一、課程性質、目的和任務 《材料成型基礎》是材料成型及控制工程專業(yè)的主干課程之一，其任務是闡明液態(tài)成型、塑性成 型和熔焊成型等成型技術的內在基本規(guī)律和物體本質，揭示材料成型過程中影響產品(材質、零件)性能 的因素及缺陷形成的機理。使學生對材料成型過程及基本原理有全面、系統(tǒng)和深入的實質性理解，從 本質上認識和分析材料成型過程中所出現(xiàn)的實際問題和解決途徑；并為后續(xù)課程的學習奠定堅實的理 論基礎。 本課程的理論基礎是數(shù)學、物理、化學、物理化學、力學及金屬學與熱處理等，在此基礎上闡述 金屬材料成型過程中的物理冶金、化學冶金、成形力學及傳熱、傳質、流動等規(guī)律和現(xiàn)象。物理冶金、 化學冶金、成形力學構成材料成型基礎的主體。 二、教學基本要求 學生在學完本課程后，在基本理論和實際知識方面達到如下要求： 1.對液態(tài)成型、熔焊成型、塑性成型三種材料成型的基本過程有全面的、較深入的理解，掌握其基 本原理和規(guī)律。 2.掌握液態(tài)金屬凝固的基本規(guī)律，冶金處理及其對產品性能的影響。 3.掌握材料成型過程中化學冶金基本規(guī)律和缺陷的成型機理、影響因素及防止措施。 4.掌握塑性成形過程中的應力與應變的基礎理論，金屬流動的基本規(guī)律及其應用。 三、教學內容及要求 緒論 主要內容： 材料成型方法的分類及特點，材料成型技術在國民經濟中的地位及發(fā)展趨勢。 要求： 了解本專業(yè)的重要地位和發(fā)展情況，理解本課程的特點和學習方法。 第一章 液態(tài)金屬的結構和性質 主要內容： (1)液體與固體、氣體結構比較及衍射特征；液態(tài)金屬結構的理論模型；實際金屬的液態(tài)結構。 (2) 液態(tài)合金的粘度及其影響因素及其在材料成形中的意義；表面張力的實質及影響表面張力的 因素及其在材料成形中的意義。 (3) 液態(tài)金屬充型能力的基本概念、液態(tài)金屬停止流動機理與充型能力；影響充型能力的因素。 要求： (1)了解液體結構的特點，明確實際金屬的液體結構特征。 (2)了解液態(tài)合金的粘度與表面張力性質，及其在材料成形中的意義。 (3) 掌握液態(tài)金屬充型能力的基本概念、停止流動機理；弄清其影響因素。 重點與難點： 實際金屬的液體結構特征，充型能力及影響因素。 第二章 凝固溫度場 主要內容： (1)鑄件溫度場。 (2)鑄件凝固方式及其影響因素。 (3)焊接過程溫度場。 要求： (1)了解不同鑄型條件下鑄件溫度場的特點，了解研究鑄件溫度場的方法。 (2)熟悉凝固動態(tài)曲線及其應用，掌握鑄件的凝固方式，特點及其影響因素。 (3)了解焊接溫度場的特點；了解熔焊過程溫度場的基本類型及影響溫度場的因素；了解焊接工藝 參數(shù)及焊件的熱物理性能對焊接溫度場的影響規(guī)律。 重點與難點： 凝固動態(tài)曲線及其應用，鑄件凝固方式及其影響因素 第三章 金屬凝固熱力學與動力學 主要內容： (1)凝固熱力學。 (2) 均質形核。 (3)非均質形核。 (4)晶體長大。 要求： (1)明確過冷度ΔT 是影響相變驅動力的決定因素，ΔT 越大，凝固相變驅動力ΔG V越大；掌握 K 0 的定義、物理意義及“偏析系數(shù)” ∣1- K 0 ∣。 (2)掌握均質形核的定義，臨界半徑、形核功、形核率等概念，及其相關公式。 (3)掌握非均質形核的定義，臨界半徑、形核功、形核率等概念，及其與均質形核的區(qū)別，明確潤 濕角對非均質形核的影響，掌握生核劑的概念及其選擇標準。 (4)掌握液-固界面自由能及界面結構類型、本質及其判據(jù)；掌握晶體的長大機理與固液界面的關 系，晶體長大方式，速度與過冷度的關系。 重點與難點： 過冷度、均質形核，非均質形核的概念，潤濕角對非均質形核的影響，生核劑的概念及其選擇標 準，液-固界面自由能及界面結構類型、本質及其判據(jù)；晶體的長大機理與固液界面的關系，晶體長大 方式，速度與過冷度的關系。 第四章 單相及多相合金的結晶 主要內容： (1)凝固過程中溶質再分配。 (2) 成分過冷。 (3)“成分過冷”對合金單相固溶體結晶形態(tài)的影響。 (4)共晶合金的結晶。 要求： (1)掌握溶質再分配的概念，理解不同條件下固液界面處溶質再分配的規(guī)律。 (2)掌握“成分過冷”條件和判據(jù)；“成分過冷”的過冷度及其特性因素，成分過冷與熱過冷的區(qū) 別與聯(lián)系。 (3)理解熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響；掌握“成分過冷”對合金固溶體晶體形貌的影 響規(guī)律；分過冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌；較寬成分過冷作用下的枝晶生長；了解枝晶間距 及其影響因素。 (4)掌握共晶組織的分類及特點；掌握非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)；理解離異生長及離異共晶；掌 握層片狀共晶組織的形核及長大和棒狀共晶生長；理解非小晶面—小晶面共晶合金的結晶，掌握變質 處理的概念。 重點與難點： 溶質再分配概念及規(guī)律，成分過冷概念、判據(jù)及對晶體生長的影響，共晶合金的結晶規(guī)律，變質 處理。 第五章 鑄件與焊縫宏觀組織及其控制 主要內容： (1)鑄件的宏觀組織及其控制。 (2) 焊接熔池凝固條件及結晶特征、熔池結晶組織的細化。 要求： (1)熟悉鑄件的宏觀結晶組織特點，形成規(guī)律，掌握控制鑄件宏觀組織的基本原理及相關措施。 (2)了解焊接熔池凝固條件及結晶特征、熔池結晶組織的細化。 重點與難點： 鑄件的宏觀組織及其控制措施。 第六章 特殊條件下的凝固與成形 主要內容： (1)快速凝固。 (2) 失重條件下的凝固。 (3)定向凝固。 要求： (1)掌握快速凝固的概念，方法，了解其對凝固組織的影響。 (2)了解失重條件下鑄件的組織形成規(guī)律。 (3)了解定向凝固組織形成規(guī)律。 重點與難點： 快速凝固。 第七章 氣相對液態(tài)金屬的作用 主要內容: (1)金屬材料在焊接或熔煉過程中各種氣體的來源和產生。 (2)氣體在金屬中的溶解。 (3)氣體對金屬的氧化。 (4)氣體對金屬材料焊接或熔煉質量的影響以及控制氣體的措施。 要求: (1)了解金屬材料在焊接或熔煉過程中氣體的來源及存在形式。 (2)了解簡單氣體和復雜氣體在液態(tài)金屬中的溶解過程和氣體溶解的影響因素；掌握氮和氫在鐵中 的溶解度與溫度的關系以及合金成分對氣體溶解度的影響。 (3)了解金屬氧化還原方向的判據(jù)；了解 O2、CO2、H2O 以及混合氣體在焊接和熔煉過程中對金屬 的氧化。 (4)了解氣體對金屬質量的影響和氣體的控制措施；掌握熔煉或焊接過程氮和氫的冶金控制措施。 重點與難點: (1) 重點：氣體對金屬的作用與控制措施 (2) 難點：氣體在液態(tài)金屬中的溶解過程 第八章 液態(tài)金屬與熔渣的相互作用 主要內容: (1)熔渣的作用與形成。 (2)熔渣的結構與堿度。 (3)熔渣的物理性質。 (4)活性熔渣對金屬的氧化。 