《材料成形原理》教学大纲

《材料成形原理》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：03141161课程性质：专业必修课学分：3学分学时：48学时（理论48学时）先修课程：高等数学、机械制图、材料科学基础等后续课程：冲压工艺及模具设计、塑料成型工艺及模具设计、材料成形数字化设计等适用专业：材料成型及控制工程开课单位：材料科学与工程学院一、课程说明《材料成形原理》是材料成型及控制工程专业本科学生的专业必修课。本课程主要阐明液态成凝固形、焊接成形、塑性成形等近代材料成形技术中共同的基本规律及物理现象；阐述材料成形过程中的凝固与冶金原理；揭示材料成形过程中影响材质和制品性能的因素及缺陷形成的机理。通过本课程的学习使学生对液态金属成形过程及塑性成形有深入的实质性的理解；能从本质上认识和分析材料成形过程中产生的实际问题和提出解决问题的途径；为今后学习成形技术的具体工艺方法、设备控制等课程，为开发新材料、新的成形技术奠定坚实的理论基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：了解材料成型及控制工程领域的最新发展动态，了解新工艺、新技术、新的成形理论等方面的发展现状及趋势；掌握各种材料成形的基本原理、理论基础和分析问题的方法，能够运用材料成形的基本原理分析和解决液态成形、焊接成形、塑性成形等材料成型领域工程问题并能够提出初步的解决方案；使学生树立严谨求实的职业精神，激发学生的创新思维。课程目标2：具有一定的工程材料选用和成型工艺分析的能力，能够对材料成型领域的工程应用问题进行研究和方案设计；具有的获取新知识、掌握科技发展新动态的自主学习能力，培养学生的实践能力和团队协作能力。课程目标3：理解行业标准、法律法规、及相关知识产权、行业政策，树立科学的世界观、人生观和价值观；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识；具有健康的体魄、良好的心理素质、较高的人文科学素养，树立正确的审美观念和劳动精神、劳动意识。三、课程目标与毕业要求《材料成形原理》课程教学目标对材料成型及控制工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.1能正确使用技术语言表达材料成型专业领域的复杂工程问题。课程目标1：了解材料成型及控制工程领域的最新发展动态，了解新工艺、新技术、新的成形理论等方面的发展现状及趋势；掌握各种材料成形的基本原理、理论基础和分析问题的方法，能够运用材料成形的基本原理分析液态成形、焊接成形、塑性成形等材料成型领域工程问题并能够提出初步的解决方案；使学生树立严谨求实的职业精神，激发学生的创新思维。H1.2能针对具体对象建立数学模型并求解。课程目标1：了解材料成型及控制工程领域的最新发展动态，了解新工艺、新技术、新的成形理论等方面的发展现状及趋势；掌握各种材料成形的基本原理、理论基础和分析问题的方法，能够运用材料成形的基本原理分析液态成形、焊接成形、塑性成形等材料成型领域工程问题并能够提出初步的解决方案；使学生树立严谨求实的职业精神，激发学生的创新思维。H2.问题分析2.2能够应用数学、自然科学基本原理，对复杂材料成型及控制工程问题进行表述。课程目标2：具有一定的工程材料选用和成型工艺分析的能力，能够对材料成型领域的工程应用问题进行研究和方案设计；具有的获取新知识、掌握科技发展新动态的自主学习能力，培养学生的实践能力和团队协作能力。H2.3能够运用相关知识，并通过文献研究分析复杂材料成型及控制工程问题，以获得有效结论。课程目标2：具有一定的工程材料选用和成型工艺分析的能力，能够对材料成型领域的工程应用问题进行研究和方案设计；具有的获取新知识、掌握科技发展新动态的自主学习能力，培养学生的实践能力和团队协作能力。H4.研究4.2能够基于科学原理，采用科学方法设计实验，对材料成型专业领域的复杂工程问题制定实验方案并实施。课程目标3：理解行业标准、法律法规、及相关知识产权、行业政策，树立科学的世界观、人生观和价值观；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识；具有健康的体魄、良好的心理素质、较高的人文科学素养，树立正确的审美观念和劳动精神、劳动意识。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时对应的课程目标1.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：理解材料成形原理的理论指导意义；了解凝固理论、化学冶金理论、金属塑性成形理论的发展。重点难点：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。