《金属凝固理论》教学大纲课程名称：金属凝固理论课程类别（必修/选修）：必修课程英文名称：Solidificationtheory其中实验/实贱学时：0总学时/周学时/学分：32/4/2先修课程：高等数学、物理化学、材料科学基础、金属学后续课程支撑：金属材料学授课地点：松山湖校区6C-204授课时间：1-8周，周一、周三上午第3-4节授课对象：2019级金属材料开课学院：材料科学与工程学院任课教师姓名/职称：王安定/研究员，孔风玉/讲师答疑时间、地点与方式：课后答疑、在原上课教室等方式答疑课程考核方式：开卷（V）闭卷（）课程论文（）其它（）使用教材：《廉固原理》，W.Kurz，D.J.Fisher著，李建国、胡侨丹译，高等教育出版社>参考教材：（金属凝固原理》，胡汉起主编，机械工业出版社；《金属凝固理论及应用技术》，马幼平主编，冶金工业出版社：《铸造金属凝固原理》，陈宗民主编，课程简介：金属凝固原理是金属材料专业必修课，其任务是研究金属凝固过程中传质传热现象、凝面热力学及动力学、固-液界面理论及晶体生长规律、近代面控制技术原理等内容。课程内容点阅述案固过程的传热特点，减态金结构、潜质分配系数及非平票固条件下的固-液界面成分，掌握形核与生长动力学及固-液界面结构理论，理解凝固过程中落质再分配、固-液界面稳定性理论及晶体形态和枝晶组织的形成规律，了解固-液界面非线性动力学理论，理解共晶组织的形成机制，了解偏晶、包晶合金的凝固，学会从原子尺度去理解固-液界面在凝固过程中所发生的现象，了解现代凝固技术原理及凝固组织控制方法，理解凝固组织中的缺陷形成机理及影响因素，举握凝固工艺选择方法和组织缺陷的调控方法。1
1 《金属凝固理论》教学大纲 课程名称： 金属凝固理论 课程类别（必修/选修）：必修 课程英文名称：Solidification theory 总学时/周学时/学分：32/4/2 其中实验/实践学时：0 先修课程： 高等数学、物理化学、材料科学基础、金属学 后续课程支撑： 金属材料学 授课时间： 1-8 周，周一、周三 上午第 3-4 节 授课地点：松山湖校区 6C-204 授课对象： 2019 级金属材料 开课学院： 材料科学与工程学院 任课教师姓名/职称： 王安定/研究员，孔凤玉/讲师 答疑时间、地点与方式：课后答疑、在原上课教室等方式答疑 课程考核方式：开卷（√）闭卷（）课程论文（）其它（） 使用教材：《凝固原理》，W. Kurz，D. J. Fisher 著，李建国、胡侨丹 译，高等教育出版社 参考教材：《金属凝固原理》，胡汉起 主编，机械工业出版社；《金属凝固理论及应用技术》，马幼平主编，冶金工业出版社；《铸造金属凝固原理》， 陈宗民主编， 课程简介： 金属凝固原理是金属材料专业必修课，其任务是研究金属凝固过程中传质传热现象、凝固热力学及动力学、固-液界面理论及晶体生长规律、近 代凝固控制技术原理等内容。课程内容重点阐述凝固过程的传热特点，液态金属结构、溶质分配系数及非平衡凝固条件下的固-液界面成分，掌握形核 与生长动力学及固-液界面结构理论，理解凝固过程中溶质再分配、固-液界面稳定性理论及晶体形态和枝晶组织的形成规律，了解固-液界面非线性动力 学理论，理解共晶组织的形成机制，了解偏晶、包晶合金的凝固，学会从原子尺度去理解固-液界面在凝固过程中所发生的现象，了解现代凝固技术原 理及凝固组织控制方法，理解凝固组织中的缺陷形成机理及影响因素，掌握凝固工艺选择方法和组织缺陷的调控方法
课程教学目标及对毕业要求指标点的支撑：毕业要求课程教学目标支撑毕业要求指标点目标1：1能够将数学、自然科学、工程基础和化学化工专业知理解金属凝周相变的热力学、动力学等基础理掌握物理、化学等方面的自然科学知识，能够识应用于解决复杂工程问题。论。理解金属在模具中冷却涉及的传热学理论。用于解决金属材料制备、加工领域的复杂工程2能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识理解金属凝固特性与材料的显微组织、性能间问题：掌握运用专业基础知识分析金属材料工别、表达、并通过文献研究分析复杂金属材料工程问题的交互关系。程问题的能力：以获得有效结论。