《材料成形原理》教学大纲.docx
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《材料成形原理》教学大纲
《材料成形原理》教学大纲
一、课程的目的和任务
《材料成形原理》是材料成形及控制专业主要的院定必修课之一。
本课程的任务是对材料的凝固成形、塑性成形、焊接成形等近代材料成形技术中共同的物理现象、基本规律及各成形技术的基本原理、理论基础、分析问题的方法加以阐述，使学生对材料成形过程及原理有深入广泛的实质性理解，为后续的成形技术具体工艺方法、设备控制等课程的学习，为开发新材料及其成形技术、分析和解决成形过程中的质量缺陷问题奠定理论基础。
二、本课程的基本要求
1.了解液态金属和合金的结构、性质。
掌握液态金属与合金凝固结晶的基本规律及结晶过程中的伴随现象，了解冶金处理对凝固组织与材料性能的影响。
2.掌握焊缝及热影响区组织、性能形成的基本原理和规律。
3.掌握材料成形过程中的物理、化学冶金现象及内部规律。
4.掌握塑性成形力学基础理论、塑性成形过程中的分析方法与原理。
5.掌握材料成形过程缺陷形成特点、机制及控制方法。
三、与其它课程的联系与分工
本课程的理论基础是数学、物理、物理化学、冶金传输原理、工程力学、金属学与热处理。
本课程重点在于阐述成形技术的理论基础、基本原理、分析问题的方法，而不涉及具体成形工艺方法及参数。
各种具体的成形工艺方法、原理过程及控制等将在后续专业课程中学习。
四、课程内容与学时分配
章次
内容
总学时数
课堂讲授学时数
实验时数
绪论
1
1
一
液态金属的结构和性质
6
6
二
凝固温度场
7
5
2
三
金属凝固热力学与动力学
5
5
四
单相及多相合金的结晶
7
7
五
铸件及焊缝凝固组织及其控制
6
4
2
六
特殊条件下的凝固与成形
1
1
七
液态金属与气相的相互作用
4
4
八
液态金属与渣相的相互作用
4
4
九
液态金属的净化与精炼
3
3
十
焊接热影响区的组织与性能
4
4
十一
凝固缺陷及控制
8
6
2
十二
金属塑性成形的物理基础
4
4
十三
应力分析
6
6
十四
应变分析
4
4
十五
屈服准则
4
4
十六
材料本构关系
8
6
2
十七
金属塑性变形与流动问题
6
4
2
十八
塑性成形力学的工程应用
8
8
五、本课程的性质及适应对象
材料成形及控制工程专业必修课。
教学大纲内容
第一篇
绪论
绪论介绍本课程的目的和任务，材料成形内容及其在国民经济、国防、高技术领域的意义，各种材料成形技术原理（凝固、焊接及冶炼过程冶金、粉末冶金、塑性成形）的发展历史、现状与趋势。
教学要求及重点：
使学生理解“材料成形”的重要性及《材料成形原理》课程所要掌握的主要内容，对本专业有整体的了解，激发学生的专业兴趣和学习热情。
第一章液态金属的结构和性质
本章将以液态金属为例，概要介绍有关液体结构的知识，并注意体现近年来新的突破和成果。
对液体的性质，主要讨论与液态成形相关的粘度和表面张力。
§1-1引言
§1-2液态金属的结构
液体与固体、气体结构比较及衍射特征；液态金属结构的理论模型：
无规密堆硬球模型、液态金属结构的晶体缺陷模型、液体结构及粒子间相互作用的理论描述；实际金属的液态结构；
§1-3液态合金的性质
液态合金的粘度及其影响因素及其在材料成形中的意义；表面张力的实质及影响表面张力的因素及其在材料成形中的意义；
§1-4液态金属的充型能力
液态金属充型能力的基本概念、液态金属停止流动机理与充型能力；影响充型能力的因素
第二章凝固温度场
液态金属从液态转变为固态的凝固过程涉及到传热、传质和固液界面动力学等三方面问题，而质量传输、界面推进速度都与热量传输、温度分布密切相关。
因此，凝固温度场的研究，是研究凝固宏观与微观过程（包括凝固形核与长大、结晶组织形态、凝固应力与缺陷）的基础。
§2-1传热基本原理