21、2、32.液态金属的结构与性质以液态金属为例，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。教学要求：掌握液态金属的结构特点及理论模型；掌握液态金属的性质及其与充型能力的相互关系。重点：液态金属的结构、液态金属充型能力。难点：液态金属衍射特征、表面张力。21、23.凝固热力学与动力学传热基本原理、铸造温度场、熔焊温度场；液-固相变驱动力、均质形核、非均质形核；晶体生长。教学要求：理解温度场与传热学的基本原理及求解方法；掌握凝固温度场的基本类型和影响因素、相变驱动力的概念；熟练掌握晶体形核与生长的原理与过程。重点：凝固温度场的基本原理、类型和影响因素、晶体形核与生长的过程。难点：凝固温度场的求解、相变驱动力。81、24.凝固宏观组织及控制表面激冷晶区、柱状晶区及内部等轴晶区的形成机理；铸件的宏观结晶及组织控制；焊接熔池凝固及控制；特殊条件下的凝固与成形。教学要求：理解并掌握铸件和焊接熔池宏观组织的结晶机理、形成过程及控制方法；了解快速凝固、失重凝固、定向凝固等特殊条件下的凝固方法。重点：宏观组织的结晶机理、形成过程及控制方法。难点：宏观组织形成机理。61、25.液态金属的净化与精炼注液态金属与气体的相互作用；液态金属与熔渣的相互作用；液态金属的净化方法。教学要求：理解气体、熔渣与液态金属的作用原理；掌握气体、熔渣对金属质量的影响、液态金属的净化方法。重点：气体、熔渣对金属质量的影响、液态金属的净化方法。难点：气体、熔渣与液态金属的作用原理。41、26.焊接热影响区的组织与性能焊接热循环；焊接热循环下金属组织的转变；焊接热影响区的组织与性能分析。教学要求：理解焊接热循环的意义、参数计算及其影响因素；掌握焊接加热、冷却过程中金属的组织转变以及焊接热影响区的组织分布。重点：焊接热影响区的组织与性能分析。难点：焊接热循环。21、27.凝固缺陷及控制合金中的成分偏析；气孔与夹杂；缩孔与缩松；应力的形成与控制；冷、热裂纹教学要求：理解并掌握各种缺陷的形成机理、特征分类及控制方法；重点：成分偏析、气孔与夹杂、缩孔与缩松、应力、裂纹的形成机理与控制方法。难点：各种缺陷的形成机理。41、28.金属塑性成形的物理基础金属塑性成形的特点及分类；金属冷、热态下塑性变形的机理、特点及其对金属组织性能的影响；金属在塑性加工过程中的塑性行为及其主要影响因素。教学要求：掌握冷、热塑性变形的特点及其对组织性能的影响规律；熟练掌握金属塑性的指标及其影响因素，并掌握提高金属塑性的基本途径；理解并掌握单晶体、多晶体冷、热塑性变形的变形机理、特点，位错理论的基本概念，加工硬化、回复与再结晶的概念；重点：塑性冷、热变形的机理、特点，热变形对金属组织和性能的影响，金属的塑性行为及其影响因素。难点：金属冷热变形、超塑性变形机理及其对金属组织和力学性能的影响规律，金属的塑性行为。21、29.金属塑性变形的力学基础变形体内点的应力状态分析；变形体内点的应变状态分析；平面问题和轴对称问题；主要的屈服准则；塑性变形时应力应变关系(本构关系)；真实应力一应变曲线。教学要求：掌握直角坐标系中一点的应力状态，平面应力状态和轴对称应力状态；理解应力平衡微分方程、应力莫尔圆；掌握塑性变形的基本理论及其应用，小变形分析，平面变形问题和轴对称问题；掌握有关材料性质的一些基本概念；理解密塞斯屈服准则的物理意义；了解屈雷斯加屈服准则、密塞斯屈服准则的几何表达形式、塑性条件以及平面问题和轴对称问题中屈服准则的简化形式；掌握弹性应力应变关系，塑性变形时应力应变关系的特点；理解塑性变形的增量理论和全量理论；重点：点的应力、应变状态分析，主应力、主切应力及等效应力的计算，平面与轴对称问题的应力、应变状态，主要的屈服准则及应用，本构方程，真实应力-应变曲线。难点：主应力、主切应力及等效应力的计算，应力莫尔圆求平面应力状态的主应力，本构方程以及增量理论、全量理论的理解。121、2、310.金属塑性变形与流动问题最小阻力定律；影响金属塑性变形和流动的因素；不均匀变形、附加应力和残余应力；金属塑性成形中的摩擦和润滑。教学要求：熟练掌握最小阻力定律、金属塑性变形和流动的影响因素、金属塑性成形中摩擦系数的影响因素及常用的润滑方法。掌握金属塑性成形中摩擦的特点、机理和主要因素测定方法；理解附加应力和残余应力的概念、摩擦机理分析及接触表面上摩擦力的数学表达重点：最小阻力定律、金属塑性变形和流动的影响因素、塑性成形中摩擦的机理和影响因素、摩擦系数的测定方法、常见的润滑方法。难点：附加应力和残余应力的概念、摩擦机理分析及接触表面上摩擦力的数学表达。21、211.塑性成形力学的工程应用主应力法的基本原理及应用；滑移线法的基本理论及应用；上限法的原理及应用。教学要求：主应力法的基本原理及应用；滑移线法的基本理论及应用；上限法的原理及应用。