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绪论 1

第一节 材料成形基本原理及其理论指导意义 1

一、材料成形技术 1

二、材料成形基本原理 1

三、材料成形原理的理论指导意义 1

第二节 材料成形原理的发展 2

一、凝固理论的发展概况 2

二、成形过程化学冶金理论的发展概况 3

三、金属塑性成形理论的发展概况 3

第三节 材料成形原理课程的任务与内容 4

第一篇 材料成形过程中的凝固与冶金原理 6

第一章 液态金属的结构与性质 6

第一节 引言 6

第二节 液态金属的结构 7

一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征 7

二、由物质熔化过程认识液态金属结构 8

三、液态金属结构的理论模型 9

四、实际金属的液态结构 12

五、对液态金属结构的再认识及研究新进展 13

第三节 液态合金的性质 15

一、液态合金的粘度 15

二、液态合金的表面张力 18

第四节 液态金属的充型能力 25

一、液态金属充型能力的基本概念 25

二、液态金属停止流动机理与充型能力 26

三、影响充型能力的因素 27

思考与练习 29

第二章 凝固温度场 31

第一节 传热基本原理 31

一、温度场与传热学的基本理论 31

二、凝固传热的基本方程 32

三、凝固温度场的求解方法 33

第二节 铸造过程温度场 34

一、半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场 34

二、铸件凝固时间计算 37

三、界面热阻与实际凝固温度场 39

四、铸件凝固方式及其影响因素 40

第三节 熔焊过程温度场 42

一、焊接温度场的基本类型 42

二、影响温度场的因素 43

三、典型焊接温度场的解析解 46

思考与练习 48

第三章 金属凝固热力学与动力学 50

第一节 凝固热力学 50

一、液-固相变驱动力 50

二、曲率、压力对物质熔点的影响 51

三、溶质平衡分配系数（K0） 52

第二节 均质形核 53

一、形核功及临界半径 53

二、形核率 55

第三节 非均质形核 55

一、非均质形核形核功 55

二、非均质形核的形核条件 57

第四节 晶体生长 58

一、固-液界面结构及其影响因素 58

二、晶体生长方式 60

三、晶体生长速度 61

四、晶体生长中位错的形成 62

思考与练习 62

第四章 单相及多相合金的结晶 64

第一节 凝固过程中溶质再分配 64

一、平衡凝固条件下的溶质再分配 64

二、固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配 65

三、固相中无扩散而液相中只有有限扩散的溶质再分配 66

四、液相中部分混合（有对流作用）的溶质再分配 70

第二节 合金凝固界面前沿的成分过冷 72

一、“成分过冷”条件和判据 72

二、“成分过冷”的过冷度 74

第三节 “成分过冷”对合金单相固溶体结晶形态的影响 75

一、热过冷及其对纯金属液固界面形态的影响 75

二、“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响规律 76

三、窄成分过冷作用下的胞状组织的形成及其形貌 77

四、较宽成分过冷作用下的枝晶生长 78

五、等轴晶的形成与内生生长 79

六、枝晶间距 80

第四节 共晶合金的凝固 80

一、共晶组织的分类及特点 80

二、非平衡状态下的共晶共生区（Couple-Zone） 81

三、离异生长及离异共晶 83

四、非小晶面-非小晶面共生共晶的形成 84

五、非小晶面-小晶面共晶合金的结晶 87

思考与练习 89

第五章 铸件与焊缝宏观组织及其控制 91

第一节 铸件的宏观组织 91

第二节 表面激冷晶区及柱状晶区的形成 92

一、表面激冷晶区的形成 92

二、柱状晶区的形成 92

第三节 内部等轴晶的形成机理 93

一、“成分过冷”理论 93

二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 93

三、枝晶熔断及结晶雨理论 95

第四节 铸件宏观结晶组织的控制 95

一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 95

二、孕育处理 97

三、动力学细化 99

第五节 焊接熔池凝固及控制 99

一、熔池凝固条件 100

二、熔池结晶特征 100

三、熔池结晶组织的细化 103

思考与练习 104

第六章 特殊条件下的凝固与成形 105

第一节 概述 105

第二节 快速凝固 105

一、快速凝固简介 105

二、快速凝固方法 106

三、快速凝固显微组织 108

