材料成形原理（上）教学大纲、授课计划

PAGEPAGE1《材料成形原理》（上）课程教学大纲课程概况开课单位材料学院材料成型系课程类型学科基础课/专业必修课课程名称材料成形原理（上）课程代码开课学期第5学期学时/学分56/3.5选课对象材料成型及控制工程专业先修课程物理化学，金属学与热处理课程教材祖方遒等.材料成形基本原理（第3版，高等教育国家级“十二五”规划教材）.北京：机械工业出版社，2016参考书目和资料W.Kurz&J.Fischer.FundamentalsofSolidification(4thedition),TransTechPublications,Switzerland,1998；张文钺.焊接冶金学（基本原理）.北京：机械工业出版社,2004；安阁英.铸件形成理论.北京：机械工业出版社,1990；课程简介：“材料成形原理”获批国家级精品课程及国家级精品资源共享课，合肥工业大学是全国该类课程唯一入选国家级精品课程的高校。课程（上）主要对材料凝固成形、焊接成形等近代材料成形技术中共同的现象、物理过程、基本规律，及两类成形技术的基本概念、基本原理加以阐述，使学生对材料成形过程原理及分析问题的方法有广泛而深入的理解，为专业学习奠定较为系统的理论基础。课程主要内容包括：液态金属和合金的结构、性质；金属与合金凝固过程形核、晶体生长的基本概念、基本原理、基本规律；结晶过程中的伴随现象与机理，凝固过程组织与成分分布的控制原理；液态成形过程中金属与气相、渣相之间的物理、化学冶金现象和内在规律；冶金处理对凝固组织与材料组织、性能的影响；各类缺陷的形成过程与机理、影响因素及其规律，及其控制技术与准则。课程目标(CourseObjectives,CO)对应的专业培养目标(LearningObjectives,LO)(CO1)掌握材料铸造与焊接过程相关凝固的物理过程、基本概念、基本规律及基本原理(LO3)具有坚实的机械工程、材料科学与工程技术的基础知识，了解本专业前沿和发展趋势(LO4)具有坚实的材料成型及控制工程的专业基础知识、专业知识和扎实的材料成型技术应用能力(CO2)掌握铸造与焊接过程的物理冶金与化学冶金基本原理与规律(CO3)掌握铸造与焊接成形过程各类缺陷形成的现象、规律与控制原理与方法教学方式(PedagogicalMethods,PM)eq\o\ac(□,√)PM1.讲授法教学40学时71.4%eq\o\ac(□,√)PM2.研讨式学习（课堂讨论、辩论）5学时8.95%eq\o\ac(□,√)PM3.案例教学5学时8.95%eq\o\ac(□,√)PM4.网络教学（资源学习、讨论）10学时xx%□PM5.角色扮演教学学时%eq\o\ac(□,√)PM6.体验学习（实验、创新实践）6学时10.7%□PM7.服务学习学时%eq\o\ac(□,√)PM8.自主学习（自学、分析、质疑）50学时xx%eq\o\ac(□,√)PM9.扩展学习（文献阅读、媒体）30学时xx%评估方式(EvaluationMethods,EM)eq\o\ac(□,√)EM1.课堂测试15%□EM2.期中考试%eq\o\ac(□,√)EM3.期末考试40%eq\o\ac(□,√)EM4.作业撰写10%eq\o\ac(□,√)EM5.实验分析报告5%□EM6.期末报告%□EM7.课堂演讲%□EM8.论文撰述%eq\o\ac(□,√)EM9.出勤率10%□EM10.口试%□EM11.设计报告%eq\o\ac(□,√)EM12.期中测验20%注：“课堂测试”为随教学进度安排的每1-2章的阶段测验（随堂10-15分钟），旨在促进同学及时复习巩固所学知识，强化运用相关知识分析及解决问题能力。

教学日历课次学时课程目标教学主要内容教学方式评估方式12CO1CO2CO3绪论：材料成形专业与国民经济装备制造业及高科技领域的关系，本课程的内涵与特点，专业学习中需注意的要点，本课程主要参考考书目及其它资源PM1EM1EM3EM4EM922CO11.1引言；1.2液态金属结构：液态物质结构特征、函数与主要参数，短程有序，能量起伏，结构起伏，浓度起伏，影响液态结构的因素，液体结构近年来新的突破和成果PM1-4PM8-932CO1CO31.3液态金属的粘度：粘度概念、物理意义及影响因素；1.4表面张力，界面张力与润湿角，影响因素与作用规律42CO1CO32.1充型能力的基本概念：流动性