温度场与传热学的基本理论及基本方程；
§2-2铸件凝固温度场的解析解法
凝固温度场的求解方法；铸件凝固温度场的解析解法；铸件凝固时间计算；界面热阻与实际凝固温度场；铸件凝固温度场的获得及动态凝固曲线；铸件凝固方式及其影响因素；
§2-3熔焊过程温度场
焊接温度场的特点；熔焊过程温度场的基本类型及影响温度场的因素；焊接工艺参数及焊件的热物理性能对焊接温度场的影响规律
第三章金属凝固热力学与动力学
本章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学
§3-1凝固热力学
阐明过冷度ΔT是影响相变驱动力的决定因素，ΔT越大，凝固相变驱动力ΔGV越大；K0的定义、物理意义及“偏析系数”∣1-K0∣；
§3-2均质形核
阐明均质形核的临界半径、形核功、形核率等概念，及其相关公式
§3-3非均质形核
阐明非均质形核形核功；非均质形核形核条件；分析并阐明，通常情况下，接触角
远小于180o，所以，非均质形核功ΔG
远小于均质形核功ΔG
，
越小，ΔG
小，夹杂界面的非均质形核能力越强，形核过冷度越小；
§3-4晶体长大
液-固界面自由能及界面结构类型、本质及其判据；晶体长大方式
第四章单相及多相合金的结晶
本章从凝固过程溶质再分配的规律谈起，着重讨论所涉及到的“成分过冷”条件及其对合金凝固组织的影响规律、单相固溶体合金及多相合金的凝固。
并为后续章节的内容的讨论奠定基础。
§4-1凝固过程中溶质再分配
平衡凝固条件下的溶质再分配；固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配；固相中无扩散而液相中只有扩散的溶质再分配；液相中部分混合（有对流作用）的溶质再分配；
§4-2合金凝固界面前沿的成分过冷
“成分过冷”条件和判据；“成分过冷”的过冷度及其特性因素；
§4-3“成分过冷”对合金单相固溶体结晶形态的影响
热过冷及其对纯金属液固界面形态的影响；“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响规律；分过冷作用下的胞状组织的形成及其形貌；较宽成分过冷作用下的枝晶生长；自由树枝晶的生长；枝晶间距
§4-4共晶合金的结晶
共晶组织的分类及特点；非平衡状态下的共晶共生区；离异生长及离异共晶；层片状共晶组织的形核及长大；棒状共晶生长；非小晶面—小晶面共晶合金的结晶
第五章铸件宏观组织及其控制
本章基于前面几章所讨论的凝固基本原理和规律，进一步探讨实际铸件及焊缝的宏观凝固组织特征、规律、机理及控制方法。
§5－1铸件的宏观组织
铸件的宏观组织（通常）类别：
，并分析各晶区组织的形成机理，及他们之间的相互联系及控制关键和途径：
§5－2表面激冷区及柱状晶区的形成
稳定凝固壳层的产生，及其决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡；阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成
§5－3内部等轴晶的形成机理
过冷熔体独立生核的能力↑和各种形式晶粒脱落（或熔断）、游离、增殖的程度↑——→抑制柱状晶区，扩大等轴晶区，细化等轴晶组织
§5－4铸件宏观结晶组织的控制
促进及细化等轴晶机理分析及三方面控制措施：
合理地控制浇注工艺和冷却条件；孕育处理；动力学细化
§5－5焊接熔池凝固
熔池凝固条件及结晶特征、熔池结晶组织的细化；影响焊接弯曲柱状晶形态的因素
第六章特殊条件下的凝固与成形
特殊条件，是指与传统的铸件（锭）凝固过程不同的条件。
限于课时，只对快速凝固、失重条件下的凝固和定向凝固作大体介绍
§6-1绪论
§6-2快速凝固
§6-3失重条件下的凝固
§6-4定向凝固
第七章液态金属与气相的相互作用
