应该达到的能力 1 采用科学方法研究能力 系统学习光学显微镜、X 射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜这四 种最常见的近代材料物理研究方向方法的基本原理，细致对比 X 射线衍射与选区 电子衍射，光学显微镜、透射电镜及扫描电镜成像，能谱与波谱，衍射衬度与质 厚衬度，二次电子衬度与背散射电子衬度等技术特点，深刻理解这些技术背后的 物理原理与工程技术特点，最终做到“表征技术-材料微观组织结构-材料服役性 能”的融会贯通。 支撑毕业要求指标点 4-2：能根据材料及其服役条件，合理选择材料体系及 合适的测试表征方法，合理制定研究路线，设计实验方案，构建实验系统，安全 有效地开展实验。 2 了解现代工具的工作原理和使用方法 熟练掌握光学显微镜、X 射线衍射研究晶体结构、X 射线测量多晶材料宏观 残余应力、透射电子显微镜成像、选区电子衍射、扫描电子显微镜成像、能谱、 波谱等现代物理研究技术的基本原理与局限性，透射电子显微镜、扫描电子显微 镜样品的特点、要求与局限性，X 射线衍射、X 射线应力、选区电子衍射、明暗 场像数据分析的原理、方法与局限性。 支撑毕业要求指标点 5-1：充分了解现代工程工具、测试仪器、信息技术工 具和模拟软件的工作原理和使用方法，并理解其局限性。 3 针对性选择使用现代工具能力 了解各个分析表征技术适用的样品种类，所能达到的分辨率，影响分辨率、 信噪比、数据可靠性的主要因素等。能够针对复杂工程问题建立合适的模型，提 炼科学、技术问题，并根据所研究的材料体系、材料性能的需要，选择适当的表 征测试技术与方法。 支撑毕业要求指标点 5-3：能够选用和开发与材料体系相适应的技术、资源、 现代工程工具和信息技术工具解析材料领域的复杂工程问题，并能针对具体的对 象和方法分析其局限性

4与同行沟通交流能力采用多本（套）经典英文原版教材为参考教材；上课采用全英文ppt；上课之前把ppt提前发给学生，并列出英汉对照生词表；平时作业全部由英文出题，鼓励学生用英语答题；考试题目为英汉双语，鼓励学生英语答卷。支撑毕业要求指标点10-1：能应用外语在国际化背景下就材料及相关领域问题进行有效沟通和交流。课程目标与专业毕业要求的关联关系毕业要求课56712234810119程目标M课程目标1课程目标2H课程目标3H课程目标4M注：1,2,3…·12对应于专业认证毕业要求12条。课程目标与专业毕业要求的关联关系用H/M/L标注。三、孝教学内容简介参考序号章节名称知识点学时1.光学显微镜分辨率与放大倍数的区别，衬121.1.光学显微镜的分辨率度，瑞利判据、艾利斑、球差、1.2.景深与焦长色差、像散、景深、焦长2.晶体学基础及X射线的基本知点阵与基元，晶胞与素胞，七24识大晶系，十四种布拉菲格子，2.1.晶体学初步点群与空间群，晶面、晶向与晶格原子位置，米勒指数与米2.2.X射线的产生、吸收、及应用勒布拉菲指数，X射线的产生、举例穿透、吸收与防护3.X射线衍射的方向布拉格定律的布拉格表述、劳533.1.布拉格定律厄表述与埃瓦尔德表述，倒易3.2.倒易空间空间，倒格矢3.3.埃瓦尔德球4.X射线衍射的强度X光与孤立单电子的作用，X44光与原子的作用，原子散射因4.1.原子散射因子4.2.结构因子子，X光与晶胞的作用，结构4.3.影响X射线衍射的其他因素因子，洛伦兹因子，偏振因子，德拜一沃勒因子，吸收因子，多重性因子等，倒易杆