目标21掌握金属材料结构/组成、性质、加工工艺、服3能够设计针对复杂金属材料工程问题的解决方案，设了解凝固过程的分析方法和凝固技术原理：掌役性能之间相互关系的基本规律，能够分析金计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并握通过凝固工艺参数调控金属材料微观组织的属材料的成分设计、合金制备、加工过程中所能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安方法：理解凝固材料中的缺陷形成机理和控制涉及的工艺参教、生产流程及关键控制步骤全、法律、文化以及环境等因素：方法：了解凝固技术的应用领域。并根据专业相关知识制度解决方案，满足特定4能够基于科学原理并采用科学方法对复杂金属材料需求。具有基于金属材料工程专业基础的基本工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、原理和科学方法开展专业基础实验，准确分析并通过信息综合得到合理有效的结论：并解释实验数据，并将实验结果进行关联以获5能够针对复杂金属材料工程问题，开发、选择与使用得有效结论的能力。能够开发、选择及使用现恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包代专业检测设备、资源及技术来分析金属材料括对复杂金属材料工程问题的预测与模拟，并能够理解工程中涉及合金设计与制备、产品加工等方面其局限性：的复杂工程问题，并能够理解其局限性。2
2 课程教学目标及对毕业要求指标点的支撑： 课程教学目标 支撑毕业要求指标点 毕业要求 目标 1： 理解金属凝固相变的热力学、动力学等基础理 论。理解金属在模具中冷却涉及的传热学理论。 理解金属凝固特性与材料的显微组织、性能间 的交互关系。 掌握物理、化学等方面的自然科学知识，能够 用于解决金属材料制备、加工领域的复杂工程 问题；掌握运用专业基础知识分析金属材料工 程问题的能力； 1 能够将数学、自然科学、工程基础和化学化工专业知 识应用于解决复杂工程问题。 2 能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识 别、表达、并通过文献研究分析复杂金属材料工程问题， 以获得有效结论。 目标 2： 了解凝固过程的分析方法和凝固技术原理；掌 握通过凝固工艺参数调控金属材料微观组织的 方法；理解凝固材料中的缺陷形成机理和控制 方法；了解凝固技术的应用领域。 掌握金属材料结构/组成、性质、加工工艺、服 役性能之间相互关系的基本规律，能够分析金 属材料的成分设计、合金制备、加工过程中所 涉及的工艺参数、生产流程及关键控制步骤， 并根据专业相关知识制度解决方案，满足特定 需求。具有基于金属材料工程专业基础的基本 原理和科学方法开展专业基础实验，准确分析 并解释实验数据，并将实验结果进行关联以获 得有效结论的能力。能够开发、选择及使用现 代专业检测设备、资源及技术来分析金属材料 工程中涉及合金设计与制备、产品加工等方面 的复杂工程问题，并能够理解其局限性。 3 能够设计针对复杂金属材料工程问题的解决方案，设 计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并 能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安 全、法律、文化以及环境等因素； 4 能够基于科学原理并采用科学方法对复杂金属材料 工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、 并通过信息综合得到合理有效的结论； 5 能够针对复杂金属材料工程问题，开发、选择与使用 恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包 括对复杂金属材料工程问题的预测与模拟，并能够理解 其局限性；
