材料成形基本原理 第3版

本教材是材料成形及控制工程专业的基础理论教材，为普通高等教育“十二五”“十一五”“十五”*规划教材。本教材从培养学生宽口径、厚基础的人才目标出发，把凝固成形、焊接成形、塑性成形等近代材料成形技术中的共同的物理现象、基本规律及基本原理加以阐述，使学生对材料成形过程及其基本原理与方法有较深入和系统的理解，为后续课程的学习奠定理论基础。本教材分为两篇，共20章。第1篇主要讲述铸造与焊接成形中的凝固结晶学、化学与物理冶金原理等共性技术；第2篇主要讲述塑性成形中的力学原理。 本教材可作为普通高等学校材料成形及控制工程专业和机械类本科生教材,也可作为相关专业研究生和相关工程技术人员的参考用书。

第3版前言第2版前言第1版前言绪论101材料成形基本原理及其理论指导意义102材料成形原理的发展203材料成形原理课程的任务与内容4第1篇材料成形过程中的凝固与冶金原理第1章液态金属的结构与性质611引言612液态金属的结构713液态金属的黏度1614液态金属的表面张力20思考与练习27第2章液态金属的充型能力2821液态金属充型能力的基本概念2822液态金属的停止流动机理与充型能力2923影响充型能力的因素30思考与练习36第3章凝固温度场3731传热基本原理3732铸造过程温度场4033熔焊过程温度场48思考与练习54第4章晶体形核与生长5641引言5642液固相变驱动力及过冷度5943凝固形核6444晶体生长71思考与练习79第5章单相合金凝固8051凝固过程中的溶质再分配8052合金凝固界面前沿的成分过冷9053成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响9354界面稳定性动力学分析10355枝晶间距105思考与练习110第6章多相合金凝固11361共晶组织的分类及特点11362规则共晶的凝固11563共晶与枝晶相的竞争生长12164非小平面小平面非规则共晶的结晶12865包晶凝固140思考与练习145第7章铸件与焊缝宏观组织及其控制14771铸件的宏观组织14772表面激冷晶区及柱状晶区的形成14873内部等轴晶的形成机理14974铸件宏观结晶组织的控制15175焊接熔池凝固及控制156思考与练习160第8章特殊条件下的凝固与成形16181概述16182快速凝固16183失重条件下的凝固17084定向凝固172思考与练习173第9章液态金属与气相的相互作用17491气体的来源与产生17492气体在金属中的溶解17993气体对金属的氧化18394气体的影响与控制186思考与练习188第10章液态金属与熔渣的相互作用190101渣相的作用与形成190102渣体结构及碱度192103渣相的物理性质195104活性熔渣对金属的氧化198思考与练习201第11章液态金属的净化与精炼203111液态金属的脱氧203112液态金属的脱碳精炼反应208113液态金属的脱硫209114液态金属的脱磷211思考与练习212第12章焊接热影响区的组织与性能213121焊接热循环213122焊接热循环条件下的金属组织转变特点216123焊接热影响区的组织与性能分析218思考与练习226第13章缺陷形成与控制228131合金中的成分偏析228132气孔与夹杂233133缩孔与缩松242134应力251135热裂纹255136冷裂纹263思考与练习269第2篇材料成形力学原理第14章金属塑性成形的物理基础271141概述271142金属在冷态下的塑性变形273143金属的热塑性变形279144对塑性和变形抗力的影响因素286145金属的超塑性294思考与练习297第15章应力分析299151张量的基本知识299152外力、应力和点的应力状态302153主应力和主切应力305154应力平衡微分方程310155应力莫尔圆311思考与练习314第16章应变分析316161位移与应变316162质点的应变状态和应变张量317163小应变几何方程、应变连续方程319164塑性变形体积不变条件323165速度分量和速度场、位移增量和应变增量、应变速率张量323166对数应变325167平面问题和轴对称问题326思考与练习330第17章屈服准则332171材料真实应力应变曲线及材料模型332172理想塑性材料的屈服准则339173屈服准则的几何表达341174两个屈服准则的统一表达式344175应变硬化材料的屈服与加载表面344思考与练习346第18章材料本构关系348181弹性应力应变关系348182塑性应力应变关系349183增量理论350184全量理论352思考与练习354第19章金属塑性变形与流动问题355191金属流动方向——小阻力定律355192影响金属塑性变形和流动的因素356193不均匀变形、附加应力和残余应力357194金属塑性成形中的摩擦和润滑360思考与练习365第20章塑性成形力学的工程应用367201金属塑性成形问题的求解方法概述367202主应力法及其求解要点367203主应力法的应用368204滑移线的基本理论372205滑移线法的应用379206塑性极值原理和上限法383207上限法的应用388思考与练习392参考文献394

