全书分为上、下两册，本书是上册，由9章组成，包括工程材料与制造技术简论、工程材料的性能及应用基础、热处理与表面工程技术、材料的液态成形工艺、材料的塑性成形工艺、材料的连接技术、粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺、高分子材料的成形工艺、复合材料的成形工艺，既适用于工科各专业学习现代制造技术的专业基础教材，也是培养复合型人才，为理、医、文、管理、艺术等不同学科之间提供快速工业知识渗透的特色基础教材。

本书是普通高等教育“十五”国家级规划教材。  本书内容力求与国外先进教材接轨，体现工程材料成形与机械制造基础课程知识体系的完整性与系统性，横向上不仅涵盖了常规机械制造技术基础，还充分体现了与现代制造技术、材料科学、现代信息技术和现代管理科学等学科的密切交叉与融合；纵向上不仅涉及现有工程材料成形和制造技术，还体现了工程材料和制造技术的历史传承和未来发展趋势。  全书分为上、下两册。上册由9章组成，包括工程材料与制造技术简论、工程材料的性能及应用基础、热处理与表面工程技术、材料的液态成形工艺、材料的塑性成形工艺、材料的连接技术、粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺、高分子材料的成形工艺、复合材料的成形工艺。各章后均有本章学习指南和复习思考题。  本书内容较传统的金属工艺学更为丰富，特别注意了按照成形工艺和不同工程材料种类的成形方法加以分类，并据此进行了模块化编写。  本书可以作为高等院校不同专业、不同学时的工程类、管理类学生的教材，也可以作为从事材料科学与工程、机械工程、工业管理和相关技术人员的参考书。

