《材料成形原理》教學(xué)大綱

《材料成形原理》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：03141161課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時：48學(xué)時（理論48學(xué)時）先修課程：高等數(shù)學(xué)、機(jī)械制圖、材料科學(xué)基礎(chǔ)等后續(xù)課程：沖壓工藝及模具設(shè)計、塑料成型工藝及模具設(shè)計、材料成形數(shù)字化設(shè)計等適用專業(yè)：材料成型及控制工程開課單位：材料科學(xué)與工程學(xué)院一、課程說明《材料成形原理》是材料成型及控制工程專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)必修課。本課程主要闡明液態(tài)成凝固形、焊接成形、塑性成形等近代材料成形技術(shù)中共同的基本規(guī)律及物理現(xiàn)象；闡述材料成形過程中的凝固與冶金原理；揭示材料成形過程中影響材質(zhì)和制品性能的因素及缺陷形成的機(jī)理。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生對液態(tài)金屬成形過程及塑性成形有深入的實質(zhì)性的理解；能從本質(zhì)上認(rèn)識和分析材料成形過程中產(chǎn)生的實際問題和提出解決問題的途徑；為今后學(xué)習(xí)成形技術(shù)的具體工藝方法、設(shè)備控制等課程，為開發(fā)新材料、新的成形技術(shù)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：了解材料成型及控制工程領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)，了解新工藝、新技術(shù)、新的成形理論等方面的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢；掌握各種材料成形的基本原理、理論基礎(chǔ)和分析問題的方法，能夠運用材料成形的基本原理分析和解決液態(tài)成形、焊接成形、塑性成形等材料成型領(lǐng)域工程問題并能夠提出初步的解決方案；使學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實的職業(yè)精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。課程目標(biāo)2：具有一定的工程材料選用和成型工藝分析的能力，能夠?qū)Σ牧铣尚皖I(lǐng)域的工程應(yīng)用問題進(jìn)行研究和方案設(shè)計；具有的獲取新知識、掌握科技發(fā)展新動態(tài)的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。課程目標(biāo)3：理解行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)、及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)、行業(yè)政策，樹立科學(xué)的世界觀、人生觀和價值觀；具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和現(xiàn)代社會的競爭意識、環(huán)境保護(hù)意識、價值效益意識、求實創(chuàng)新意識；具有健康的體魄、良好的心理素質(zhì)、較高的人文科學(xué)素養(yǎng)，樹立正確的審美觀念和勞動精神、勞動意識。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《材料成形原理》課程教學(xué)目標(biāo)對材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度1.工程知識1.1能正確使用技術(shù)語言表達(dá)材料成型專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)1：了解材料成型及控制工程領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)，了解新工藝、新技術(shù)、新的成形理論等方面的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢；掌握各種材料成形的基本原理、理論基礎(chǔ)和分析問題的方法，能夠運用材料成形的基本原理分析液態(tài)成形、焊接成形、塑性成形等材料成型領(lǐng)域工程問題并能夠提出初步的解決方案；使學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實的職業(yè)精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。H1.2能針對具體對象建立數(shù)學(xué)模型并求解。課程目標(biāo)1：了解材料成型及控制工程領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)，了解新工藝、新技術(shù)、新的成形理論等方面的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢；掌握各種材料成形的基本原理、理論基礎(chǔ)和分析問題的方法，能夠運用材料成形的基本原理分析液態(tài)成形、焊接成形、塑性成形等材料成型領(lǐng)域工程問題并能夠提出初步的解決方案；使學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實的職業(yè)精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。