在焊接或熔炼过程中，液态金属会与各种气体发生相互作用，从而对焊件或铸件的性能产生影响。
本章着重介绍各种气体的来源、气体与金属的相互作用机制、气体对金属质量的影响以及控制气体的措施等。
§7-1气体的来源与产生
焊接区气体的来源与产生；铸造过程中的气体来源：
熔炼过程、浇注过程、铸型反应
§7-2气相在金属中的溶解
气体的溶解过程、气体的溶解度及其影响因素：
温度和压力的影响（平方根定律）；金属吸收气体为吸热反应：
△H为正值，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应：
△H为负值，溶解度随温度的上升而降低。
合金成分的影响；电流极性的影响；焊接区气氛性质的影响（氧化性气氛中，[N]↑适当提高气相的氧化性气氛，可降低[H]）；焊接工艺参数的影响（电流、电压影响）
§7-3气体在金属中的析出
气体在金属中的析出的条件
§7-4氧化性气体对金属的氧化
金属氧化还原方向的判据：
{pO2}>pO2时，金属被氧化；{pO2}=pO2时，处于平衡状态；{pO2}比较各种金属自由氧化物的分解压高低及稳定性（图7-14），阐明合金元素氧化顺序及脱氧剂的选用原则
自由氧对金属的氧化；
§7-5气体的影响与控制
气体的控制措施；重点：
降低焊缝中的含氢量的措施：
CaF2在碱性及酸性焊条药皮去氢机理；控制焊接材料的氧化势
第八章液态金属与渣相的相互作用
焊接过程中或合金熔炼过程中，和液态金属接触并发生化学冶金反应的除了气体介质之外，还有高温下熔融的液态熔渣。
了解熔渣的特性，对于控制焊接、铸造过程中的化学冶金反应十分重要。
§8–1渣相的作用与形成
熔渣的分类；熔渣的来源与构成；渣相的作用:
1.机械保护作用：
①避免液态金属中合金元素的氧化烧损；②防止气相中的氢、氮、氧、硫等直接溶入；③减少液态金属的热损失。
2.冶金处理作用熔渣与液态金属之间冶金反应：
①去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和去氢；②去除液态金属中非金属夹杂物；③焊接过程中调整焊缝合金成分。
3.改善成形工艺性能作用适当的熔渣（或焊条药皮）——有利①焊接及熔炼过程的引弧、稳弧；②改善脱渣性能及焊缝外观成形；③电渣熔炼中的熔渣作为电阻发热体，重熔并精炼金属。
§8–2渣体结构及碱度
渣体结构及碱度：
分子理论与离子理论、熔渣的碱度；
§8–3渣相的物化性质
熔渣的凝固温度与密度；熔渣的粘度及其意义；“长渣”和“短渣”（药皮焊条电弧焊）；熔渣的表面张力及界面张力
§8–4活性熔渣对金属的氧化
熔渣的氧化性、熔渣的氧化性与温度及酸碱性的关系；扩散氧化（在一定温度下，它在两相中的平衡浓度符合分配定律）；置换氧化；
第九章液态金属的净化与精炼
在材料成形加工过程中，液态金属都表现出易与气相和渣相互相作用的特性，导致金属及其合金中含有过多的有害元素、气体和非金属夹杂物，它们会直接影响其冶金质量及产品的内在质量。
所以，在材料成形过程中需要对液态金属进行净化处理，以保证产品质量。
为了便于集中阐述问题，本章以钢铁为研究对象专门讲述去除有害元素的净化。
其中主要内容包括脱氧、脱硫、脱磷和脱碳精炼等问题。
§9–1液态金属的脱氧
先期脱氧（焊接）、预脱氧（熔炼）、沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧；各种脱氧原理的概念及优、缺点；锰、硅沉淀的脱氧的比较，温度、熔渣的性质对其脱氧效果的影响；
§9–2液态金属的脱碳反应
液态金属的脱碳精炼反应原理、目的及工艺原则；
§9–3液态金属的脱硫
液态金属的脱硫原理及脱硫效果的影响因素、目的及工艺原则；
§9–4液态金属的脱磷
液态金属的脱磷原理及脱磷效果的影响因素、目的及工艺原则；
第一十章焊接热影响区的组织与性能
