西安交通大学：材料科学与工程专业《固体相变导论》课程教学大纲（英）

西安交通大学固体相变导论（英）课程教学大纲一、课程基本信息固体相变导论（英）课程名称Introduction to Phase Transitions in Solids课程编号MATL501402241.5总学时课程学分理论：24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口学科门类基础课口专业大类基础课课程类型口专业核心课团专业选修课口集中实践□1-1 □1-2 □2-1 □2-2□3-1□3-2开课学期□V4-1□4-2□5-1□5-2先修课程高等数学，大学物理，材料科学基础使用教材：教材、参考书及其他[1] Rao C N R, Rao K J. Phase transitions in solids. Great Britain:资料McGraw-Hill, 1978[2] Porter D A, Easterling K E. Phase transformations in metalsand alloys.Oxford:AldenPress,1981[3]Otsuka K,WaymanCM.ShapeMemoryMaterials.Cambridge: Cambridge University Press, 1998.[4] Wadhawan VK,Introduction toFerroic Materials.SingaporeGordon and Breach Science Publishers, 2000二、课程目标及学生应达到的能力2.1 课程的基本要求本课程是高等理工科院校材料科学与工程学科的专业基础选修课程。固态相变研究各种固体组织结构的形成、稳定性及相互转变的一门学科。当一种固体材料由于热力学条件（如温度、压力、作用于该固体的电场、磁场等）变化成为热力学不稳定的时候，如果没有对相变的障碍存在，将会通过相结构（原子、分子或电子组态）的变化，转变成更为热力学稳定或平衡的状态，此即发生“固态相

西安交通大学固体相变导论（英）课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 固体相变导论（英） Introduction to Phase Transitions in Solids 课程编号 MATL501402 课程学分 1.5 总学时 24 学时分配 理论: 24 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 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 高等数学，大学物理，材料科学基础 教材、参考 书 及 其 他 资料 使用教材： [1] Rao C N R, Rao K J. Phase transitions in solids. Great Britain: McGraw-Hill, 1978. [2] Porter D A, Easterling K E. Phase transformations in metals and alloys. Oxford: Alden Press, 1981. [3] Otsuka K, Wayman C M. Shape Memory Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 1998. [4] Wadhawan V K. Introduction to Ferroic Materials. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 本课程是高等理工科院校材料科学与工程学科的专业基础选修课程。固态相 变研究各种固体组织结构的形成、稳定性及相互转变的一门学科。当一种固体材 料由于热力学条件（如温度、压力、作用于该固体的电场、磁场等）变化成为热 力学不稳定的时候，如果没有对相变的障碍存在，将会通过相结构（原子、分子 或电子组态）的变化，转变成更为热力学稳定或平衡的状态，此即发生“固态相

变”。固态相变是物理学家、化学家、冶金工作者等科研工作者极为关注的学科。这种跨学科的课程不仅具有学术意义，也极具工程技术重要性。本课程主要涵盖以下内容：相变热力学：晶体学及其和相变的关系；几种典型的固态相变，如马氏体转变、铁电相变、铁磁相变、有序无序转变、调幅分解、共析转变等；相变相关的物理性质等。本课程着重培养学生在热力学理论框架下固态相变物理一般性的理解。在此基础之上，本课程通过对几个典型固态相变的讲解，使学生能够延伸并理解更复杂固态相变及其相应的物理特性。要求学生通过本课程的学习，能够掌握固态相变的定义和分类方法，掌握固态相变的物理一般性的认识，了解和掌握固态相变的研究思想和通常手段。同时要求学生可以理解基于固态相变的智能机构体系的工作原理，并了解特定固态相变对材料体系机械及物理性能的影响及其重要工程意义。本课程以课堂教学为主，并鼓励学生在课堂上进行讨论。2.2课程的目标及学生应该达到的能力1材料与工艺设计与创新能力根据金属材料服役条件，选择合适的材料体系并制定热处理工艺，在材料选择和热处理工艺设计中体现创新意识，并能考虑社会、健康、安全、法律、文化和环境等因素。支撑毕业要求指标点3-3：针对材料领域的复杂工程问题，寻求合适的材料系统或工艺流程，在设计环节中体现创新意识，并能考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等因素。2与同行沟通交流能力培养学生用英语沟通与交流的能力，使学生能够针对材料及相关领域与班级同学、老师进行交流沟通。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561011121234789福课程目标课程目M标1