四、金属玻璃 112

第三节 失重条件下的凝固 114

第四节 定向凝固 116

思考与练习 117

第七章 液态金属与气相的相互作用 118

第一节 气体的来源与产生 118

一、焊接区内的气体 118

二、铸造过程中的气体 120

第二节 气体在金属中的溶解 123

一、气体的溶解过程 123

二、气体的溶解度 124

第三节 气体对金属的氧化 127

一、金属氧化还原方向的判据 127

二、氧化性气体对金属的氧化 128

第四节 气体的影响与控制 129

一、气体对金属质量的影响 129

二、气体的控制措施 130

思考与练习 132

第八章 液态金属与熔渣的相互作用 133

第一节 渣相的作用与形成 133

一、熔渣的作用与分类 133

二、熔渣的来源与构成 134

第二节 渣体结构及碱度 135

一、熔渣结构的分子理论 135

二、熔渣结构的离子理论 136

三、熔渣的碱度 137

第三节 渣相的物理性质 138

一、熔渣的凝固温度与密度 138

二、熔渣的粘度 139

三、熔渣的表面张力及界面张力 140

第四节 活性熔渣对金属的氧化 141

一、熔渣的氧化性 141

二、扩散氧化 142

三、置换氧化 143

思考与练习 144

第九章 液态金属的净化与精炼 145

第一节 液态金属的脱氧 145

一、先期脱氧 146

二、沉淀脱氧 146

三、扩散脱氧 148

四、真空脱氧 149

第二节 液态金属的脱碳精炼反应 149

第三节 液态金属的脱硫 151

一、沉淀脱硫 151

二、熔渣脱硫 152

第四节 液态金属的脱磷 153

思考与练习 154

第十章 焊接热影响区的组织与性能 155

第一节 焊接热循环 155

一、研究焊接热循环的意义 155

二、焊接热循环的参数及特征 155

三、焊接热循环参数的计算及其影响因素 156

第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点 157

一、焊接过程的特殊性 158

二、焊接加热过程的组织转变 158

三、焊接冷却过程的组织转变 159

第三节 焊接热影响区的组织与性能分析 160

一、焊接热影响区的组织分布 160

二、焊接热影响区的性能 162

思考与练习 168

第十一章 凝固缺陷及控制 169

第一节 合金中的成分偏析 169

一、微观偏析 169

二、宏观偏析 171

第二节 气孔与夹杂 174

一、气孔 174

二、夹杂物 179

第三节 缩孔与缩松 183

一、金属的收缩 183

二、缩孔与缩松的分类及特征 186

三、缩孔与缩松的形成机理 187

四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施 189

第四节 应力 192

一、应力的形成 192

二、控制应力的措施 195

第五节 热裂纹 196

一、热裂纹的分类及特征 196

二、热裂纹的形成机理 197

三、影响热裂纹形成的因素 199

四、防止热裂纹的措施 203

第六节 冷裂纹 204

一、冷裂纹的分类及特征 204

二、影响冷裂纹产生的因素 205

三、延迟裂纹的形成机理 208

四、冷裂纹的控制 209

思考与练习 210

第二篇 材料成形力学原理 214

第十二章 金属塑性成形的物理基础 214

第一节 概述 214

一、金属塑性成形的特点 214

二、塑性成形工艺的分类 214

第二节 金属在冷态下的塑性变形 216

一、金属的晶体结构和组织 216

二、金属冷态下的塑性变形机理 216

三、合金的塑性变形 218

四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 220

第三节 金属的热塑性变形 222

一、热塑性变形时金属的软化过程 222

二、热塑性变形机理 225

三、双相合金热塑性变形的特点 226

四、热塑性变形对金属组织和性能的影响 227

第四节 对塑性和变形抗力的影响因素 229

一、塑性指标和变形抗力 229

二、对塑性的影响因素 231

三、对变形抗力的影响因素 235

第五节 金属的超塑性 236

一、超塑性变形的特点 237

二、超塑性变形的类型 237

三、超塑性变形时组织的变化和对力学性能的影响 238

四、超塑性变形机理 239

思考与练习 240

第十三章 应力分析 241

第一节 张量的基本知识 241

一、角标符号和求和约定 241

二、张量的基本概念 242

三、张量的基本性质 243

四、应力张量 243

第二节 外力、应力和点的应力状态 243

一、外力和应力 243

二、直角坐标系中一点的应力状态 244

第三节 主应力和主切应力 246

一、主应力 246

二、应力张量不变量 247