熔焊时在高温热源的作用下，靠近焊缝两侧的一定范围内发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”（HeatAffectZone），或称“近缝区”（NearWeldZone）。
焊接接头主要是由焊缝和热影响区两大部分组成，其间存在一个过渡区，称为熔合区，如图10-1所示，因此要保证焊接接头的质量，就必须使焊缝和热影响区的组织与性能同时都达到要求。
本章以钢铁为主要对象专门讲述焊接热循环、焊接热循环条件下的金属组织转变特点、焊接热影响区的组织与性能等问题。
§10–1焊接热循环
焊接热循环的参数及特征；焊接热循环的特殊性；焊接热循环参数的意义、计算及其影响因素
§10–2焊接热循环条件下的金属组织转变特点
焊接加热过程的组织转变；焊接冷却过程的组织转变；焊接热过程几个特点及其对焊接加热、冷却过程的相变点和组织转化的影响（与热处理相比）；
§10–3焊接热影响区的组织与性能
焊接热影响区的组织分布：
不易淬火钢的热影响区组织：
阐明不易淬火钢热影响区中不同部位（四个区：
熔合区、过热区（粗晶区）、相变重结晶区（正火区或细晶区）、不完全重结晶区）加热达到的最高温度、组织及性能变化特征；
易淬火钢热影响区的组织：
阐明易淬火钢热影响区中不同部位（完全淬火区、不完全淬火区）加热达到的最高温度、组织及性能变化特征；
焊接热影响区的硬化、脆化、软化的原因及影响因素
§10-4焊接热模拟技术（概略介绍其目的、原理、方法及其发展趋势）
第十一章凝固缺陷及控制
凝固缺陷是金属在冷却凝固过程中极易出现的一类缺陷，它们以不同的类型和形态存在于固态金属中，对金属的性能产生不同程度的影响。
本章主要介绍偏析、气孔、夹杂、缩孔、缩松和裂纹等重要凝固缺陷的形成机理、影响因素及控制措施。
§11-1合金中的成分偏析
偏离分类，各类偏离的特征、形成原因及影响规律；
§11-2气孔与夹杂
气孔的分类及特征，气泡的生核、长大及上浮，气孔的形成机理，防止气孔产生的措施；夹杂物的形成及防止措施
§11-3缩孔与缩松
液态收缩阶段（I）、凝固收缩阶段（II）和固态收缩阶段（III）；缩孔与缩松的分类及特征，缩孔与缩松的形成机理，影响缩孔与缩松的因素及防止措施；
§11-4应力
应力与变形：
应力的形成原因及机理，控制应力的措施，变形及控制变形的措施；
§11-5热裂纹
热裂纹的分类及形成机理，热裂纹的影响因素及防止措施；
§11-6冷裂纹
冷裂纹的分类及形成机理，热裂纹的影响因素及防止措施；
第二篇
绪 论
本章首先介绍了金属塑性成形在国民经济中的地位和塑性加工理论的发展概况，并介绍了本课程的任务。
本章的教学要求为重点掌握塑性加工在国民经济中的地位，了解塑性加工理论的概况。
本章的教学重点在于介绍塑性加工在国民经济中的地位；简述塑性加工理论的发展概况。
第13章金属塑性成形的物理基础
本章主要介绍了金属塑性成形的基本概念、特点及其分类，从理论上分析了金属塑性变形的机制，指出塑性加工中金属的组织与性能的变化规律，包括冷变形和热变形对金属的组织性能的影响。
接着介绍了塑性的指标及其测量方法及塑性图，指出影响金属塑性的因素，最后介绍了变形抗力概念及变形抗力的影响因素。
本章的教学重点在于：
金属塑性成形的定义、特点；塑性图、金属多晶体塑性变形的主要机制、影响金属塑性的因素、加工硬化和动态软化，金属的超塑性。
第14章应力分析
应力分析是塑性变形的力学基础之一。
本章讨论了应力分析的方法及各种相关方程。
介绍了张量的基本知识，外力、内力、应力概念，点的应力状态概念、描述方法；斜面应力的确定；应力边界条件；应力张量不变量；主应力图；应力张量分解；等效应力、应力平衡微分方程及应力莫尔圆等。
本章的教学重点在于点的应力状态分析，任意斜面上应力公式，应力张量的分解与应力平衡微分方程以及应力莫尔圆；
第15章应变分析
应变分析是塑性变形的力学基础。