目标3培养学生崇尚科学、探究科学和热爱科学的学6能够基于金属材料工程相关背景知识进行合理分析，习态度和思想意识：差成理论联系实际、科学正确认识金属材料工程对于客观世界和社会评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健严谨、认真细致、实事求是的科学态度：的影响：能够正确和客观的评价针对复杂工程康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任：问题的金属材料工程专业工程实践对环境、社7能够理解和评价针对复杂金属材料工程问题的工程会可持续发展的影响。具有良好的语言文字表实践对环境、社会可持续发展的影响：达能力，能够撰写科技与行业报告和设计汇报10能够就复杂金属材料工程问题与业界同行及社会公文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，能够众进行有效沟通和交流，包括摄写报告和设计文稿、陈就金属材料相关的复杂工程问题与业界同行述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，及社会公众进行有效沟通和交流。能够正确认能够在跨文化背景下进行沟通和交流；12具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应识自我探索和学习的必要性。发展的能力。理论教学进程表授课教学模式学教学支撑课讲次教学主题教学内容（置点、难点、课程恩政融入点）作业安排时方法教师程目标内容：凝固理论和技术简介课程思政论文1：要求目标1重点：凝固的含义、凝固技术发展历史、学生了解中国古代的王安定线下讲授目标3绪论凝固过程的对材料的重要影响，凝固技术先进铸造技术，撰写一的重要应用。篇800字的读书笔记，3
3 目标 3： 培养学生崇尚科学、探究科学和热爱科学的学 习态度和思想意识；养成理论联系实际、科学 严谨、认真细致、实事求是的科学态度； 正确认识金属材料工程对于客观世界和社会 的影响；能够正确和客观的评价针对复杂工程 问题的金属材料工程专业工程实践对环境、社 会可持续发展的影响。具有良好的语言文字表 达能力，能够撰写科技与行业报告和设计汇报 文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，能够 就金属材料相关的复杂工程问题与业界同行 及社会公众进行有效沟通和交流。能够正确认 识自我探索和学习的必要性。 6 能够基于金属材料工程相关背景知识进行合理分析， 评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健 康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任； 7 能够理解和评价针对复杂金属材料工程问题的工程 实践对环境、社会可持续发展的影响； 10 能够就复杂金属材料工程问题与业界同行及社会公 众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈 述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野， 能够在跨文化背景下进行沟通和交流； 12 具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应 发展的能力。 理论教学进程表 讲次 教学主题 授课 教师 学 时 教学内容（重点、难点、课程思政融入点） 教学模式 教学 方法 作业安排 支撑课 程目标 1 绪论 王安定 2 内容：凝固理论和技术简介 重点：凝固的含义、凝固技术发展历史、 凝固过程的对材料的重要影响，凝固技术 的重要应用。 线下 讲授 课程思政论文 1：要求 学生了解中国古代的 先进铸造技术，撰写一 篇 800 字的读书笔记， 目标 1 目标 3
