《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：TheoryofMetalSolidification其中实验/实践学时：4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6E-302，6B-303授课时间：1-10周，周二5、6节，周四上午第1、2节授课对象：2020级金属材料材料科学与工程学院开课学院：任课教师姓名/职称：王安定/特聘研究员，孔凤玉/讲师答疑时间、地点与方式：课后答聚、在原上课教室等方式答疑课程考核方式：开卷（）闭卷（V）课程论文（）其它（）使用教材：《铸造金属凝固原理》，陈宗民主编参考教材：《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：《凝固原理》，W.Kurz，D.J.Fisher著，李建国、胡侨丹译，高等教育出版社课程简介：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、周-液界面理论及品体生长规律、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品组织的形成规律，了解固-液界面非线性动力学理论，理解共品组织的形成机制，了解偏品、包品合金的凝固，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：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：Theory of Metal Solidification 总学时/周学时/学分：32/4/2 其中实验/实践学时：4 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： 1-10 周，周二 5、6 节，周四 上午第 1、2 节 授课地点：松山湖校区 6E-302，6B-303 授课对象： 2020 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/特聘研究员，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：《铸造金属凝固原理》，陈宗民主编 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；《凝固原理》，W. Kurz， D. J. Fisher 著，李建国、胡侨丹 译，高等教育出版社 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：理解金属凝固相变的热力学、动力学等基础理2.能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别2.2掌握运用专业基础知识分析金属材料论。理解金属在模具中冷却涉及的传热学理论。表达、并通过文献研究分析复杂金属材料工程问题，以获工程问题的能力：理解金属凝固特性与材料的显微组织、性能间得有效结论。的交互关系。目标2:3.2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，了解凝固过程的分析方法和凝固技术原理：掌3.能够设计针对复杂金属材料工程问题的解决方案，设计握通过凝固工艺参数调控金属材料微观组织的能够分析金属材料的成分设计、合金制备、满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够方法：理解凝固材料中的缺陷形成机理和控制加工过程中所涉及的工艺参数、生产流程在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法方法：了解凝固技术的应用领域。及关键控制步骤，并根据专业相关知识制律、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度解决方案，满足特定需求。4.2具有基于金属材料工程专业基础的基问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过本原理和科学方法开展专业基础实验，准信息综合得到合理有效的结论：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。目标3：5.1能够开发、选择及使用现代专业检测设5.能够针对复杂金属材料工程问题，开发、选择与使用恰培养学生崇尚科学、探究科学和热爱科学的学备、资源及技术来分析金属材料工程中涉当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对习态度和思想意识：养成理论联系实际、科学及合金设计与制备、产品加工等方面的复复杂金属材料工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限严谨、认真细致、实事求是的科学态度：性：杂工程问题，并能够理解其局限性。理论教学进程表2
2 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。 2.2 掌握运用专业基础知识分析金属材料 工程问题的能力； 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。 3.2 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。 4.2 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。 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； 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； 5.1 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。 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； 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敏学内容（重点、难点、课程思政融入点）作业安排时教师方法程目标课程思政论文1：要求内容：凝固理论和技术简介学生了解中国古代的重点：凝固的含义、凝固技术发展历史、凝固先进铸造技术，撰写一过程的对材料的重要影响，凝固技术的重要应目标1篇800字的读书笔记，用。王安定线上讲授目标32绪论1谈谈对该技术的理解，难点：无。以及相关技术的发现课程思政融入点1：中国是最早发明和使用凝过程对社会进步的作固技术的国家之一，学习凝固科学的过程中培用。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相关物性目标1液态金属的结构和讲授王安定线下22对凝固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，铸件凝目标1讲授王安定线下23凝固过程中的传热固方式：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王安定线下讲授习题作业1目标12凝固过程中的传质重点：传质过程的溶质平衡规律及控制方法，43
3 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。 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。 线上 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， 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。 目标 1 目标 3 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， 线下 讲授 习题作业 1 目标 1
目标2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，均质形核和非均质形核过程的能量和临界条件，固液界面的微观目标1凝固过程的热力学孔风玉讲授线下习题作业245-6结构对晶粒长大过程的影响机理和动力学目标2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：凝固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响，过冷条目标1线下讲授孔风玉27单相合金的凝固件对枝品生长规律的影响目标2难点：平面生长、胞状生长、柱状晶和等轴品的生长条件和机理重点：共品合金的分类、凝固规律和特定，偏品合金大体积凝固和定向凝固的规律，包品反目标1讲授王安定线下2多相合金的凝固应的晶粒细化机理8目标2难点，规则共品、非规则共品、伪共品片层状共品、棒状共品的结晶规律区别4
4 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 目标 2 5-6 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 线下 讲授 习题作业 2 目标 1 目标 2 7 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 目标 1 目标 2 8 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
课程思政论文2：以生重点：典型凝固组织，不同形态晶区的形成机活中常见的物品为理，凝固组织的影响工艺条件例？分析凝固工艺在难点：铸造条件对凝固组织的影响规律及控制目标1其中的应用，撰写一份机理凝固组织的形成和线下讲授王安定2不少于800字的分析报控制目标2课程思政融入点2：结合中国著名凝固科学家告，下节课就这一案例的名人事迹，分析党员和科学家的使命，探讨课堂发言，体现理论和未来工作和生活中自己可能的贡献，培养学生实际结合的重要性的使命感和投入精神重点：定向凝固工艺设计原理，单品生长规律，柱状品的生长条件和规律目标1讲授王安定线下210定向凝固技术难点：定向凝固过程中的传热传质条件与传统目标2凝固过程中，定向凝固过程对单晶生长的影响机制重点：快速凝固基本原理，快速凝固工艺设计方法，快速凝固过程中的传热和传质方式，快快速凝固技术及其速凝固工艺的代表性应用：超常规条件下凝固目标1讲投王安定2线下11它超常规条件下的工艺种类，过程中的传热传质条件，对微观结目标2凝固技术构的影响难点：快速凝固过程对金属微观结构和成分偏析的影响机制：超常规条件下凝固的作用机制凝固组织的收缩及重点：凝固过程铸件收缩的三个阶段，不同阶孔风玉线下讲授目标1A12其缺陷：铸件凝固段的收缩规律和机理，缩孔和缩松等的形成条5
5 9 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 课程思政融入点 2：结合中国著名凝固科学家 的名人事迹，分析党员和科学家的使命，探讨 未来工作和生活中自己可能的贡献，培养学生 的使命感和投入精神 线下 讲授 课程思政论文 2：以生 活 中 常 见 的 物 品 为 例？分析凝固工艺在 其中的应用，撰写一份 不少于 800 字的分析报 告，下节课就这一案例 课堂发言，体现理论和 实际结合的重要性 目标 1 目标 2 10 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 难点：定向凝固过程中的传热传质条件与传统 凝固过程中，定向凝固过程对单晶生长的影响 机制 线下 讲授 目标 1 目标 2 11 快速凝固技术及其 它超常规条件下的 凝固技术 王安定 2 重点：快速凝固基本原理，快速凝固工艺设计 方法，快速凝固过程中的传热和传质方式，快 速凝固工艺的代表性应用；超常规条件下凝固 工艺种类，过程中的传热传质条件，对微观结 构的影响 难点：快速凝固过程对金属微观结构和成分偏 析的影响机制；超常规条件下凝固的作用机制 线下 讲授 目标 1 目标 2 12 凝固组织的收缩及 其缺陷；铸件凝固 孔凤玉 2 重点：凝固过程铸件收缩的三个阶段，不同阶 段的收缩规律和机理，缩孔和缩松等的形成条 线下 讲授 目标 1