本教材是“十二五”普通高等教育本科规划教材，是为适应教学改革需要，为材料成形及控制工程专业编写的，其第1版和第2版先后列入普通高等教育“十五”“十一五”规划教材，作为专业技术基础课程教材，供各高校选用。 鉴于近年材料成形诸领域基础理论及技术原理方面的认知不断丰富、深化和完善，也基于该教材多年教学实践的体会和国内同行专家们的反馈，我们深切感受到，在第1版和第2版的基础上，需要对教材的内容体系做必要的更新和进一步充实，同时对教材的篇章结构做适当的调整。受教材原主编刘全坤教授的委托，由祖方遒教授全面负责第3版教材的改编和修订工作。 在新版教材的改编中，我们遵循以下两方面的原则： ，在内容更新与表达上进行尝试，力图与国内外当今的相应发展和认知水平同步，以体现教材的时代特征。在这一点上，着重在凝固基础和现代方法的内容及表达方面做出了较多实质性的更新和充实。例如：凝固过冷度方面做了系统的梳理；成分过冷以全新的视角加以表达和推演，并增加了界面稳定性动力学分析方面的简要介绍，这些均有利于读者对凝固界面失稳建立更加清晰、全面的认识；进一步充实了枝晶形貌和枝晶间距方面的概念和规律方面的内容；在多相合金凝固方面，更新并充实了共晶结晶基础以及铸铁、铝硅合金两大类铸造合金的共晶凝固规律的内容，其中较多内容反映了近年来国内外科研和生产实际中形成的共识和重要规律；同时增加了包晶凝固的内容。对于相对经典、成熟的塑性成形力学原理的内容（第2篇），进行了部分改写，并调整补充了一些例题和习题。 第二，坚持第1、2版教材宽口径、厚基础的人才培养目标，对不同传统专业原先的原理课内容的共性知识进行科学、有机的整合。其中，将铸造、焊接共同相关的金属凝固原理、冶金原理与冶金反应、液态金属结构与性质等多方面共性知识内容进行了有机的凝练与整合。在强调共性知识的同时，梳理出铸造、焊接工艺过程的各自特有的规律和特点，分辨其间的不同点。 教材注重对成形过程物理现象、基本规律、基本原理、分析问题的方法加以阐述，使学生对材料成形过程及原理有较深入的理解，为后续的专业课程学习奠定理论基础。其中将材料成形中的凝固结晶、化学与物理冶金等共性技术进行整合构成第1篇（1～13章）；将材料塑性成形力学原理整合构成第2篇（14～20章）。新版教材共分两篇20章，主要包括以下内容： 1）液态金属和合金的结构、性质，液态金属的充型能力。 2）金属与合金凝固结晶的基本概念与基本原理，以及结晶过程中的伴随现象与材料凝固组织形成规律和控制方法。 3）铸造成形及焊接成形过程中的物理、化学冶金现象和内部规律。 4）金属塑性成形的力学基础、塑性成形的基本原理和分析方法。 5）成形质量分析和控制方法。 本书由合肥工业大学祖方遒教授任主编，陈文琳教授和李萌盛副教授任副主编。具体分工为：祖方遒编写第1、2、4、5、6章及第7章的71～74节，陈文琳编写第14、15、16章，李萌盛编写第3、10章，合肥工业大学王国平副教授编写第11、12章及75节，山东大学曲仕尧教授编写第9、13章，江苏大学陈刚教授编写第8章，江苏大学王雷刚教授编写第17、18、19章，东南大学高锦张教授编写第20章。全书由祖方遒教授和陈文琳教授（主要负责第2篇）统稿。东南大学孙国雄教授和山东大学孙胜教授担任本书主审。合肥工业大学陈其善、曹诗倬、张兆鹏，以及南京工程学院贾俐俐等几位教授在审稿会上也对本书的修改提出了许多有益建议。在此一并向他们表示衷心的感谢。 由于编者水平有限，书中难免存在缺点和错误，敬请各高校师生在使用本教材和读者阅读本教材时能及时给予批评指正，以便日后改进。 编者本教材是为适应教学改革需要，为材料成形及控制工程专业编写的，为普通高等教育“十一五”规划教材、普通高等教育“十五”规划教材，作为本专业的技术基础课程教材，供各高校选用。 编写本教材是一种改革的尝试。从材料成形及控制工程专业角度和培养学生宽口径、厚基础的人才目标出发，编写一本适合专业特点的教材，把凝固成形、焊接成形、塑性成形、聚合物成形等近代材料成形技术中共同的物理现象、基本规律，以及各种成形技术的基本原理、理论基础、分析问题的方法加以阐述，使学生对材料成形过程及原理有较深入的理解，为后续的专业课程学习奠定理论基础。 全书分两篇共18章，着重介绍铸件形成原理、焊接冶金原理、塑性成形原理、聚合物成形原理。其中将材料成形中的凝固结晶、化学冶金等共性技术进行整合构成篇；将材料成形中的力学原理进行整合构成第二篇。本书包括以下主要内容： 1）液态金属和合金的结构、性质，液态金属与合金凝固结晶的基本规律及结晶过程中的伴随现象，冶金处理对凝固组织与材料性能的影响。 2）液态成形过程中的物理、化学冶金现象和内部规律，成形质量分析和控制方法。 3）金属塑性成形的力学基础、塑性成形的基本原理和分析方法。 4）聚合物流变模型和流变特性。 本书由合肥工业大学刘全坤教授任主编，编写第十二、十三、十四章；合肥工业大学祖方遒教授任副主编，编写、三、四章和第五章的～四节；合肥工业大学李萌盛副教授任副主编,编写第二、八章；江苏大学陈刚教授编写第六章；山东大学曲仕尧教授编写第七、十一章；合肥工业大学王国平副教授编写第九、十章和第五章的第五节；江苏大学王雷刚教授编写绪论及第十五、十六、十七章；东南大学高锦张副教授编写第十八章。为配合多媒体教学，本教材配有多媒体课件，由合肥工业大学陈文琳教授和李萌盛副教授制作完成。 东南大学孙国雄教授和山东大学孙胜教授担任本书主审。孙国雄教授审阅了本书的篇，孙胜教授审阅了本书的第二篇。两位主审认真细致的态度和严谨的科学作风给全体编写人员留下了深刻的印象。他们在审阅中为本书的编写和修改提出了许多非常宝贵的意见。合肥工业大学陈其善教授、曹诗倬教授和章兆鹏副教授对本教材的编写和修改提出许多有益的建议。南京工程学院贾俐俐教授参加了本教材的讨论，给予很大的支持。在此一并向他们表示衷心的感谢。 由于编者的水平有限，书中必有许多缺点和错误，敬请各高校师生在使用本教材和读者阅读本教材时能及时批评指正，以便再版时修改。 编者