第一章 工程材料与制造技术简论/1

 第一节工程材料的发展简述/1

一、金属材料的发展简述/3

二、无机非金属材料(陶瓷)的发展简述/8

三、工程塑料的发展简述/11

四、复合材料的发展简述/13

五、其他先进材料简介/17

 第二节制造(工艺)技术发展史、现状与发展趋势/25

一、制造技术的发展史/25

二、制造技术的现状/26

三、制造业及先进制造技术的发展趋势/29

 第三节制造类企业的组织结构与运行模式/30

一、近代企业的组织结构与运行模式/30

二、现代企业的组织结构与运行模式/3l

 第四节产品制造的过程简介/36

一、产品与零部件设计/36

二、产品或零件的选材与制造/39

 第五节课程的性质、任务和学习要求/40

 本章学习指南/41

 复习思考题/4l

第二章 工程材料的性能及应用基础/42

 第一节 工程材料的力学性能/42

一、强度/42

二、塑性/47

三、冲击韧性/47

四、疲劳强度/48

五、硬度/49

六、断裂韧性/51

七、材料的高温性能/52

八、高弹性和粘流性/53

 第二节材料学基础/53

 一、金属学基础/54

二、陶瓷材料学简介/73

三、高分子材料学简介/78

 第三节 工程材料的分类、编号及用途/79

一、金属材料/79

二、高分子材料/90

三、无机非金属材料/94

四、复合材料/96

 本章学习指南/97

 复习思考题/97

第三章 热处理与表面工程技术/99

 第一节钢的热处理/99

一、钢在加热和冷却时的组织转变/99

二、钢的热处理工艺/102

三、其他热处理/107

 第二节金属问化合物材料的热处理/109

 第三节非金属材料的热处理/111

一、玻璃的热处理/112

=、陶瓷的热处理/114

 第四节表面工程技术/116

一、表面工程技术分类/116

二、表面工程技术简介/117

 本章学习指南/129

 复习思考题/129

第四章材料的液态成形工艺/130

 第一节金属铸造工艺简介/130

 第二节铸造工艺基础知识/131

 一、液态金属的充型能力/132

二、台金的凝固特性/134

三、合金的收缩性/136

 四、合金的吸气性及气孔/139

五、常用铸造合金的铸造性能特点/140

六、新型材料——金属间化合物及其铸造性能特点/14l

 第三节砂型铸造/143

一、造型方法的选择/143

二、砂型铸造常见缺陷/146

第四节特种铸造/147

一、金属型铸造/147

二、熔模铸造/148

三、压力铸造/149

四、低压铸造/150

五、离心铸造/l51

六、铸造方法的选择/152

 第五节铸件结构工艺性/153

一、铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷/153

二、铸件结构应利于简化铸造工艺/155

三、铸件结构要便于后续加工/158

 第六节计算机在铸造生产中的应用简介/159

一、系统组成/160

二、测试系统的工作过程/161

三、控制系统/161

 本章学习指南/162

 复习思考题/162

第五章材料的塑性成形工艺/163

 第一节塑性成形理论基础/164

一、塑性变形机理/164

二、加工硬化、回复和再结晶/165

三、冷变形、热变形、温变形/166

四、锻造比与锻造流线/166

五、塑性成形基本定律/168

六、材料的塑性成形性/169

 第二节金属塑性成形方法/171

一、自由锻/171

二、模型锻造/180

三、板材冲压成形/187

 第三节锻压件结构工艺性/202

一、自由锻件的结构工艺性/203

二、模锻件的结构工艺性/204

三、冲压件的结构工艺性/205

 第四节先进塑性成形方法/210

一、精密模锻/210

二、摆动碾压/212

三、液态模锻/213

四、径向锻造/214

五、粉末锻造/215

六、超塑性成形/216

七、高能成形/217

 本章学习指南/219

 复习思考题/220

第六章材料的连接技术/224

 第一节焊接理论/224

一、焊接热过程及焊接热源/225

=、焊接化学冶金/228

三、焊接接头的金属组织和性能/231

四、焊接过程模拟/232

 第二节常用连接工艺/234

一、熔焊/234

=二、压焊/239

三、钎焊/24l

四、焊接新工艺的发展/242

五、各种焊接方法的比较/243

六、铆接/245

七、胶接/246

 第三节各种材料的连接/249

一、金属材料的焊接/249

二、塑料的焊接/254

三、异种材料的连接/256

 第四节焊接结构及工艺性/257

一、焊接结构材料的选择/258

=、焊缝的布置/259

三、焊接接头及其设计/263

四、焊接应力与变形/266

 第五节焊接质量检测/27l

一、焊接缺陷/271

二、常用检验方法/272

 本章学习指南/275

 复习思考题/276

第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺/279

 第一节粉体成形原理/279

 一、粉料的基本物理性能/279

一、压制成形原理/281

三、可塑泥团的成形原理/284

四、泥浆／粉浆的成形原理/286

 第二节 粉体制备技术/289

一、粉碎与机械合金化方法/289

二、合成法/290