与充型能力概念与关系；2.2停止流动机理与充型能力；2.3影响充型能力的因素：金属性质、铸型性质、浇注条件及铸件结构的作用与规律52CO1实验一液态合金流动性测定PM6EM562CO1CO33.1传热基本原理：温度场与传热学的基本理论、基本方程，凝固温度场的求解方法；3.2铸造过程温度场：半无限大平板铸件凝固温度场解析解法，铸件凝固时间计算PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM9723.2铸造过程温度场：界面热阻，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；823.3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92CO14.1引言：凝固概念与总体概述；4.2液-固相变驱动力及过冷度：液固相变驱动力，动力学过冷、曲率过冷、压力过冷、热过冷以及成分过冷；4.3凝固形核：均质形核的形核功、临界半径、形核率PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM91024.3凝固形核：非均质形核功、临界半径、形核率、临界过冷度及其与均质形核的比较，非均质形核的形核条件；4.4晶体生长：固液界面的微观结构概念、本质、判据与影响因素，不同界面属性晶体生长方式、速度112CO15.1凝固过程中溶质再分配：溶质平衡分配系数K0定义及物理意义，四种条件下的溶质再分配物理过程、规律及数学归纳PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM9EM1EM3EM4EM91225.2合金凝固界面前沿的成分过冷：“成分过冷”条件和判据及其影响因素；5.3成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响：现象、过程与规律，等轴晶形成与内生生长；132CO1CO15.4界面稳定性动力学分析（概述）；5.5枝晶间距：概念、影响因素、机制与规律；6.1共晶组织的分类与特点PM1-4PM8-9PM1-4PM8-91426.2规则共晶的凝固：界面过冷度片层距的最小过冷度准则，棒状或纤维状共晶生长；6.3共晶与枝晶相的竞争生长：单相及两相两种界面失稳及其影响因素，偏离平衡相图的共晶共生区，离异生长及离异共晶1526.4非小平面-小平面非规则共晶的结晶：一般特征及形成机制，灰口铸铁的非规则共晶结晶，Al-Si合金的非规则共晶结晶；6.5包晶凝固：包晶合金的平衡凝固，非完全包晶转变，包晶相的直接凝固，包晶转变中的相竞争及复杂性162CO17.1铸件的宏观组织：铸件的宏观组织表面激冷区及柱状晶区的形成：条件与转换规律；7.3内部等轴晶的形成机理：成分过冷，晶粒熔断、游离与增殖PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM91727.4铸件宏观结晶组织的控制：浇注工艺和冷却条件的作用，孕育处理方法与原理，动力学细化方法；7.5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；8.特殊条件下的凝固与成形（概述）182CO1实验二振动条件下结晶与铸件宏观组织的观察PM6EM5192CO2CO39.1气体的来源与产生：焊接区与铸造过程气体的来源、产生、分解与主要种类；9.2气相在金属中的溶解：气体的溶解过程、气体的溶解度，温度和压力的影响（平方根定律）PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM92029.2气相在金属中的溶解：影响因素及规律；9.3气体析出条件；9.4氧化性气体对金属的氧化；7.5气体控制措施212CO2CO310.1渣相的作用与形成：熔渣分类、来源、构成与作用；10.2渣体结构及碱度：分子理论与离子理论，熔渣的碱度PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM922210.3渣相的物理性质：熔渣凝固温度与密度，熔渣粘度及其意义；“长渣”和“短渣”，熔渣的表面张力、界面张力；10.4活性熔渣对金属的氧化：熔渣氧化性及其因素，分配定律232CO2CO311.