三、主切应力和最大切应力 247

四、应力偏张量和应力球张量 249

五、等效应力 250

第四节 应力平衡微分方程 250

第五节 应力莫尔圆 251

一、平面应力状态下的应力莫尔圆 252

二、三向应力莫尔圆 253

思考与练习 254

第十四章 应变分析 256

第一节 位移与应变 256

第二节 质点的应变状态和应变张量 257

第三节 小应变几何方程、应变连续方程 259

一、小应变几何方程 259

二、应变连续方程 261

第四节 有限变形 262

第五节 塑性变形体积不变条件 264

第六节 速度分量和速度场、位移增量和应变增量、应变速率张量 265

一、速度分量和速度场 265

二、位移增量和应变增量 265

三、应变速率张量 266

第七节 对数应变 267

第八节 平面问题和轴对称问题 268

一、平面应力问题 268

二、平面应变问题 269

三、轴对称问题 270

思考与练习 272

第十五章 屈服准则 273

第一节 材料真实应力-应变曲线及材料模型 273

一、拉伸图和条件应力-应变曲线 273

二、拉伸真实应力-应变曲线 274

三、拉伸真实应力-应变曲线的塑性失稳点特性 275

四、材料模型 275

第二节 理想塑性材料的屈服准则 280

一、屈服准则的概念 280

二、屈雷斯加（H.Tresca）屈服准则 280

三、密塞斯（von Mises）屈服准则 281

第三节 屈服准则的几何表达 281

一、主应力空间中的屈服表面 281

二、平面应力状态的屈服轨迹 282

三、π平面上的屈服轨迹 283

第四节 两个屈服准则的统一表达式 284

第五节 应变硬化材料的屈服与加载表面 285

思考与练习 286

第十六章 材料本构关系 288

第一节 弹性应力应变关系 288

第二节 塑性应力应变关系 289

第三节 增量理论 290

一、列维-密塞斯（Levy-Mises）理论 290

二、应力-应变速率方程 291

三、普朗特-劳斯（Prandtl-Reuss）理论 291

第四节 全量理论 292

第五节 粉末体塑性成形理论 293

一、基本假设 293

二、粉末体变形的屈服准则 294

三、粉末体塑性变形时的应力应变关系 295

第六节 金属粘塑性本构关系 296

一、金属的粘塑性行为 296

二、粘塑性本构方程 298

第七节 聚合物熔体的流变特性 298

一、聚合物熔体的非牛顿剪切粘性 298

二、聚合物熔体的弹性行为 299

思考与练习 299

第十七章 金属塑性变形与流动问题 301

第一节 金属流动方向——最小阻力定律 301

第二节 影响金属塑性变形和流动的因素 302

一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响 302

二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响 302

三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响 303

四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响 303

第三节 不均匀变形、附加应力和残余应力 303

一、不均匀变形 303

二、附加应力 304

三、残余应力 304

第四节 金属塑性成形中的摩擦和润滑 305

一、金属塑性成形中摩擦的特点及其影响 305

二、塑性成形中的摩擦分类及机理 306

三、塑性成形时摩擦力的计算 307

四、影响摩擦因数的主要因素 308

五、塑性成形的摩擦因数的测定方法 308

六、塑性成形中的润滑 309

思考与练习 311

第十八章 塑性成形力学的工程应用 312

第一节 金属塑性成形问题的求解方法概述 312

第二节 主应力法及其求解要点 313

第三节 主应力法的应用 313

一、平面应变镦粗的变形力 314

二、轴对称镦粗的变形力 315

三、通过圆锥孔形挤压的变形力 315

四、在板料成形中的应用 316

第四节 滑移线的基本理论 317

一、平面变形应力状态的特点 318

二、最大切应力迹线——滑移线的形成 318

三、关于α、β滑移线和ω角的规定 319

四、滑移线的微分方程 320

五、滑移线的主要特性 320

六、滑移线场的建立 321

第五节 滑移线法的应用 324

一、平冲头压入半无限体 324

二、平砧横镦圆断面轴 326

第六节 塑性极值原理和上限法 328

一、概述 328

二、虚功原理与基本能量方程式 329

三、速度间断 329

四、最大散逸功原理 330

五、上限法原理 331

第七节 上限法的应用 333

一、上限法的解题步骤 333

二、应用实例 334

思考与练习 337

参考文献 339