本章讨论了应变分析的方法及各种相关方程。
位移、应变；点的应变状态概念、描述方法；任意方向上应变的确定；应变张量与不变量；应变张量分解；小应变几何方程、应变连续方程概念与意义，塑性变形体积不变；应变增量张量与应变速率张量定义、意义，对数应变（真实应变），以及平面问题和轴对称问题中应力状态和应变状态。
本章的教学重点在于几何方程，点的应变状态，应变增量，应变速率张量，主应变图与变形程度表示。
第16章屈服准则
本章主要介绍了拉伸图和材料条件应力-应变曲线、真实应力-应变曲线及其在塑性失稳点特性、材料模型；屈服准则的概念、屈雷斯加（H.Tresca）屈服准则、密塞斯（VonMises）屈服准则及二者的差异以及屈服准则的空间和平面的几何表达，最后介绍了
平面上的屈服轨迹以及应变硬化材料的屈服与加载表面。
本章的教学重点在于拉伸图和材料条件应力-应变曲线、真实应力-应变曲线及其在塑性失稳点特性；屈服准则的概念、屈雷斯加（H.Tresca）屈服准则、密塞斯（VonMises）屈服准则以及屈服准则的空间和平面的几何表达及
平面上的屈服轨迹。
第17章材料本构关系
本构方程是求解塑性变形问题的基本方程。
本章主要介绍了弹性应力应变关系、塑性应力应变关系、增量理论、全量理论；粉末体塑性成形的基本假设及粉末体变形的屈服准则及应力应变关系，最后介绍了金属的粘塑性行为及粘塑性本构方程，聚合物熔体的流变特性。
本章的教学重点在于塑性变形的塑性应力应变关系、增量理论和全量理论。
第18章金属塑性变形与流动问题
本章主要讨论金属塑性加工过程中塑性流动的一些宏观规律，如最小阻力定律、影响金属塑性变形和流动的因素；不均匀变形、附加应力与残余应力；并介绍了金属塑性加工时的摩擦的特点及作用，分析了塑性加工中摩擦的分类及机理，简述了摩擦系数及其影响因素，讲解了塑性成形时摩擦力的计算、测定摩擦系数的方法和塑性成形中的工艺润滑。
本章的教学重点在于最小阻力定律，影响金属塑性流动与变形的因素，不均匀变形、附加应力和残余应力。
塑性加工中摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测定摩擦系数的方法，塑性加工的工艺润滑。
第19章塑性成形力学的工程应用
本章主要介绍了金属塑性成形问题的求解方法，并主要介绍了主应力法及其求解要点。
并以平面应变镦粗的变形力、轴对称镦粗的变形力的求解问题为例讲述主应力法的应用；
介绍了滑移线理论法基本概念和基本理论，滑移线的主要特性、滑移线场的建立及采用滑移线求解平冲头压入半无限体和平砧横镦圆断面轴的问题；讨论了塑性极值原理及上限法，讲解速度间断面及其速度特性，以及上限法在求解平冲头压人半无限体问题及轴对称问题中的应用。
本章的教学重点在于主应力法的求解的要点；滑移线理论法概念，汉基应力方程的推导、滑移线的特性的理解，应力边界条件的确定和滑移线场的绘制的数值计算方法；极值原理及上限法，速度间断面及其速度特性，重点掌握主应力法和滑移线法的应用.
建议选用教材和参考书目
选用教材：
《材料成形基本原理》，刘全坤主编，机械工业出版社
主要参考书：
⏹W.Kurz,FundamentalsofSolidification（4thedition）,TransTechPublications,Switzerland,1998；（英语好的同学）
⏹M.C.Flemings著，关玉龙等译，凝固过程，冶金工业出版社，北京：
1981；
⏹周振丰著.铸铁焊接冶金与工艺.北京：
机械工业出版社,2001；
⏹汪大年主编.金属塑性成形原理.北京：
机械工业出版社，1986；
⏹陈金德,邢建东主编.材料成型技术基础.北京：
机械工业出版社，2000
⏹陈平昌等主编，《材料成形原理》，机械工业出版社；
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