H2.問題分析2.2能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基本原理，對復(fù)雜材料成型及控制工程問題進(jìn)行表述。課程目標(biāo)2：具有一定的工程材料選用和成型工藝分析的能力，能夠?qū)Σ牧铣尚皖I(lǐng)域的工程應(yīng)用問題進(jìn)行研究和方案設(shè)計；具有的獲取新知識、掌握科技發(fā)展新動態(tài)的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。H2.3能夠運用相關(guān)知識，并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜材料成型及控制工程問題，以獲得有效結(jié)論。課程目標(biāo)2：具有一定的工程材料選用和成型工藝分析的能力，能夠?qū)Σ牧铣尚皖I(lǐng)域的工程應(yīng)用問題進(jìn)行研究和方案設(shè)計；具有的獲取新知識、掌握科技發(fā)展新動態(tài)的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。H4.研究4.2能夠基于科學(xué)原理，采用科學(xué)方法設(shè)計實驗，對材料成型專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題制定實驗方案并實施。課程目標(biāo)3：理解行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)、及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)、行業(yè)政策，樹立科學(xué)的世界觀、人生觀和價值觀；具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和現(xiàn)代社會的競爭意識、環(huán)境保護(hù)意識、價值效益意識、求實創(chuàng)新意識；具有健康的體魄、良好的心理素質(zhì)、較高的人文科學(xué)素養(yǎng)，樹立正確的審美觀念和勞動精神、勞動意識。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.緒論介紹本課程的目的和任務(wù)，材料成形內(nèi)容及其在國民經(jīng)濟(jì)、國防、高技術(shù)領(lǐng)域的意義，各種材料成形技術(shù)原理（凝固、焊接及冶煉過程冶金、粉末冶金、塑性成形）的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢。教學(xué)要求：理解材料成形原理的理論指導(dǎo)意義；了解凝固理論、化學(xué)冶金理論、金屬塑性成形理論的發(fā)展。重點難點：使學(xué)生理解“材料成形”的重要性及《材料成形原理》課程所要掌握的主要內(nèi)容。21、2、32.液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以液態(tài)金屬為例，概要介紹有關(guān)液體結(jié)構(gòu)的知識，并注意體現(xiàn)近年來新的突破和成果。對液體的性質(zhì)，主要討論與液態(tài)成形相關(guān)的粘度和表面張力。教學(xué)要求：掌握液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點及理論模型；掌握液態(tài)金屬的性質(zhì)及其與充型能力的相互關(guān)系。重點：液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬充型能力。難點：液態(tài)金屬衍射特征、表面張力。21、23.凝固熱力學(xué)與動力學(xué)傳熱基本原理、鑄造溫度場、熔焊溫度場；液-固相變驅(qū)動力、均質(zhì)形核、非均質(zhì)形核；晶體生長。教學(xué)要求：理解溫度場與傳熱學(xué)的基本原理及求解方法；掌握凝固溫度場的基本類型和影響因素、相變驅(qū)動力的概念；熟練掌握晶體形核與生長的原理與過程。重點：凝固溫度場的基本原理、類型和影響因素、晶體形核與生長的過程。難點：凝固溫度場的求解、相變驅(qū)動力。81、24.凝固宏觀組織及控制表面激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)及內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理；鑄件的宏觀結(jié)晶及組織控制；焊接熔池凝固及控制；特殊條件下的凝固與成形。教學(xué)要求：理解并掌握鑄件和焊接熔池宏觀組織的結(jié)晶機(jī)理、形成過程及控制方法；了解快速凝固、失重凝固、定向凝固等特殊條件下的凝固方法。重點：宏觀組織的結(jié)晶機(jī)理、形成過程及控制方法。難點：宏觀組織形成機(jī)理。61、25.液態(tài)金屬的凈化與精煉注液態(tài)金屬與氣體的相互作用；液態(tài)金屬與熔渣的相互作用；液態(tài)金屬的凈化方法。教學(xué)要求：理解氣體、熔渣與液態(tài)金屬的作用原理；掌握氣體、熔渣對金屬質(zhì)量的影響、液態(tài)金屬的凈化方法。