变”。固态相变是物理学家、化学家、冶金工作者等科研工作者极为关注的学科。 这种跨学科的课程不仅具有学术意义，也极具工程技术重要性。本课程主要涵盖 以下内容：相变热力学；晶体学及其和相变的关系；几种典型的固态相变，如马 氏体转变、铁电相变、铁磁相变、有序无序转变、调幅分解、共析转变等；相变 相关的物理性质等。本课程着重培养学生在热力学理论框架下固态相变物理一般 性的理解。在此基础之上，本课程通过对几个典型固态相变的讲解，使学生能够 延伸并理解更复杂固态相变及其相应的物理特性。 要求学生通过本课程的学习，能够掌握固态相变的定义和分类方法，掌握固 态相变的物理一般性的认识，了解和掌握固态相变的研究思想和通常手段。同时 要求学生可以理解基于固态相变的智能机构体系的工作原理，并了解特定固态相 变对材料体系机械及物理性能的影响及其重要工程意义。本课程以课堂教学为主， 并鼓励学生在课堂上进行讨论。 2.2 课程的目标及学生应该达到的能力 1 材料与工艺设计与创新能力 根据金属材料服役条件，选择合适的材料体系并制定热处理工艺，在材料选 择和热处理工艺设计中体现创新意识，并能考虑社会、健康、安全、法律、文化 和环境等因素。 支撑毕业要求指标点 3-3：针对材料领域的复杂工程问题，寻求合适的材料 系统或工艺流程，在设计环节中体现创新意识，并能考虑社会、健康、安全、法 律、文化及环境等因素。 2 与同行沟通交流能力 培养学生用英语沟通与交流的能力，使学生能够针对材料及相关领域与班级 同学、老师进行交流沟通。 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M标2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、教学内容简介序号参考章节名称知识点学时1I. What is a phase transition?Elements of phase transition,1.1OverviewofphasetransitionsDefinition of phase transition;31.2ClassificationsofphasetransitionFeatures ofphasetransition insolids1.3Significancesofphasetransition22. Thermodynamics of phase transitionsFree energy,2.1Thermodynamics laws3Entropy and enthalpy,2.2 Basic equations of phase transitionClausius-Clapeyron relationthermodynamics2.3 Landau theory3Homogeneous nucleation,3. Kinetics of phase transitionHeterogeneous nucleation;33.1 Nucleation in phase transitionNucleation rate,3.2Growth duringphase transitionAvramiequation4.CrystallographyandStructureAtomic Packing Factor;44.1Crystal systemsTheoretical density,24.2 Crystallographic direction and planeMiller index;4.3 Crystallography and X-rayEffects ofanisotropy,diffractionLatticecorrespondenceGeneral or narrow sense of55.TypicalphasetransitionsinSolidsorder-disordertransition;5.1 Order-disorder transitionOrder parameter,5.2 Martensitic transformation10Order degree,(ferroelastic transition)Lattice correspondence5.3Ferroelectric transitionHysteresis and latent heat;5.4 Ferromagnetic transitionCurie pointGlass Transition6Definitionofglasstransition6.1Amorphous and crystallization3Glass transition temperature;6.2 Strain glass transitionVogel-Fulcher relaxation;7四、教学安排详表

课 程 目 标 2 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. What is a phase transition? 1.1 Overview of phase transitions 1.2 Classifications of phase transition 1.3 Significances of phase transition Elements of phase transition; Definition of phase transition; Features of phase transition in solids 3 2 2. Thermodynamics of phase transitions 2.1 Thermodynamics laws 2.2 Basic equations of phase transition thermodynamics 2.3 Landau theory Free energy; Entropy and enthalpy; Clausius–Clapeyron relation; 3 3 3. Kinetics of phase transition 3.1 Nucleation in phase transition 3.2 Growth during phase transition Homogeneous nucleation; Heterogeneous nucleation; Nucleation rate; Avrami equation 3 4 4. Crystallography and Structure 4.1 Crystal systems 4.2 Crystallographic direction and plane 4.3 Crystallography and X-ray diffraction Atomic Packing Factor; Theoretical density; Miller index; Effects of anisotropy; Lattice correspondence 2 5 5. Typical phase transitions in Solids 5.1 Order-disorder transition 5.2 Martensitic transformation (ferroelastic transition) 5.3 Ferroelectric transition 5.4 Ferromagnetic transition General or narrow sense of order-disorder transition; Order parameter; Order degree; Lattice correspondence; Hysteresis and latent heat; Curie point 10 6 Glass Transition 6.1 Amorphous and crystallization 6.2 Strain glass transition Definition of glass transition; Glass transition temperature; Vogel-Fulcher relaxation; 3 7 四、教学安排详表

