《金属凝固理论》教学大纲课程类别（必修/选修）：选修课程名称：金属凝固理论课程英文名称：Metalsolidificationtheory其中实验/实贱学时：2总学时/周学时/学分：24/2/1.5先修课程：高等数学、材料科学基础、物理化学、力学后续课程支撑：金属材料学授课地点：松山湖校区6A-405授课时间：1-12周，周五上午第3-4节授课对象：2018金属材料1班（检测工程）开课学院：材料科学与工程学院任课数师姓名/职称：孔风玉/讲师，金硕勋/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（V）其它（）使用教材：金属廉固原理，胡汉起主编，机械工业出版社参考教材：凝固原理，W.Kurz，D.J.Fisher著，李建国、胡侨丹译，高等教育出版社课程简介：金属凝固原理是金属材料专业选修课，其任务是研究金属凝固过程中传质传热现象、凝热力学及动力学、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。课程内容重点阐述固过程的传热特点和电子计算机数值模拟，液态金属结构、落质分配系缴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，理解凝过程中落质再分配、固-液界面稳定性理论及晶体形态和技晶组织的形成规律，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。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）：选修 课程英文名称：Metal solidification theory 总学时/周学时/学分：24/2/1.5 其中实验/实践学时：2 先修课程： 高等数学、材料科学基础、物理化学、力学 后续课程支撑： 金属材料学 授课时间： 1-12 周，周五上午第 3-4 节 授课地点：松山湖校区 6A-405 授课对象： 2018 金属材料 1 班（检测工程） 开课学院： 材料科学与工程学院 任课教师姓名/职称： 孔凤玉/讲师，金硕勋/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：金属凝固原理，胡汉起 主编，机械工业出版社 参考教材：凝固原理，W.Kurz，D.J.Fisher 著，李建国、胡侨丹 译，高等教育出版社 课程简介： 金属凝固原理是金属材料专业选修课，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和电子计算机数值模拟，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。 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：掌握物理、化学等方面的自然科学知C1.能够将数学、自然科学、工程基础和化学化工专业知识应用理解金属凝固相变的热力学理论。理解金属在识，能够用于解决金属材料制备、加于解决复杂工程问题。模具中冷却涉及的传热学理论。理解金属凝固工领域的复杂工程问题：掌握运用专C2.能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表特性与材料的显微组织、性能间的交互关系。业基础知识分析金属材料工程问题达、并通过文献研究分析复杂金属材料工程向题，以获得有效结论：了解实际生产过程中金属材料的液态成型方式的能力目标21掌握金属材料结构/组成、性质、加工掌握金属从液态到固态变化物理过程的分析方工艺、服役性能之间相互关系的基本法：掌握金属凝固测试的基本操作及学会分析规律，能够分析金属材料的成分设金属冷却凝固曲线：掌握通过凝固工艺参数调计、合金制备、加工过程中所涉及的C3.能够设计针对复杂金属材料工程问题的解决方案，设计满足控金属材料微观组织的方法工艺参数、生产流程及关键控制步特定需求的系统、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、文化以及环境操，并根据专业相关知识制度解决方案，满足特定需求。具有基于金属材等因素：料工程专业基础的基本原理和科学C4.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方法开展专业基础实验，准确分析并进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得解释实验数据，并将实验结果进行关到合理有效的结论：联以获得有效结论的能力。能够开C5.能够针对复杂金属材料工程问题，开发、选择与使用恰当的发、选择及使用现代专业检测设备、技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂金属材资源及技术来分析金属材料工程中料工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性：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。正确认识金属材料工程对于客观世C6.能够基于金属材料工程相关背景知识进行合理分析，评价专目标3：2
2 目标 1： 理解金属凝固相变的热力学理论。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。 了解实际生产过程中金属材料的液态成型方式 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； C1. 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。 C2. 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： 掌握金属从液态到固态变化物理过程的分析方 法；掌握金属凝固测试的基本操作及学会分析 金属冷却凝固曲线；掌握通过凝固工艺参数调 控金属材料微观组织的方法 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。 C3. 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； C4.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； C5.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： 正确认识金属材料工程对于客观世 C6. 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