液态金属的净化与精炼：11.1液态金属的脱氧；11.2脱碳精炼反应；11.3液态金属的脱硫；11.3液态金属的脱磷242CO2CO312.焊接热影响区的组织与性能12.1焊接热循环：特征与参数；12.2焊接热循环条件下的金属组织转变特点：与热处理相比的异同点；12.3焊接热影响区的组织与性能：不易淬火钢及易淬火钢的热影响区分布、相应组织及性能变化PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM9252CO313.1合金中的成分偏析：分类、特点、形成原因及影响规律；13.2气孔与夹杂：分类及特征，形成机理与预防原则；13.3缩孔与缩松：分类及特征、形成机理、影响因素及预防原则；PM1-4PM8-9EM1EM3EM4EM9262CO313.4应力与变形：形成原因及机理、控制措施；13.5热裂纹：分类及形成机理、影响因素及防止措施；272CO313.6冷裂纹：分类及形成机理，影响因素及防止措施282CO3实验三液态金属成形中的结晶裂纹倾向试验PM6EM5期末考试总学时56其中课内50学时，实验6学时，上机0学时授课教师信息一览表姓名祖方遒陈文琳李萍电子邮箱fangqiuzu@chenwl@li_ping@电话62905057接待咨询地点材料楼S303材料楼s315材料楼s419接待咨询时间工作时间工作时间工作时间姓名程和法张博黄中月电子邮箱Chf796@163.combo.zhang@zhuang1981@电话182551692731829794806918919638245接待咨询地点材料楼S311材料楼809接待咨询时间工作时间工作时间工作时间

4教学内容及要求第一章液态金属的结构和性质教学要求：了解液态金属结构特征与主要性质方面的基本知识，理解液态结构与性质的基本概念、物理意义及其与材料成形的关系，掌握液体主要结构和性能参数的影响因素及规律。教学重点：液态结构特征及“能量起伏”、“结构起伏”、“浓度起伏”；液体的粘度、表面张力、界面张力与润湿性。教学难点：表面张力引起的曲面两侧压力差、液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）第二章液态金属的充型能力教学要求：了解液态金属充型能力的基本概念，理解充型能力的意义、作用与机制，掌握充型能力的影响因素与规律。教学重点：充型能力与铸造过程及质量的关系；不同类型液态金属与合金停止流动机理及特征；充型能力的影响因素与规律：结晶温度范围、金属结晶潜热等热物理性质、铸型性质、浇注条件方面的因素。教学难点：充型能力与流动性概念的关系与区别。第三章凝固温度场教学要求：了解铸造及焊接温度场方面的特征与相关基本知识，理解温度场在铸造及焊接过程中的意义与作用，掌握铸造及焊接温度场主要参数及其影响因素与规律。教学重点：界面过冷度片层距的最小过冷度准则，棒状或纤维状共晶生长；。教学难点：动态凝固曲线，如何把握“固、液边界线→某时刻铸件断面凝固状况”，凝固区间及温度梯度如何影响凝固方式第四章晶体形核与生长教学要求：了解凝固一般过程及晶体形核与生长方面相关基本知识，理解，掌握晶体特征参数及其影响因素与规律。教学重点：液-固相变驱动力及过冷度；均质形核与非均质形核物理过程与区别：形核功、临界半径、形核率、临界形核过冷度；液固界面微观结构与类型、本质、判据与影响因素；晶体生长不同方式及其机制，生长速度。教学难点：均质形核与非均质形核主要特征参数与区别；界面微观结构的热力学本质。第五章单相合金凝固教学要求：了解单相合金凝固相关现象、特征与基本知识，理解4种成分再分配物理过程、成分过冷形成条件、单相固溶体结晶方式等方面的，掌握成分再分配与成分过冷影响因素与规律，以及成分过冷对单相固溶体结晶方式作用规律，枝晶间距及其形成规律。教学重点：凝固过程中溶质再分配的物理过程及基本规律；凝固过程界面稳定性；成分过冷形成条件及判据；成分过冷对单相固溶体结晶方式的作用规律；枝晶间距及影响。教学难点：液相只有有限扩散条件下的成分再分配物理过程及规律；成分过冷形成条件的物理模型及判据的推演；由“胞状晶”向“柱状树枝晶”过渡过程。第六章多相合金凝固教学要求：了解多相合金之共晶、包晶凝固的分类、特征、相关基本知识，理解规则共晶、非规则共晶、包晶凝固的物理过程和微观机制，掌握共晶、包晶这两大类凝固方式的基本规律及组织控制原理。