重點：氣體、熔渣對金屬質(zhì)量的影響、液態(tài)金屬的凈化方法。難點：氣體、熔渣與液態(tài)金屬的作用原理。41、26.焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱循環(huán)；焊接熱循環(huán)下金屬組織的轉(zhuǎn)變；焊接熱影響區(qū)的組織與性能分析。教學(xué)要求：理解焊接熱循環(huán)的意義、參數(shù)計算及其影響因素；掌握焊接加熱、冷卻過程中金屬的組織轉(zhuǎn)變以及焊接熱影響區(qū)的組織分布。重點：焊接熱影響區(qū)的組織與性能分析。難點：焊接熱循環(huán)。21、27.凝固缺陷及控制合金中的成分偏析；氣孔與夾雜；縮孔與縮松；應(yīng)力的形成與控制；冷、熱裂紋教學(xué)要求：理解并掌握各種缺陷的形成機(jī)理、特征分類及控制方法；重點：成分偏析、氣孔與夾雜、縮孔與縮松、應(yīng)力、裂紋的形成機(jī)理與控制方法。難點：各種缺陷的形成機(jī)理。41、28.金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)金屬塑性成形的特點及分類；金屬冷、熱態(tài)下塑性變形的機(jī)理、特點及其對金屬組織性能的影響；金屬在塑性加工過程中的塑性行為及其主要影響因素。教學(xué)要求：掌握冷、熱塑性變形的特點及其對組織性能的影響規(guī)律；熟練掌握金屬塑性的指標(biāo)及其影響因素，并掌握提高金屬塑性的基本途徑；理解并掌握單晶體、多晶體冷、熱塑性變形的變形機(jī)理、特點，位錯理論的基本概念，加工硬化、回復(fù)與再結(jié)晶的概念；重點：塑性冷、熱變形的機(jī)理、特點，熱變形對金屬組織和性能的影響，金屬的塑性行為及其影響因素。難點：金屬冷熱變形、超塑性變形機(jī)理及其對金屬組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，金屬的塑性行為。21、29.金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)變形體內(nèi)點的應(yīng)力狀態(tài)分析；變形體內(nèi)點的應(yīng)變狀態(tài)分析；平面問題和軸對稱問題；主要的屈服準(zhǔn)則；塑性變形時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)關(guān)系)；真實應(yīng)力一應(yīng)變曲線。教學(xué)要求：掌握直角坐標(biāo)系中一點的應(yīng)力狀態(tài)，平面應(yīng)力狀態(tài)和軸對稱應(yīng)力狀態(tài)；理解應(yīng)力平衡微分方程、應(yīng)力莫爾圓；掌握塑性變形的基本理論及其應(yīng)用，小變形分析，平面變形問題和軸對稱問題；掌握有關(guān)材料性質(zhì)的一些基本概念；理解密塞斯屈服準(zhǔn)則的物理意義；了解屈雷斯加屈服準(zhǔn)則、密塞斯屈服準(zhǔn)則的幾何表達(dá)形式、塑性條件以及平面問題和軸對稱問題中屈服準(zhǔn)則的簡化形式；掌握彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，塑性變形時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的特點；理解塑性變形的增量理論和全量理論；重點：點的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)分析，主應(yīng)力、主切應(yīng)力及等效應(yīng)力的計算，平面與軸對稱問題的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，主要的屈服準(zhǔn)則及應(yīng)用，本構(gòu)方程，真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。難點：主應(yīng)力、主切應(yīng)力及等效應(yīng)力的計算，應(yīng)力莫爾圓求平面應(yīng)力狀態(tài)的主應(yīng)力，本構(gòu)方程以及增量理論、全量理論的理解。121、2、310.金屬塑性變形與流動問題最小阻力定律；影響金屬塑性變形和流動的因素；不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力；金屬塑性成形中的摩擦和潤滑。教學(xué)要求：熟練掌握最小阻力定律、金屬塑性變形和流動的影響因素、金屬塑性成形中摩擦系數(shù)的影響因素及常用的潤滑方法。掌握金屬塑性成形中摩擦的特點、機(jī)理和主要因素測定方法；理解附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的概念、摩擦機(jī)理分析及接觸表面上摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)重點：最小阻力定律、金屬塑性變形和流動的影響因素、塑性成形中摩擦的機(jī)理和影響因素、摩擦系數(shù)的測定方法、常見的潤滑方法。難點：附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的概念、摩擦機(jī)理分析及接觸表面上摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)。21、211.