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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