4 与同行沟通交流能力 采用多本（套）经典英文原版教材为参考教材；上课采用全英文 ppt；上课 之前把 ppt 提前发给学生，并列出英汉对照生词表；平时作业全部由英文出题， 鼓励学生用英语答题；考试题目为英汉双语，鼓励学生英语答卷。 支撑毕业要求指标点 10-1：能应用外语在国际化背景下就材料及相关领域问 题进行有效沟通和交流。 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕 业 要求课 程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课程目标 1 M 课程目标 2 H 课程目标 3 H 课程目标 4 M 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的 关联关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序号 章节名称 知识点 参考 学时 1 1.光学显微镜 1.1. 光学显微镜的分辨率 1.2. 景深与焦长 分辨率与放大倍数的区别，衬 度，瑞利判据、艾利斑、球差、 色差、像散、景深、焦长 2 2 2. 晶体学基础及 X 射线的基本知 识 2.1. 晶体学初步 2.2. X 射线的产生、吸收、及应用 举例 点阵与基元，晶胞与素胞，七 大晶系，十四种布拉菲格子， 点群与空间群，晶面、晶向与 晶格原子位置，米勒指数与米 勒布拉菲指数，X 射线的产生、 穿透、吸收与防护 4 3 3. X 射线衍射的方向 3.1．布拉格定律 3.2．倒易空间 3.3．埃瓦尔德球 布拉格定律的布拉格表述、劳 厄表述与埃瓦尔德表述，倒易 空间，倒格矢 5 4 4. X 射线衍射的强度 4.1．原子散射因子 4.2．结构因子 4.3．影响 X 射线衍射的其他因素 X 光与孤立单电子的作用，X 光与原子的作用，原子散射因 子，X 光与晶胞的作用，结构 因子，洛伦兹因子，偏振因子， 徳拜-沃勒因子，吸收因子， 多重性因子等，倒易杆 4

5.X射线衍射在残余应力测量中的第1、2、3类残余应力的概念，5A应用宏观残余应力的X射线sin5.1.残余应力的分类衍射法测量与数据分析方法，5.2.宏观残余应力的测量微观残余应力的测量5.3.微观残余应力的测量6.透射电子显微镜透射电子显微镜的原理及设686.1.透射电子显微镜设备的基本介备简介，分辨率，球差、色差、绍像散，聚光镜、物镜、中间镜、投影镜的作用，聚光镜光阑、6.2.透射电子显微镜成像的分辨率物镜光阑、选取光阑的位置与6.3.透射电子显微镜成像的衬度及明暗场像作用，质厚衬度与衍射衬度，6.4.选区电子衍射的原理及特点选区电子衍射的原理、特点、6.5.透射电子显微镜对显微缺陷数据分析举例，透射电子显微的表征举例镜对位错、层错等显微缺陷的分析原理及应用7.扫描电子显微镜扫描电子显微镜的原理及设757.1.扫描电子显微镜设备的基本介备简介，二次电子与背散射电绍子，分辨率，衬度，电子束流、7.2.二次电子成像与背散射电子成电子束直径、汇聚角、加速电像压对分辨率、衬度等的影响，7.3.能谱与波谱波谱与能谱的原理、分辨率、灵敏度等的比较四、教学安排详表

5 5. X 射线衍射在残余应力测量中的 应用 5.1．残余应力的分类 5.2．宏观残余应力的测量 5.3．微观残余应力的测量 第 1、2、3 类残余应力的概念， 宏观残余应力的 X 射线 sin2 衍射法测量与数据分析方法， 微观残余应力的测量 4 6 6. 透射电子显微镜 6.1．透射电子显微镜设备的基本介 绍 6.2．透射电子显微镜成像的分辨率 6.3．透射电子显微镜成像的衬度及 明暗场像 6.4．选区电子衍射的原理及特点 6.5. 透射电子显微镜对显微缺陷 的表征举例 透射电子显微镜的原理及设 备简介，分辨率，球差、色差、 像散，聚光镜、物镜、中间镜、 投影镜的作用，聚光镜光阑、 物镜光阑、选取光阑的位置与 作用，质厚衬度与衍射衬度， 选区电子衍射的原理、特点、 数据分析举例，透射电子显微 镜对位错、层错等显微缺陷的 分析原理及应用 8 7 7. 扫描电子显微镜 7.1．扫描电子显微镜设备的基本介 绍 7.2．二次电子成像与背散射电子成 像 7.3．能谱与波谱 扫描电子显微镜的原理及设 备简介，二次电子与背散射电 子，分辨率，衬度，电子束流、 电子束直径、汇聚角、加速电 压对分辨率、衬度等的影响， 波谱与能谱的原理、分辨率、 灵敏度等的比较 5 四、教学安排详表