塑性成形力學(xué)的工程應(yīng)用主應(yīng)力法的基本原理及應(yīng)用；滑移線法的基本理論及應(yīng)用；上限法的原理及應(yīng)用。教學(xué)要求：主應(yīng)力法的基本原理及應(yīng)用；滑移線法的基本理論及應(yīng)用；上限法的原理及應(yīng)用。重點：主應(yīng)力、法滑移線法、上限法在塑性成形中的應(yīng)用。難點：變形力公式的推導(dǎo)、平衡微分方程和塑性條件聯(lián)立求解的數(shù)學(xué)解析法、滑移線場理論及上限法的原理。41、2、3合計48五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)、視頻資源共享等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。促進(jìn)學(xué)生積極思考，開發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力；使學(xué)生比較全面地理解材料成形的基本理論知識、原理與方法，對液態(tài)金屬成形過程及成形原理有深入的實質(zhì)性的理解，能從本質(zhì)上認(rèn)識和分析材料成形過程中產(chǎn)生的實際問題和提出解決問題的途徑；為開發(fā)新材料、新的成形技術(shù)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。六、課程資源1.推薦教材：（1）祖方遒.《材料成形基本原理》[M]（第三版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.2.參考書：（1）俞漢清.《金屬塑性成形原理》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2016.（2）庫爾茲,費希爾(李建國，胡僑丹譯).《凝固原理》[M].北京：高等教育出版社,2010.（3）劉全坤.《材料成形基本原理》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2015.（4）董選普,李繼強.《鑄造工藝學(xué)》[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.3.期刊：（1）單德彬,袁林,郭斌.精密微塑性成形技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].塑性工程學(xué)報,2008,15(2):46-53.（2）陳世雄,彭必友,潘仁元,等.室溫微成形尺寸效應(yīng)對材料強韌性影響的研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù),2016,41(11):1-8.（3）王敏婷,趙磊,李哲,等.非晶合金微楔橫軋超塑性成形研究進(jìn)展[J].塑性工程學(xué)報,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）王飛龍,楊玉婧,呂敬旺,等.塊體非晶合金超塑性成形的研究進(jìn)展[J].特種鑄造及有色合金,2020,40(3):253-258.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）祖方遒.材料成形原理.2017.1./sCourse/course_4058.html.（2）楊揚.金屬塑性加工原理.2016.8./sCourse/course_6716.html.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表3。表3課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)16（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?64階段測驗12（1）根據(jù)每個階段測驗的作完成情況評分，滿分100分；（2）每次測驗單獨評分，取各次測驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以階段測驗乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！?2作業(yè)12（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?52期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核液態(tài)金屬成形過程中的凝固與冶金原理包括液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、凝固溫度場、晶體形核與長大、鑄件與焊縫宏觀組織及其控制、液態(tài)金屬與氣相、渣相的相互作用、液態(tài)金屬的凈化及精煉、焊接熱影響區(qū)的組織與性能、缺陷的形成與控制、金屬材料塑性成形的物理基礎(chǔ)、應(yīng)力應(yīng)變分析、屈服準(zhǔn)則及本構(gòu)模型、金屬塑性變形與流動問題、塑性成形力學(xué)的工程應(yīng)用等內(nèi)容。（3）考試題型為：名詞解釋題、填空題、簡答題和分析計算題等?！獭獭?52510合計：100分364816八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、階段測驗、作業(yè)、期末考試等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽?/p>