一、课程性质、目的和任务 《材料成型基础》是材料成型及控制工程专业的主干课程之一，其任务是阐明液态成型、塑性成 型和熔焊成型等成型技术的内在基本规律和物体本质，揭示材料成型过程中影响产品(材质、零件)性能 的因素及缺陷形成的机理。使学生对材料成型过程及基本原理有全面、系统和深入的实质性理解，从 本质上认识和分析材料成型过程中所出现的实际问题和解决途径；并为后续课程的学习奠定坚实的理 论基础。 本课程的理论基础是数学、物理、化学、物理化学、力学及金属学与热处理等，在此基础上阐述 金属材料成型过程中的物理冶金、化学冶金、成形力学及传热、传质、流动等规律和现象。物理冶金、 化学冶金、成形力学构成材料成型基础的主体。 二、教学基本要求 学生在学完本课程后，在基本理论和实际知识方面达到如下要求： 1.对液态成型、熔焊成型、塑性成型三种材料成型的基本过程有全面的、较深入的理解，掌握其基 本原理和规律。 2.掌握液态金属凝固的基本规律，冶金处理及其对产品性能的影响。 3.掌握材料成型过程中化学冶金基本规律和缺陷的成型机理、影响因素及防止措施。 4.掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。 三、教学内容及要求 绪论 主要内容： 材料成型方法的分类及特点，材料成型技术在国民经济中的地位及发展趋势。 要求： 了解本专业的重要地位和发展情况，理解本课程的特点和学习方法。 第一章 液态金属的结构和性质 主要内容： (1)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；实际金属的液态结构。 (2) 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。 (3) 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。 要求： (1)了解液体结构的特点，明确实际金属的液体结构特征。 (2)了解液态合金的粘度与表面张力性质，及其在材料成形中的意义。 (3) 掌握液态金属充型能力的基本概念、停止流动机理；弄清其影响因素。 重点与难点： 实际金属的液体结构特征，充型能力及影响因素。 第二章 凝固温度场 主要内容： (1)铸件温度场。 (2)铸件凝固方式及其影响因素。 (3)焊接过程温度场。 要求： (1)了解不同铸型条件下铸件温度场的特点，了解研究铸件温度场的方法。 (2)熟悉凝固动态曲线及其应用，掌握铸件的凝固方式，特点及其影响因素。 (3)了解焊接温度场的特点；了解熔焊过程温度场的基本类型及影响温度场的因素；了解焊接工艺 参数及焊件的热物理性能对焊接温度场的影响规律。 重点与难点： 凝固动态曲线及其应用，铸件凝固方式及其影响因素 第三章 金属凝固热力学与动力学 主要内容： (1)凝固热力学。 (2) 均质形核。 (3)非均质形核。 (4)晶体长大。 要求： (1)明确过冷度ΔT 是影响相变驱动力的决定因素，ΔT 越大，凝固相变驱动力ΔG V越大；掌握 K 0 的定义、物理意义及“偏析系数” ∣1- K 0 ∣。 (2)掌握均质形核的定义，临界半径、形核功、形核率等概念，及其相关公式。 (3)掌握非均质形核的定义，临界半径、形核功、形核率等概念，及其与均质形核的区别，明确润 湿角对非均质形核的影响，掌握生核剂的概念及其选择标准。 (4)掌握液-固界面自由能及界面结构类型、本质及其判据；掌握晶体的长大机理与固液界面的关 系，晶体长大方式，速度与过冷度的关系。 重点与难点： 过冷度、均质形核，非均质形核的概念，润湿角对非均质形核的影响，生核剂的概念及其选择标 准，液-固界面自由能及界面结构类型、本质及其判据；晶体的长大机理与固液界面的关系，晶体长大 方式，速度与过冷度的关系。 第四章 单相及多相合金的结晶 主要内容： (1)凝固过程中溶质再分配。 (2) 成分过冷。 (3)“成分过冷”对合金单相固溶体结晶形态的影响。 (4)共晶合金的结晶。 要求： (1)掌握溶质再分配的概念，理解不同条件下固液界面处溶质再分配的规律。 (2)掌握“成分过冷”条件和判据；“成分过冷”的过冷度及其特性因素，成分过冷与热过冷的区 别与联系。 (3)理解热过冷及其对纯金属液固界面形态的影响；掌握“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；了解枝晶间距 及其影响因素。 (4)掌握共晶组织的分类及特点；掌握非平衡状态下的共晶共生区；理解离异生长及离异共晶；掌 握层片状共晶组织的形核及长大和棒状共晶生长；理解非小晶面—小晶面共晶合金的结晶，掌握变质 处理的概念。 重点与难点： 溶质再分配概念及规律，成分过冷概念、判据及对晶体生长的影响，共晶合金的结晶规律，变质 处理。 第五章 铸件与焊缝宏观组织及其控制 主要内容： (1)铸件的宏观组织及其控制。 (2) 焊接熔池凝固条件及结晶特征、熔池结晶组织的细化。 要求： (1)熟悉铸件的宏观结晶组织特点，形成规律，掌握控制铸件宏观组织的基本原理及相关措施。 (2)了解焊接熔池凝固条件及结晶特征、熔池结晶组织的细化。 重点与难点： 铸件的宏观组织及其控制措施。 第六章 特殊条件下的凝固与成形 主要内容： (1)快速凝固。 (2) 失重条件下的凝固。 (3)定向凝固。 要求： (1)掌握快速凝固的概念，方法，了解其对凝固组织的影响。 (2)了解失重条件下铸件的组织形成规律。 (3)了解定向凝固组织形成规律。 重点与难点： 快速凝固。 第七章 气相对液态金属的作用 主要内容: (1)金属材料在焊接或熔炼过程中各种气体的来源和产生。 (2)气体在金属中的溶解。 (3)气体对金属的氧化。 (4)气体对金属材料焊接或熔炼质量的影响以及控制气体的措施。 要求: (1)了解金属材料在焊接或熔炼过程中气体的来源及存在形式。 (2)了解简单气体和复杂气体在液态金属中的溶解过程和气体溶解的影响因素；掌握氮和氢在铁中 的溶解度与温度的关系以及合金成分对气体溶解度的影响。 (3)了解金属氧化还原方向的判据；了解 O2、CO2、H2O 以及混合气体在焊接和熔炼过程中对金属 的氧化。 (4)了解气体对金属质量的影响和气体的控制措施；掌握熔炼或焊接过程氮和氢的冶金控制措施。 重点与难点: (1) 重点：气体对金属的作用与控制措施 (2) 难点：气体在液态金属中的溶解过程 第八章 液态金属与熔渣的相互作用 主要内容: (1)熔渣的作用与形成。 (2)熔渣的结构与碱度。 (3)熔渣的物理性质。 (4)活性熔渣对金属的氧化。 要求: (1)了解熔渣的作用与分类；了解熔渣的来源与构成。 (2)了解熔渣结构的分子理论和离子理论；掌握熔渣碱度的概念。 (3)了解渣相的凝固温度、密度、粘度、表面张力及界面张力的物理性质；掌握长渣与短渣基本概 念，及熔渣成分对粘度的影响。 (4)了解熔渣的氧化性、活性熔渣氧化的基本形式；掌握渣的性质与焊缝含氧量的关系。 重点与难点: (1)重点：熔渣的理化性能及对金属的作用 (2)难点：熔渣的结构 第九章 液态金属的净化与合金化 主要内容: (1)液态金属的脱氧。 (2)液态金属的脱碳。 (3)液态金属的脱硫和脱磷。 要求: (1)了解液态金属脱氧的目的、基本方式；掌握铸造与焊接冶金工艺中常用的脱氧方式及特点。 (2)了解液态金属脱碳的目的；掌握液态金属脱碳主要反应。 (3)了解硫、磷的危害和影响因素；掌握脱硫、脱磷的主要控制措施。 重点与难点: (1)重点：液态金属脱氧、脱硫、脱磷及脱碳精炼的影响因素 (2)难点：熔渣粘度对液态金属净化的影响 第十章 焊接接头的组织与性能 主要内容: (1)焊接热循环，焊接热循环下金属组织转变特点。 (2)熔池凝固和焊缝固态相变，焊缝性能的控制。 (3)熔合区的形成，焊接热影响的组织与性能。 要求: (1)了解焊接热循环的基本参数及其对焊接接头性能的影响；了解焊接热循环下金属组织转变特点；掌 握焊接热循环、t8/5、t8/3、t100 等基本概念和焊接热循环的主要参数，掌握焊接热循环对金属组织转变的 影响。 (2)了解熔池凝固的特点、熔池结晶的一般规律、熔池结晶的形态、焊缝的固态相变和焊缝性能的 控制途径；掌握熔池结晶线速度与焊接速度的关系，焊接速度对溶池结晶形态及裂纹形成影响；掌握 微量元素对焊缝性能的影响。 (3)了解熔合区的形成，了解焊接热影响区的组织分布及热影响区的性能；掌握焊接熔合区的物理 和化学不均匀性对接头性能的影响；掌握焊接热影响区、M-A 组元和碳当量的基本概念，淬火倾向不 同钢种焊接热影响区的分区和组织特点，焊接热影响区脆化的种类和形成原因。 重点与难点: (1)重点：焊焊缝凝固与性能的控制，典型材料的焊接热影响区组织变化特点及其组织性能。 (2)难点：焊接热循环参数的计算及其影响因素。 第十一章 凝固缺陷及控制 主要内容: (1)合金中成分偏析的种类及形成原因。 (2)液态金属在冷却凝固过程中产生的气孔和夹杂。 (3)液态金属在凝固中形成的缩孔和缩松。 (4)热裂纹的种类，结晶裂纹的特征、形成原因、影响因素和控制措施。 (5)冷裂纹的特征、形成原因、影响因素和控制措施。 (6)再热裂纹、应力腐蚀裂纹的特征、形成原因、影响因素和控制措施。 要求: (1)了解偏析种类、特征和形成原因，掌握基本概念。 (2)了解焊接或熔炼过程中气孔和夹杂的种类和形成原因，掌握焊接过程中氮气孔、CO 和氢气孔 的基本特征、形成原因和控制措施，掌握焊接过程中夹杂的种类、特征和形成原因。 (3)了解液态金属在凝固中形成的缩孔和缩松分类特征、形成原因、影响因素和防止措施。 (4)了解热裂纹的种类及特征，掌握结晶裂纹的特征、形成原因、影响因素和控制措施。 (5)了解拘束度的计算，掌握拘束度的基本概念，冷裂纹的特征、形成原因、影响因素和控制措施。 (6)了解再热裂纹、应力腐蚀裂纹的特征、形成原因、影响因素和控制措施。 重点与难点: (1)重点：气孔的特征、形成原因、影响因素和控制措施；裂纹的种类、特种、形成原因、影响因 素和控制措施。 (2)难点：气孔的形成机理；裂纹的形成机理。 第十二章 金属塑性成形的物理基础 主要内容： (1)金属塑性成形方法的分类及主要优缺点，金属塑性成形理论的发展概况。 (2)金属在塑性加工中的塑性行为。 要求： (1)了解金属塑性成形方法的分类及特点；金属塑性成形的主要优缺点，塑性成形方法的发展趋势。 (2)掌握塑性及塑性指标的基本概念；了解金属的化学成分和组织结构对塑性的影响；深刻认识变 形条件对金属塑性的影响；掌握提高金属塑性的方法。 重点与难点： 金属塑性成形方法的分类，金属的塑性、变形抗力及影响因素。 第十三章 应力分析 主要内容： (1) 求和约定与张量初步。 (2) 应力分量，斜截面上的应力，应力张量。 (3) 主应力和应力不变量，应力方程的求解。 (4) 主剪应力和最大剪应力，应力偏张量和球张量。 (5) 八面体应力和等效应力，平衡微分方程。 要求： (1)掌握变形体内点的应力状态及表示方法。 (2)熟练掌握任意斜截面上的应力的计算方法。 (3)熟练掌握有关应力张量的基本概念；掌握平衡微分方程的推导方法及其意义。 重点与难点： (1) 重点：斜截面上的应力，主应力和主方向，平衡微分方程。 (2) 难点：斜截面上的应力，主剪应力。 第十四章 应变分析 主要内容： (1)变形的基本概念，位移分量，应变分量和应变张量。 (2)小变形几何方程，变形连续方程。 (3)主应变，主剪应变，八面体应变和等效应变，应变增量和应变速率张量。 (4)平面应力状态、平面应变状态和轴对称应力状态。 要求： (1)掌握小变形分析的基本概念和基本方法。 (2)熟练掌握小变形几何方程及其应用。 (3)了解变形连续方程的意义。 (4)掌握应变增量和应变速率的基本概念。 重点与难点： (1) 重点：小应变几何方程，主应变，平面变形和轴对称问题。 (2) 难点：小变形分析，变形连续方程。 第十五章 屈服准则 主要内容： (1)有关材料性质的基本概念，Tresca 屈服准则，Mises 屈服准则。 (2)屈服准则的几何表达，中间主应力影响、应变硬化材料的屈服准则。 要求： (1)了解有关材料性质的基本概念。 (2)熟练掌握并能正确运用屈服准则。 (3)深刻认识屈服准则的物理、几何意义。 (4)了解应变硬化材料的屈服准则。 重点与难点： (1)重点：Tresca 屈服准则，Mises 屈服准则，平面问题和轴对称问题屈服准则的简化。 (2)难点：屈服准则的几何表达。 第十六章 本构方程 主要内容： (1)弹性应力应变关系，塑性变形时应力应变关系的特点。 (2)塑性变形的增量理论和全量理论。 要求： (1)掌握弹性应力应变关系和塑性应力应变关系的特点。 (2)熟练掌握塑性变形的增量理论。 (3)掌握塑性变形的全量理论。 (4)掌握应力应变顺序对应规律。 (5)了解卸载问题。 重点与难点： (1)重点：塑性变形时应力应变关系的特点，塑性变形的增量理论。 (2)难点：塑性变形时应力应变关系的特点。 第十七章 真实应力-应变曲线 主要内容： 拉伸实验曲线；压缩实验曲线，变形温度、变形速度的影响