难点：无。谈谈对该技术的理解，课程思政融入点1：中国是最早发明和使以及相关技术的发现用凝固技术的国家之一，学习凝固科学的过程对社会进步的作用。过程中培养学生爱国精神。重点：固体的熔化过程及其对原子间的相互作用能的影响，液态金属的结构特征和目标1液态金属的结构和讲投王安定线下22相关物性对凝周过程的影响机理性质目标2难点：熔体中的短程有序结构理解，液体结构遗传性的作用机理重点：凝固过程的传热特点、金属型非金属型的凝固传热，影响温度场的工艺因素，目标1讲授线下王安定23凝固过程中的传热铸件凝固方式目标2难点：理解不同条件下铸件-中间层-铸型系统的热传递特定重点：传质过程的溶质平衡规律及控制方法，凝固界面上的溶质再分配规律及平衡目标1条件的影响，凝固过程中熔体的流动规律线下讲授习题作业1王安定24凝固过程中的传质目标2难点：凝固过程中各种条件下的溶质守恒，近平衡条件下的溶质分配规律，枝品间液相的流动规律重点：凝周过程的热力学定律，状态函数凝固过程的热力学讲授孔风玉线下目标145和动力学间的关系，凝固的热力学条件，均质形核4
4 难点：无。 课程思政融入点 1：中国是最早发明和使 用凝固技术的国家之一，学习凝固科学的 过程中培养学生爱国精神。 谈谈对该技术的理解， 以及相关技术的发现 过程对社会进步的作 用。 2 液态金属的结构和 性质 王安定 2 重点：固体的熔化过程及其对原子间的相 互作用能的影响，液态金属的结构特征和 相关物性对凝固过程的影响机理 难点：熔体中的短程有序结构理解，液体 结构遗传性的作用机理 线下 讲授 目标 1 目标 2 3 凝固过程中的传热 王安定 2 重点：凝固过程的传热特点、金属型非金 属型的凝固传热，影响温度场的工艺因素， 铸件凝固方式； 难点：理解不同条件下铸件-中间层-铸型 系统的热传递特定 线下 讲授 目标 1 目标 2 4 凝固过程中的传质 王安定 2 重点：传质过程的溶质平衡规律及控制方 法，凝固界面上的溶质再分配规律及平衡 条件的影响，凝固过程中熔体的流动规律 难点：凝固过程中各种条件下的溶质守恒， 近平衡条件下的溶质分配规律，枝晶间液 相的流动规律 线下 讲授 习题作业 1 目标 1 目标 2 5 凝固过程的热力学 和动力学 孔凤玉 4 重点：凝固过程的热力学定律，状态函数 间的关系，凝固的热力学条件，均质形核 线下 讲授 目标 1
目标2和非均质形核过程的能量和临界条件，固液界面的微观结构对晶粒长大过程的影响机理难点：凝固自发过程的条件判断，临界形核半径和形核功的模型理解，固液界面微观结构对晶粒生长过程的热力学的影响重点：凝周过程中品粒的两种长大方式，过冷的形成条件及其对传热和传质的影目标1讲授孔风玉线下习题作业22单相合金的凝固响，过冷条件对枝品生长规律的影响6目标2难点：平面生长、胞状生长、柱状品和等轴品的生长条件和机理重点：共品合金的分类、凝周规律和特定，偏品合金大体积凝周和定向凝固的规律，目标1线下讲授王安定27多相合金的凝固包品反应的晶粒细化机理目标2难点：规则共晶、非规则共品、伪共品片层状共品、状共晶的结规律区别重点：典型凝固组织，不同形态晶区的形目标1凝固组织的形成和成机理，凝固组织的影响工艺条件王安定线下讲授28控制难点：铸造条件对凝固组织的影响规律及目标2控制机理目标1重点：定向凝固工艺设计原理，单品生长课程思政论文2：以生讲授王安定线下0定向凝固技术规律，柱状晶的生长条件和规律活中常见的物品为目标25
5 和非均质形核过程的能量和临界条件，固 液界面的微观结构对晶粒长大过程的影响 机理 难点：凝固自发过程的条件判断，临界形 核半径和形核功的模型理解，固液界面微 观结构对晶粒生长过程的热力学的影响 目标 2 6 单相合金的凝固 孔凤玉 2 重点：凝固过程中晶粒的两种长大方式， 过冷的形成条件及其对传热和传质的影 响，过冷条件对枝晶生长规律的影响 难点：平面生长、胞状生长、柱状晶和等 轴晶的生长条件和机理 线下 讲授 习题作业 2 目标 1 目标 2 7 多相合金的凝固 王安定 2 重点：共晶合金的分类、凝固规律和特定， 偏晶合金大体积凝固和定向凝固的规律， 包晶反应的晶粒细化机理 难点：规则共晶、非规则共晶、伪共晶片 层状共晶、棒状共晶的结晶规律区别 线下 讲授 目标 1 目标 2 8 凝固组织的形成和 控制 王安定 2 重点：典型凝固组织，不同形态晶区的形 成机理，凝固组织的影响工艺条件 难点：铸造条件对凝固组织的影响规律及 控制机理 线下 讲授 目标 1 目标 2 9 定向凝固技术 王安定 2 重点：定向凝固工艺设计原理，单晶生长 规律，柱状晶的生长条件和规律 线下 讲授 课程思政论文 2：以生 活 中 常 见 的 物 品 为 目标 1 目标 2