《材料成形原理》教學大綱

《材料成形原理》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：03141161課程性質：專業(yè)必修課學分：3學分學時：48學時（理論48學時）先修課程：高等數學、機械制圖、材料科學基礎等后續(xù)課程：沖壓工藝及模具設計、塑料成型工藝及模具設計、材料成形數字化設計等適用專業(yè)：材料成型及控制工程開課單位：材料科學與工程學院一、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和制品性能的因素及缺陷形成的機理。通過本課程的學習使學生對液態(tài)金屬成形過程及塑性成形有深入的實質性的理解；能從本質上認識和分析材料成形過程中產生的實際問題和提出解決問題的途徑；為今后學習成形技術的具體工藝方法、設備控制等課程，為開發(fā)新材料、新的成形技術奠定堅實的理論基礎。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：了解材料成型及控制工程領域的最新發(fā)展動態(tài)，了解新工藝、新技術、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域工程問題并能夠提出初步的解決方案；使學生樹立嚴謹求實的職業(yè)精神，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。課程目標2：具有一定的工程材料選用和成型工藝分析的能力，能夠對材料成型領域的工程應用問題進行研究和方案設計；具有的獲取新知識、掌握科技發(fā)展新動態(tài)的自主學習能力，培養(yǎng)學生的實踐能力和團隊協(xié)作能力。課程目標3：理解行業(yè)標準、法律法規(guī)、及相關知識產權、行業(yè)政策，樹立科學的世界觀、人生觀和價值觀；具有嚴謹的科學態(tài)度和現(xiàn)代社會的競爭意識、環(huán)境保護意識、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、較高的人文科學素養(yǎng)，樹立正確的審美觀念和勞動精神、勞動意識。三、課程目標與畢業(yè)要求《材料成形原理》課程教學目標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課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識1.1能正確使用技術語言表達材料成型專業(yè)領域的復雜工程問題。課程目標1：了解材料成型及控制工程領域的最新發(fā)展動態(tài)，了解新工藝、新技術、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域工程問題并能夠提出初步的解決方案；使學生樹立嚴謹求實的職業(yè)精神，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。H1.2能針對具體對象建立數學模型并求解。課程目標1：了解材料成型及控制工程領域的最新發(fā)展動態(tài)，了解新工藝、新技術、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域工程問題并能夠提出初步的解決方案；使學生樹立嚴謹求實的職業(yè)精神，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。H2.問題分析2.2能夠應用數學、自然科學基本原理，對復雜材料成型及控制工程問題進行表述。課程目標2：具有一定的工程材料選用和成型工藝分析的能力，能夠對材料成型領域的工程應用問題進行研究和方案設計；具有的獲取新知識、掌握科技發(fā)展新動態(tài)的自主學習能力，培養(yǎng)學生的實踐能力和團隊協(xié)作能力。H2.3能夠運用相關知識，并通過文獻研究分析復雜材料成型及控制工程問題，以獲得有效結論。課程目標2：具有一定的工程材料選用和成型工藝分析的能力，能夠對材料成型領域的工程應用問題進行研究和方案設計；具有的獲取新知識、掌握科技發(fā)展新動態(tài)的自主學習能力，培養(yǎng)學生的實踐能力和團隊協(xié)作能力。H4.研究4.2能夠基于科學原理，采用科學方法設計實驗，對材料成型專業(yè)領域的復雜工程問題制定實驗方案并實施。課程目標3：理解行業(yè)標準、法律法規(guī)、及相關知識產權、行業(yè)政策，樹立科學的世界觀、人生觀和價值觀；具有嚴謹的科學態(tài)度和現(xiàn)代社會的競爭意識、環(huán)境保護意識、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、較高的人文科學素養(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）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內容、基本要求與學時分配理論部分的教學內容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內容、基本要求與學時分配教學內容教學要求，教學重點難點理論學時對應的課程目標1.緒論介紹本課程的目的和任務，材料成形內容及其在國民經濟、國防、高技術領域的意義，各種材料成形技術原理（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。教學要求：理解材料成形原理的理論指導意義；了解凝固理論、化學冶金理論、金屬塑性成形理論的發(fā)展。重點難點：使學生理解“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容。21、2、32.液態(tài)金屬的結構與性質以液態(tài)金屬為例，概要介紹有關液體結構的知識，并注意體現(xiàn)近年來新的突破和成果。對液體的性質，主要討論與液態(tài)成形相關的粘度和表面張力。教學要求：掌握液態(tài)金屬的結構特點及理論模型；掌握液態(tài)金屬的性質及其與充型能力的相互關系。重點：液態(tài)金屬的結構、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.凝固熱力學與動力學傳熱基本原理、鑄造溫度場、熔焊溫度場；液-固相變驅動力、均質形核、非均質形核；晶體生長。教學要求：理解溫度場與傳熱學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)及內部等軸晶區(qū)的形成機理；鑄件的宏觀結晶及組織控制；焊接熔池凝固及控制；特殊條件下的凝固與成形。