重点：主应力、法滑移线法、上限法在塑性成形中的应用。难点：变形力公式的推导、平衡微分方程和塑性条件联立求解的数学解析法、滑移线场理论及上限法的原理。41、2、3合计48五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学、视频资源共享等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；使学生比较全面地理解材料成形的基本理论知识、原理与方法，对液态金属成形过程及成形原理有深入的实质性的理解，能从本质上认识和分析材料成形过程中产生的实际问题和提出解决问题的途径；为开发新材料、新的成形技术奠定坚实的理论基础。六、课程资源1.推荐教材：（1）祖方遒.《材料成形基本原理》[M]（第三版）.北京：机械工业出版社，2016.2.参考书：（1）俞汉清.《金属塑性成形原理》[M].北京：机械工业出版社,2016.（2）库尔兹,费希尔(李建国，胡侨丹译).《凝固原理》[M].北京：高等教育出版社,2010.（3）刘全坤.《材料成形基本原理》[M].北京：机械工业出版社,2015.（4）董选普,李继强.《铸造工艺学》[M].北京：化学工业出版社,2009.3.期刊：（1）单德彬,袁林,郭斌.精密微塑性成形技术的现状和发展趋势[J].塑性工程学报,2008,15(2):46-53.（2）陈世雄,彭必友,潘仁元,等.室温微成形尺寸效应对材料强韧性影响的研究现状[J].锻压技术,2016,41(11):1-8.（3）王敏婷,赵磊,李哲,等.非晶合金微楔横轧超塑性成形研究进展[J].塑性工程学报,2021,28(5):153-165.（4）M.Wang,H.Yang,Z.C.Sun,L.G.Guo,Analysisofcoupledmechanicalandthermalbehaviorsinhotrollingoflargeringsoftitaniumalloyusing3DdynamicexplicitFEM[J].J.Mater.Process.Technol.2009,209,3384-3395.（5）Y.Huang,P.B.Prangnell,Theeffectofcryogenictemperatureandchangeindeformationmodeonthelimitinggrainsizeinaseverelydeformeddilutealuminumalloy[J].ActaMater.2008,56,1619-1632.（6）王飞龙,杨玉婧,吕敬旺,等.块体非晶合金超塑性成形的研究进展[J].特种铸造及有色合金,2020,40(3):253-258.4.网络资源：（1）祖方遒.材料成形原理.2017.1./sCourse/course_4058.html.（2）杨扬.金属塑性加工原理.2016.8./sCourse/course_6716.html.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表3。表3课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现16（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√664阶段测验12（1）根据每个阶段测验的作完成情况评分，满分100分；（2）每次测验单独评分，取各次测验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以阶段测验乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√12作业12（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√552期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核液态金属成形过程中的凝固与冶金原理包括液态金属的结构与性质、凝固温度场、晶体形核与长大、铸件与焊缝宏观组织及其控制、液态金属与气相、渣相的相互作用、液态金属的净化及精炼、焊接热影响区的组织与性能、缺陷的形成与控制、金属材料塑性成形的物理基础、应力应变分析、屈服准则及本构模型、金属塑性变形与流动问题、塑性成形力学的工程应用等内容。（3）考试题型为：名词解释题、填空题、简答题和分析计算题等。√√√252510合计：100分364816八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、阶段测验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求