 第三节粉末冶金的成形工艺/297

一、压制成形/297

=、粉浆浇注成形/300

三、楔形压制/301

 第四节陶瓷材料的成形工艺/301

一、普通日用陶瓷的成形工艺/301

二、高技术陶瓷的成形工艺/305

 第五节烧结/310

一、烧结工艺/311

二、烧结方法/312

 第六节 陶瓷与粉末快速成形工艺/312

、快速成形原理/313

二、快速原型技术的发展现状/314

三、快速成形技术的加工特点/315

四、粉体的分层实体制造技术/315

五、选择性激光烧结工艺/315

六、三维打印法/316

 本章学习指南/317

 复习思考题/318

第八章 高分子材料的成形工艺/319

 第一节高分子材料成形原理/319

一、高分子材料的结构/319

二、高分子链内旋转构象及其柔顺性/320

三、高聚物的聚集态和物理状态/321

四、聚合物的成形性能/322

五、高聚物的类型/323

 第二节塑料成形工艺/324

一、塑料的组成/324

二、塑料的性能/325

三、甥料的分娄/328

四、塑料成形工艺/329

五、典型模具结构/332

六、塑料件的结构工艺性/339

七、常用零件的塑料选材/342

 第三节橡胶成形工艺/343

一、橡胶的组成/343

二、橡胶的成形性能/345

三、橡胶加工的工艺过程/．345

四、橡胶成形方法/348

五、常用橡胶材料/350

 第四节薄膜成形技术简介/352

一、薄膜的成形工艺/353

二、拉幅薄膜的成形/354

 第五节高分子材料快速成形方法/354

一、常用高分子快速成形技术/355

二、快速成形技术的应用/359

 本章学习指南/360

 复习思考题/36l

第九章复合材料的成形工艺/363

 第一节复合材料简介/363

一、复合材料基本概念/363

二、复合材料使用的原材料/365

三、复合材料的增强机制和复合原则/367

四、复合材料的失效/369

 第二节金属基复合材料成形工艺/370

一、固态法/370

二、液态法/372

三、其他方法/375

 第三节树脂基复合材料成形工艺/376

一、手糊成形工艺/376

二、喷射成形工艺/377

三、袋压成形工艺/377

四、层压成形工艺/378

五、模压成形工艺/379

六、缠绕成形工艺/380

七、拉挤成形工艺/381

 第四节陶瓷基复合材料成形工艺/382

一、模压成形/382

二、等静压成形/383

三、注浆成形/383

四、热压成形/384

五、注射成形/384

六、直接氧化法/384

七、化学气相渗透工艺/385

 本章学习指南…/386

 复习思考题/386

 参考文献/387

第一章工程材料与制造技术简论

人类为了自身的生存与发展，在各种生产活动中逐渐形成了不同的产业，这些产业包括大家熟悉的第一产业——农业，第二产业——工业，第三产业——信息与服务业。由于工业在国民经济和社会发展中的重要地位，工业化进程一直被认为是现代化的标志。现代工业门类繁多，但概括起来可分为材料工业、能源工业、建筑业和制造工业等。其中材料工业与制造工业密切相关。材料工业是将自然资源制备成具有各种性能或功能、能满足各种要求的材料；制造工业则是将材料加工制造成各种产品，以满足人类生活、生产和社会的需求。因此就本课程而言，要想获得所需要的各种制造技术知识，除要了解制造技术的历史和现象、制造类企业的组织结构和产品生产过程外，还需要对工程材料的发展和制备技术有一个基本的了解。为此本章将重点介绍工程材料和制造技术的历史、现状和发展以及制造类企业的组织结构和产品生产过程，希望读者能在进入现代工程材料成形与机械制造基础的学习之前，对工程材料和制造技术的背景有一个比较完整的了解，以利于本课程和后续相关知识的学习。

第一节 工程材料的发展简述

材料是人类用以制作有用物件的物质，而新材料主要是指最近发展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料。人类历史证明，材料是人类社会进步的物质基础和先导。

世界各国对材料的分类虽然不尽相同，但按照传统的分类方法可以分为金属材料、无机非金属材料(陶瓷)、有机高分子材料和复合材料四大类。这四类工程材料虽然都有漫长的发展历史，但其在不同历史阶段所具有的相对重要性却是不断变化的。在图l一1中对上述四类材料在不同历史年代的相对重要性进行了描述。

现代工程材料的种类更是千差万别，例如按照材料的使用功能，可以将材料分为结构材料、功能材料、生物材料、智能材料、生态环境材料、信息功能材料等。按照材料的维度，又可以将材料分为三维块体材料、二维薄膜材料、一维纤维材料和零维纳米颗粒材料等。按照组成材料的尺度，还可将材料分为毫米级材料、微米级材料、纳米级材料、分子和原子级材料等。材料种类不同，不仅用途不同，性能差异巨大，而且制备工艺与材料成形技术也各不相同，但是不管哪种材料，它们在自己的应用领域都起着十分重要的作用。本节将结合部分材料的发展现状加以介绍。一、金属材料的发展简述

众所周知，金属材料具有其他材料体系不可能完全取代的独特的性质和使用性能，这是由于金属材料主要通过金属键结合而成，这种键合特点使得金属有比高分子材料高得多的模量、比陶瓷高得多的韧性、可加工性、磁性和导电性。正是具有了上述特点，使金属材料迄今为止不仅难以被快速发展的其他材料体系所替代，而且是不断的推陈出新，在工程材料中占有十分重要的地位。