要求: (1)了解熔渣的作用與分類；了解熔渣的來源與構成。 (2)了解熔渣結構的分子理論和離子理論；掌握熔渣堿度的概念。 (3)了解渣相的凝固溫度、密度、粘度、表面張力及界面張力的物理性質；掌握長渣與短渣基本概 念，及熔渣成分對粘度的影響。 (4)了解熔渣的氧化性、活性熔渣氧化的基本形式；掌握渣的性質與焊縫含氧量的關系。 重點與難點: (1)重點：熔渣的理化性能及對金屬的作用 (2)難點：熔渣的結構 第九章 液態(tài)金屬的凈化與合金化 主要內容: (1)液態(tài)金屬的脫氧。 (2)液態(tài)金屬的脫碳。 (3)液態(tài)金屬的脫硫和脫磷。 要求: (1)了解液態(tài)金屬脫氧的目的、基本方式；掌握鑄造與焊接冶金工藝中常用的脫氧方式及特點。 (2)了解液態(tài)金屬脫碳的目的；掌握液態(tài)金屬脫碳主要反應。 (3)了解硫、磷的危害和影響因素；掌握脫硫、脫磷的主要控制措施。 重點與難點: (1)重點：液態(tài)金屬脫氧、脫硫、脫磷及脫碳精煉的影響因素 (2)難點：熔渣粘度對液態(tài)金屬凈化的影響 第十章 焊接接頭的組織與性能 主要內容: (1)焊接熱循環(huán)，焊接熱循環(huán)下金屬組織轉變特點。 (2)熔池凝固和焊縫固態(tài)相變，焊縫性能的控制。 (3)熔合區(qū)的形成，焊接熱影響的組織與性能。 要求: (1)了解焊接熱循環(huán)的基本參數(shù)及其對焊接接頭性能的影響；了解焊接熱循環(huán)下金屬組織轉變特點；掌 握焊接熱循環(huán)、t8/5、t8/3、t100 等基本概念和焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)，掌握焊接熱循環(huán)對金屬組織轉變的 影響。 (2)了解熔池凝固的特點、熔池結晶的一般規(guī)律、熔池結晶的形態(tài)、焊縫的固態(tài)相變和焊縫性能的 控制途徑；掌握熔池結晶線速度與焊接速度的關系，焊接速度對溶池結晶形態(tài)及裂紋形成影響；掌握 微量元素對焊縫性能的影響。 (3)了解熔合區(qū)的形成，了解焊接熱影響區(qū)的組織分布及熱影響區(qū)的性能；掌握焊接熔合區(qū)的物理 和化學不均勻性對接頭性能的影響；掌握焊接熱影響區(qū)、M-A 組元和碳當量的基本概念，淬火傾向不 同鋼種焊接熱影響區(qū)的分區(qū)和組織特點，焊接熱影響區(qū)脆化的種類和形成原因。 重點與難點: (1)重點：焊焊縫凝固與性能的控制，典型材料的焊接熱影響區(qū)組織變化特點及其組織性能。 (2)難點：焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算及其影響因素。 第十一章 凝固缺陷及控制 主要內容: (1)合金中成分偏析的種類及形成原因。 (2)液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中產生的氣孔和夾雜。 (3)液態(tài)金屬在凝固中形成的縮孔和縮松。 (4)熱裂紋的種類，結晶裂紋的特征、形成原因、影響因素和控制措施。 (5)冷裂紋的特征、形成原因、影響因素和控制措施。 (6)再熱裂紋、應力腐蝕裂紋的特征、形成原因、影響因素和控制措施。 要求: (1)了解偏析種類、特征和形成原因，掌握基本概念。 (2)了解焊接或熔煉過程中氣孔和夾雜的種類和形成原因，掌握焊接過程中氮氣孔、CO 和氫氣孔 的基本特征、形成原因和控制措施，掌握焊接過程中夾雜的種類、特征和形成原因。 (3)了解液態(tài)金屬在凝固中形成的縮孔和縮松分類特征、形成原因、影響因素和防止措施。 (4)了解熱裂紋的種類及特征，掌握結晶裂紋的特征、形成原因、影響因素和控制措施。 (5)了解拘束度的計算，掌握拘束度的基本概念，冷裂紋的特征、形成原因、影響因素和控制措施。 (6)了解再熱裂紋、應力腐蝕裂紋的特征、形成原因、影響因素和控制措施。 重點與難點: (1)重點：氣孔的特征、形成原因、影響因素和控制措施；裂紋的種類、特種、形成原因、影響因 素和控制措施。 (2)難點：氣孔的形成機理；裂紋的形成機理。 第十二章 金屬塑性成形的物理基礎 主要內容： (1)金屬塑性成形方法的分類及主要優(yōu)缺點，金屬塑性成形理論的發(fā)展概況。 (2)金屬在塑性加工中的塑性行為。 要求： (1)了解金屬塑性成形方法的分類及特點；金屬塑性成形的主要優(yōu)缺點，塑性成形方法的發(fā)展趨勢。 (2)掌握塑性及塑性指標的基本概念；了解金屬的化學成分和組織結構對塑性的影響；深刻認識變 形條件對金屬塑性的影響；掌握提高金屬塑性的方法。 重點與難點： 金屬塑性成形方法的分類，金屬的塑性、變形抗力及影響因素。 第十三章 應力分析 主要內容： (1) 求和約定與張量初步。 (2) 應力分量，斜截面上的應力，應力張量。 (3) 主應力和應力不變量，應力方程的求解。 (4) 主剪應力和最大剪應力，應力偏張量和球張量。 (5) 八面體應力和等效應力，平衡微分方程。 要求： (1)掌握變形體內點的應力狀態(tài)及表示方法。 (2)熟練掌握任意斜截面上的應力的計算方法。 (3)熟練掌握有關應力張量的基本概念；掌握平衡微分方程的推導方法及其意義。 重點與難點： (1) 重點：斜截面上的應力，主應力和主方向，平衡微分方程。 (2) 難點：斜截面上的應力，主剪應力。 第十四章 應變分析 主要內容： (1)變形的基本概念，位移分量，應變分量和應變張量。 (2)小變形幾何方程，變形連續(xù)方程。 (3)主應變，主剪應變，八面體應變和等效應變，應變增量和應變速率張量。 (4)平面應力狀態(tài)、平面應變狀態(tài)和軸對稱應力狀態(tài)。 要求： (1)掌握小變形分析的基本概念和基本方法。 (2)熟練掌握小變形幾何方程及其應用。 (3)了解變形連續(xù)方程的意義。 (4)掌握應變增量和應變速率的基本概念。 重點與難點： (1) 重點：小應變幾何方程，主應變，平面變形和軸對稱問題。 (2) 難點：小變形分析，變形連續(xù)方程。 第十五章 屈服準則 主要內容： (1)有關材料性質的基本概念，Tresca 屈服準則，Mises 屈服準則。 (2)屈服準則的幾何表達，中間主應力影響、應變硬化材料的屈服準則。 要求： (1)了解有關材料性質的基本概念。 (2)熟練掌握并能正確運用屈服準則。 (3)深刻認識屈服準則的物理、幾何意義。 (4)了解應變硬化材料的屈服準則。 重點與難點： (1)重點：Tresca 屈服準則，Mises 屈服準則，平面問題和軸對稱問題屈服準則的簡化。 (2)難點：屈服準則的幾何表達。 第十六章 本構方程 主要內容： (1)彈性應力應變關系，塑性變形時應力應變關系的特點。 (2)塑性變形的增量理論和全量理論。 要求： (1)掌握彈性應力應變關系和塑性應力應變關系的特點。 (2)熟練掌握塑性變形的增量理論。 (3)掌握塑性變形的全量理論。 (4)掌握應力應變順序對應規(guī)律。 (5)了解卸載問題。 重點與難點： (1)重點：塑性變形時應力應變關系的特點，塑性變形的增量理論。 (2)難點：塑性變形時應力應變關系的特點。 第十七章 真實應力-應變曲線 主要內容： 拉伸實驗曲線；壓縮實驗曲線，變形溫度、變形速度的影響