培养学生具有主动参与、积极进取、崇尚科学、界和社会的影响：能够正确和客观的业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律评价针对复杂工程问题的金属材料以及文化的影响，并理解应承担的责任：探究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、实事求是的科工程专业工程实践对环境、社会可持C7，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学态度和职业道德：续发展的影响。具有良好的语言文字境、社会可持续发展的影响：C10.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，能够就金属材料相关达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进的复杂工程问题与业界同行及社会行沟通和交流：公众进行有效沟通和交流。能够正确C12.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。认识自我探索和学习的必要性。理论教学进程表教学模式授课教学时教学内容（重点、难点、课程思政融入支撑课周次教学主题（线上/混合式教学方法作业安排师数点)程目标/线下掌握凝固的定义、凝固相关的物理量。课程思政作业：要重点：铸造与凝固的联系、凝周技术发求学生了解以及互目标1相讨论中国古代的展历史、凝固散热的热力学表达、凝固孔风玉讲授2线下目标3绪论“炒钢”技术，撰的微观组织、毛细作用、溶质再分配。难点：热力学量和与数学表达在凝周物写一篇800字的读理过程中的意义、毛细作用、溶质再分书笔记，谈谈对该配的物理过程与数学表达间联系。课程技术的理解，以及3
3 培养学生具有主动参与、积极进取、崇尚科学、 探究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 学态度和职业道德； 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。 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； C7．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； C10．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； C12．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 周次 教学主题 授课教 师 学时 数 教学内容（重点、难点、课程思政融入 点） 教学模式 （线上/混合式 /线下 教学方法 作业安排 支撑课 程目标 1 绪论 孔凤玉 2 掌握凝固的定义、凝固相关的物理量。 重点：铸造与凝固的联系、凝固技术发 展历史、凝固散热的热力学表达、凝固 的微观组织、毛细作用、溶质再分配。 难点：热力学量和与数学表达在凝固物 理过程中的意义、毛细作用、溶质再分 配的物理过程与数学表达间联系。课程 线下 讲授 课程思政作业：要 求学生了解以及互 相讨论中国古代的 “炒钢”技术，撰 写一篇 800 字的读 书笔记，谈谈对该 技术的理解，以及 目标 1 目标 3
思政融入点1：中国的凝周技术发展起源相关技术的发现过程对我国当前工业于四于多年前，是最早发明和使用凝固技术的国家之一，介绍凝固科学的过程发展有什么启示。中培养学生爱国精神。重点：凝固过程的传热特点、金属型非目标1金属型的凝固传热：难点：充型过程的线下讲授孔凤玉22凝固过程的传热目标2数值模拟、传热、传质、及流动三者耦合的数值模拟和凝固组织的模拟等重点：固体金属的即热膨胀与融化：液目标1液态金属结构及过态金属结构：液一一固相界面成分及界金硕勋2线下讲授n冷现象目标2面溶质分配系数：过冷度的概念。难点化学势：液——固相界面成分。目标1金硕勋2线下讲授金属凝固的条件重点：过冷度：相起伏：能量起伏。4目标2重点：形核过程中的能量变化：临界品目标1讲投金硕勋2线下5均匀形核核尺寸。难点：临界过冷度：形核功：目标2形核率。重点：非均匀形核功：非均匀形核率；目标1金硕勋线下讲授习题作业14非均匀形核6-7基底对非均匀形核的影响。难点：固液目标2界面结构。4
4 思政融入点 1：中国的凝固技术发展起源 于四千多年前，是最早发明和使用凝固 技术的国家之一，介绍凝固科学的过程 中培养学生爱国精神。 相关技术的发现过 程对我国当前工业 发展有什么启示。 2 凝固过程的传热 孔凤玉 2 重点：凝固过程的传热特点、金属型非 金属型的凝固传热；难点：充型过程的 数值模拟、传热、传质、及流动三者耦 合的数值模拟和凝固组织的模拟等 线下 讲授 目标 1 目标 2 3 液态金属结构及过 冷现象 金硕勋 2 重点：固体金属的即热膨胀与融化；液 态金属结构；液——固相界面成分及界 面溶质分配系数；过冷度的概念。难点： 化学势；液——固相界面成分。 线下 讲授 目标 1 目标 2 4 金属凝固的条件 金硕勋 2 重点：过冷度；相起伏；能量起伏。 线下 讲授 目标 1 目标 2 5 均匀形核 金硕勋 2 重点：形核过程中的能量变化；临界晶 核尺寸。难点：临界过冷度；形核功； 形核率。 线下 讲授 目标 1 目标 2 6-7 非均匀形核 金硕勋 4 重点：非均匀形核功；非均匀形核率； 基底对非均匀形核的影响。难点：固液 界面结构。 线下 讲授 习题作业 1 目标 1 目标 2
掌握金属熔体温度、浓度、传质过程对枝晶形态的影响、枝晶形貌的形成过程，及其对材料力学性能的影响。重点：强制和非强制性生长的定义、枝晶形态特点、针状晶尖端的扩散过程、枝品扩散凝固的微观组织：边界层厚度与其尖端半径的比例关系、目标1孔风玉线下2讲授4胞状和树枝状一次枝晶臂间距定义、二次枝晶臂间距目标2对凝固特性的影响。难点：二次枝品臂间距、温度如何影响枝晶生长和凝固后品体介观形貌、枝晶的择优取向、枝品尖端的传热、传质过程耦合的浓度变化及其数学表达。掌握规则和不规则共品、扩散共生生长、毛细效应的定义和毛细现象过程、共品的作用范围。重点：规则和不规则共品凝固的微观组织：定义和区别、扩散共生生长的浓度机制、目标1线下孔凤玉49-10讲授共晶和包品毛细效应定义、规则和不规则共晶定义目标2和区别、扩散共生生长的浓度机制、毛细效应定义、枝晶与共品的竞争生长。难点：二元共品的几种形态和形成机制、共品的扩散场、过冷度对毛细效应的影5
5 8 凝固的微观组织： 胞状和树枝状 孔凤玉 2 掌握金属熔体温度、浓度、传质过程对 枝晶形态的影响、枝晶形貌的形成过程， 及其对材料力学性能的影响。重点：强 制和非强制性生长的定义、枝晶形态特 点、针状晶尖端的扩散过程、枝晶扩散 边界层厚度与其尖端半径的比例关系、 一次枝晶臂间距定义、二次枝晶臂间距 对凝固特性的影响。难点：二次枝晶臂 间距、温度如何影响枝晶生长和凝固后 晶体介观形貌、枝晶的择优取向、枝晶 尖端的传热、传质过程耦合的浓度变化 及其数学表达。 线下 讲授 目标 1 目标 2 9-10 凝固的微观组织： 共晶和包晶 孔凤玉 4 掌握规则和不规则共晶、扩散共生生长、 毛细效应的定义和毛细现象过程、共晶 的作用范围。重点：规则和不规则共晶 定义和区别、扩散共生生长的浓度机制、 毛细效应定义、规则和不规则共晶定义 和区别、扩散共生生长的浓度机制、毛 细效应定义、枝晶与共晶的竞争生长。 难点：二元共晶的几种形态和形成机制、 共晶的扩散场、过冷度对毛细效应的影 线下 讲授 目标 1 目标 2