教學要求：理解并掌握鑄件和焊接熔池宏觀組織的結晶機理、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：宏觀組織的結晶機理、形成過程及控制方法。難點：宏觀組織形成機理。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、熔渣對金屬質量的影響、液態(tài)金屬的凈化方法。重點：氣體、熔渣對金屬質量的影響、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)下金屬組織的轉變；焊接熱影響區(qū)的組織與性能分析。教學要求：理解焊接熱循環(huán)的意義、參數計算及其影響因素；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；應力的形成與控制；冷、熱裂紋教學要求：理解并掌握各種缺陷的形成機理、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、應力、裂紋的形成機理與控制方法。難點：各種缺陷的形成機理。41、28.金屬塑性成形的物理基礎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理、特點，位錯理論的基本概念，加工硬化、回復與再結晶的概念；重點：塑性冷、熱變形的機理、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、超塑性變形機理及其對金屬組織和力學性能的影響規(guī)律，金屬的塑性行為。21、29.金屬塑性變形的力學基礎變形體內點的應力狀態(tài)分析；變形體內點的應變狀態(tài)分析；平面問題和軸對稱問題；主要的屈服準則；塑性變形時應力應變關系(本構關系)；真實應力一應變曲線。教學要求：掌握直角坐標系中一點的應力狀態(tài)，平面應力狀態(tài)和軸對稱應力狀態(tài)；理解應力平衡微分方程、應力莫爾圓；掌握塑性變形的基本理論及其應用，小變形分析，平面變形問題和軸對稱問題；掌握有關材料性質的一些基本概念；理解密塞斯屈服準則的物理意義；了解屈雷斯加屈服準則、密塞斯屈服準則的幾何表達形式、塑性條件以及平面問題和軸對稱問題中屈服準則的簡化形式；掌握彈性應力應變關系，塑性變形時應力應變關系的特點；理解塑性變形的增量理論和全量理論；重點：點的應力、應變狀態(tài)分析，主應力、主切應力及等效應力的計算，平面與軸對稱問題的應力、應變狀態(tài)，主要的屈服準則及應用，本構方程，真實應力-應變曲線。難點：主應力、主切應力及等效應力的計算，應力莫爾圓求平面應力狀態(tài)的主應力，本構方程以及增量理論、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、附加應力和殘余應力；金屬塑性成形中的摩擦和潤滑。教學要求：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、機理和主要因素測定方法；理解附加應力和殘余應力的概念、摩擦機理分析及接觸表面上摩擦力的數學表達重點：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理和影響因素、摩擦系數的測定方法、常見的潤滑方法。難點：附加應力和殘余應力的概念、摩擦機理分析及接觸表面上摩擦力的數學表達。21、211.塑性成形力學的工程應用主應力法的基本原理及應用；滑移線法的基本理論及應用；上限法的原理及應用。教學要求：主應力法的基本原理及應用；滑移線法的基本理論及應用；上限法的原理及應用。重點：主應力、法滑移線法、上限法在塑性成形中的應用。難點：變形力公式的推導、平衡微分方程和塑性條件聯(lián)立求解的數學解析法、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、視頻資源共享等教學手段完成課程教學任務和相關能力的培養(yǎng)。促進學生積極思考，開發(fā)學生的潛能，培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力；使學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性的理解，能從本質上認識和分析材料成形過程中產生的實際問題和提出解決問題的途徑；為開發(fā)新材料、新的成形技術奠定堅實的理論基礎。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：機械工業(yè)出版社,2015.（4）董選普,李繼強.《鑄造工藝學》[M].北京：化學工業(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的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].塑性工程學報,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對材料強韌性影響的研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術,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展[J].塑性工程學報,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展[J].特種鑄造及有色合金,2020,40(3):253-258.4.網絡資源：（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成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表3。表3課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)16（1）根據課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，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）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、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)金屬的結構與性質、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、應力應變分析、屈服準則及本構模型、金屬塑性變形與流動問題、塑性成形力學的工程應用等內容。（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生進行考核評價?？己嘶疽?/p>