教学方式章节学时（授课、教学内容教学要求对课程目标顺序分配实验、上（知识要求及能力要求）的支撑关系机、讨论）课程从学生讨论生活中普遍存在的相变（不局限于固态相变）开始，尽量使学生了解到相变的普遍性及一般性规律；理授课、讨课程目标1第一章使用英语：讲授相变的普遍性：讲述清关于相变特征的描述，从而准确把握相变的论课程目标2相变的几种分类方式和标准：简述课物理特性。程集中讲授的固态相变及其重要性。掌握固态相变热力学驱动力的物理意义：了解主要讲述热力学四大定律：固态相变相变过程相关的热力学变量及其表征方法：了第二章授课相关的热力学变量及公式：简要介绍3课程目标1解固态相变如何完成能量的转化，从而对外界朗道理论。产生作用。掌握相变动力学与相变热力学之间的关系：掌讲述相变动力学一般性规律；着重讲握形核类型及其影响；了解形核速率的含义和第三章3授课授一级相变的相变动力学：形核和长课程目标1影响因素：了解新相长大速率的含义和影响因大。素。主要讲述固态相变相关的晶体学知掌握固态相变相关的晶体学知识：掌握结构相识：简要介绍X射线衍射检测方法，第四章2投课变的晶体学对应关系；了解X射线衍射在固态课程目标1以及对相变过程中晶体结构改变的测相变中的应用。定。主要讲述有序-无序相变、马氏体相掌握固态相变的物理一般性的认识，了解和掌变、铁电相变和铁磁相变等典型固态握固态相变的研究思想和通常手段。同时要求授课、讨课程目标1第五章10相变类型：着重展示固态相变的物理学生可以理解基于固态相变的智能机构体系论、自学课程目标2一般性：介绍基于固态相变的能量转的工作原理，并了解特定固态相变对材料体系机械及物理性能的影响及其重要工程意义。以换原理，以及在此基础上发展起来的

章节 顺序 教学内容 学时 分配 教学方式 （授课、 实验、上 机、讨论） 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标 的支撑关系 第一章 课程从学生讨论生活中普遍存在的相 变（不局限于固态相变）开始，尽量 使用英语；讲授相变的普遍性；讲述 相变的几种分类方式和标准；简述课 程集中讲授的固态相变及其重要性。 3 授课、讨 论 使学生了解到相变的普遍性及一般性规律；理 清关于相变特征的描述，从而准确把握相变的 物理特性。 课程目标 1 课程目标 2 第二章 主要讲述热力学四大定律；固态相变 相关的热力学变量及公式；简要介绍 朗道理论。 3 授课 掌握固态相变热力学驱动力的物理意义；了解 相变过程相关的热力学变量及其表征方法；了 解固态相变如何完成能量的转化，从而对外界 产生作用。 课程目标 1 第三章 讲述相变动力学一般性规律；着重讲 授一级相变的相变动力学：形核和长 大。 3 授课 掌握相变动力学与相变热力学之间的关系；掌 握形核类型及其影响；了解形核速率的含义和 影响因素；了解新相长大速率的含义和影响因 素。 课程目标 1 第四章 主要讲述固态相变相关的晶体学知 识；简要介绍 X 射线衍射检测方法， 以及对相变过程中晶体结构改变的测 定。 2 授课 掌握固态相变相关的晶体学知识；掌握结构相 变的晶体学对应关系；了解 X 射线衍射在固态 相变中的应用。 课程目标 1 第五章 主要讲述有序-无序相变、马氏体相 变、铁电相变和铁磁相变等典型固态 相变类型；着重展示固态相变的物理 一般性；介绍基于固态相变的能量转 换原理，以及在此基础上发展起来的 10 授课、讨 论、自学 掌握固态相变的物理一般性的认识，了解和掌 握固态相变的研究思想和通常手段。同时要求 学生可以理解基于固态相变的智能机构体系 的工作原理，并了解特定固态相变对材料体系 机械及物理性能的影响及其重要工程意义。以 课程目标 1 课程目标 2

智能材料的研究和应用。几种典型固态相变为题，学生根据兴趣自选其中一种，进行文献调研并完成自学报告的撰写。基于广义有序-无序相变的物理一般掌握玻璃态相变的物理一般性；了解到玻璃态授课、讨性，重新认识和理解结晶及非晶化相课程目标1第六章3转变温度：应变玻璃态相变温度的频率相关论变过程；讲述应变玻璃相变，及其与课程目标2性。马氏体相变的关系

智能材料的研究和应用。 几种典型固态相变为题，学生根据兴趣自选其 中一种，进行文献调研并完成自学报告的撰 写。 第六章 基于广义有序-无序相变的物理一般 性，重新认识和理解结晶及非晶化相 变过程；讲述应变玻璃相变，及其与 马氏体相变的关系。 3 授课、讨 论 掌握玻璃态相变的物理一般性；了解到玻璃态 转变温度；应变玻璃态相变温度的频率相关 性。 课程目标 1 课程目标 2