教学重点：层片状规则共晶凝固过程中的物理过程及基本规律：界面过冷度片层距的最小过冷度准则；共晶与枝晶相的竞争生长，共晶共生区；非小平面-小平面非规则共晶的结晶物理过程及基本规律。教学难点：层片状规则共晶凝固过程中的非小平面-小平面非规则共晶形成机制与规律。第七章铸件及焊缝宏观组织及其控制教学要求：了解铸件宏观组织分布、特征、相关基本知识，以及焊缝熔池凝固基本特征；理解微观机制，掌握铸件宏观组织、焊缝组织形成的基本规律及组织控制原理。教学重点：内部等轴晶的形成机理：成分过冷理论，晶粒熔断、游离与增殖理论；铸件宏观结晶组织的控制方法与作用原理：孕育处理，动力学细化；焊缝结晶的特征与规律。教学难点：铸件宏观组织之。第八章特殊条件下的凝固教学要求：了解定向凝固、快速凝固、失重条件下等凝固组织特征；理解，掌握相关特殊凝固的方法与控制要点。教学重点：定向凝固、快速凝固、失重条件下等凝固组织特征与形成机制。教学难点：快速凝固组织与成分形成规律。第九章液态金属与气相的相互作用教学要求：了解铸造及焊接过程气体来源、分类、有害作用等相关基本知识；理解机制，以及对金属的氧化判据，掌握影响气体溶解程度的影响因素与作用规律以及控制原则。教学重点：焊接及铸造过程中N2、H2、O2、CO2和H2O等气体的气相分布；简单/复杂气体的分解及其与温度的关系；气体溶解度及其与温度、压力、合金系、工艺参数的关系（平方根定律）；金属的氧化。教学难点：注意焊接、铸造气相的异同点，区别不同合金系的气体溶解规律。第十章液态金属与熔渣的相互作用教学要求：了解铸造及焊接过程渣相的形成、分类、特征与作用等相关基本知识；理解，氧化物在渣相、金属液两相中的平衡浓度的分配定律及其氧化和还原的基本原理；掌握渣体结构及碱度的分子理论、离子理论的要点。教学重点：熔渣的结构与碱度概念与相关理论，熔渣的氧化性与温度及酸碱性的关系，渣相的物理性质及其与材料成型加工质量的关系。教学难点：电弧焊药皮“长渣”和“短渣”的概念及其与熔渣成分及结构的关系，“分配的律”及其影响因素、判断氧化或还原的原理。第十一章液态金属的净化与精炼教学要求：了解主要冶金反应相关基本知识；理解；掌握主要冶金反应的影响因素与控制准则。教学重点：、沉淀、扩散脱氧原理、影响因素、工艺原则；熔渣脱硫原理、影响因素、工艺原则；熔渣脱磷原理、影响因素、工艺原则；。教学难点：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。第十二章焊接热影响区的组织与性能教学要求：了解焊接热循环的概念、特征、主要参数及意义，焊接条件下热影响区的组织转变特点；理解；掌握。教学重点：焊接加热与冷却过程组织转变与热处理过程的异同点；不易及易淬火钢热影响区分布及对应温度区间、组织、性能改变规律。教学难点：焊接热影响区脆性组织形成及其对性能的影响。第十三章焊接热影响区的组织与性能教学要求：了解凝固缺陷及热应力、冷裂纹等缺陷的分类、特征等相关基本知识；理解；掌握各类缺陷的影响因素与控制准则。教学重点：凝固微观偏析和宏观偏析形成；气孔与夹杂形成；凝固收缩、缩松与缩孔；。教学难点：热裂纹及冷裂纹形成形成机理及其与影响因素关系的理解。学年第1学期材料成形原理(上)课程教学日历周次日期课堂教学内容作业、实验内容备注章节题目名称及主要内容学时主要内容名称学时102016年11.2～11.4绪论+第一章液态金属的结构和性质§1-1引言§1-2液态金属的结构§1-3液态金属的粘度4各章节教学完成之后均留有作业1111.7～11.11学校统一的期中考试周1211.14～11.18§1-4液态金属的表面张力第二章液态金属的充型能力（§2-1、§2-2、§2-3）61311.21～11.25第三章凝固温度场§3-1传热基本原理§3-2铸件凝固温度场的解析解法§3-3熔焊过程温度场6实验一合金流动性的测定21411.18～12.2第四章晶体形核与生长§4-1引言§4-2液固相变驱动力及过冷度§4-3凝固形核§-4晶体长大第五章单相合金凝固§5-1凝固过程中溶质再分配61512.5～12.9§5-2合金凝固界面前沿的成分过冷§5-3“成分过冷”对合金单相固溶体结晶形态的影响§5-4（自学）§5-5枝晶间距第六章多相合金凝固§6-1共晶组织的分类与特点§6-2规则共晶凝固61612.12～12.16§6-3共晶与枝晶相的竞争生长§6-4非小平面