1．金属材料的发展史

早在公元前5000年，人类就已发现并开始使用金属材料，青铜是最早发现和使用的材料之一，历史上称之为青铜器时代。中国早在公元前2500年就开始使用铁，公元前1500—1200年为铁器时代，以后随着铁和钢冶炼方法的不断发现和改进，人类社会生产力水平不断提高，社会不断进步，到了18世纪英国产业革命期间，钢铁工业开始迅猛发展，成为产业革命的主要潮流和物质基础，其他金属材料也得到相应的快速发展。到20世纪中叶，金属材料一直在材料工业中占有统治性的主导地位。例如：19世纪20年代法拉第开始研究合金钢，1839年巴比特研制出轴承合金，1856年贝斯麦在转炉中将生铁精炼成钢，1906年泰勒和霍特研制出切削用高速钢，1911年德国杜伦开始时效硬化铝的工业化生产(杜拉铝)，1912年美国的海恩兹发明用作切削刀具的钨铬钴硬质合金，1912年英国的布莱尔(勒)发明马氏体不锈钢，1923年克虏伯公司发明钨钴硬质合金，弗来伊公司发明钢氮化表面硬化法，1938年克诺尔和卢斯卡发明电子显微镜．1940年日本北圆一郎和五十岚勇发明特超硬铝，1948年美国的米尔斯在铸铁水中加镁成功地制成球墨铸铁，1952年杜立确立了纯氧顶吹转炉炼钢法(LD法)，1959年福特公司研制出Tic金属陶瓷(刖c—Ni—Mo合金)切削刀具，1960年美国瓦卡恩公司研制出超导体材料Nr—zr合金，1970年美国和瑞典研制出粉末高速钢，1973年日本钢产量首次超过1亿吨。在这期间以氧气顶吹为代表的炼钢工艺，使钢铁生产能力得到前所未有的突破，以轴承合金、球墨铸铁、超硬铝、硬质合金等为代表的一大批金属新材料，极大地满足了现代工业生产的需要，以电子显微镜和钨钴硬质合金、碳化钛金属陶瓷为代表的金属材料检测仪器的发明以及切削加工材料的研制成功，反过来进一步推动了金属材料的发展。应该说金属材料的发展历史是悠久的，进人19世纪后呈现出异乎寻常的发展速度，出现了前所未有的辉煌。      （P1-3）

随着知识更新的加快、学科大幅度的调整和现代工业结构的变化，“工程材料及机械制造基础”作为高等院校学生了解、认知现代工业的窗口课程和应当具备的大工程基础，其原来的知识体系与内容构成已远远滞后于时代的发展。为充分体现各学科的交叉、融合与现代工业的“综合性”特点，全面拓宽课程的知识体系，使理论、实践、素质教育、创新和现代教育技术有机地结合在一起，编者认为新的课程内容横向上不仅应涵盖常规机械制造技术，还应充分体现与现代制造技术、材料科学、现代信息技术和现代管理科学等学科的密切交叉与融合；纵向上不仅应涵盖现有工程材料成形和制造技术，还要体现工程材料和制造技术的历史传承和未来发展趋势。事实上，由于各学科、各行业对制造技术或多或少地涉及，使本课程成为不同专业共同的工业基础知识平台。再加上该课程兼有基础性、实用性、知识性、实践性与创新性等特点，使其在一定程度上成为理、工、医、文、管理、艺术等不同学科之间交叉的“点”，成为当前培养复合型人才的重要基础之一。

本书是根据教育部机械基础课程教学指导分委员会有关“重点院校金属工艺学课程改革指南”精神，借鉴国外教材内容、结构特点，并结合作者多年来取得的教学改革经验和成果编写而成的。编写指导思想是：继承教材原有的基础性、综合性、实践性特点，力求实现两个基本转变，即将金属材料制造工艺为主的课程内容向工程材料制造工艺为主的课程内容转变，实现将机械制造工艺为主向制造3-艺为主的知识体系转变；展现新材料制备与制造技术在跨学科领域中的交叉渗透和通道作用，力争与国际最新教材知识体系接轨。

本书有以下主要特点：

(1)力求处理好常规工艺与现代新技术的关系。对于仍广泛用于现代机械制造工业的常规工艺精选保留；对于过时的内容予以淘汰；对于技术上较成熟、应用范围较宽或发展前景看好的新材料、新技术、新工艺(即“三新”)作为基本内容引入，使“三新”内容在本课程理论教学中占1／3以上。例如，在新的教材中增加了材料及制造技术发展史与研究进展；制造类企业的特点与组织结构；在传统金属材料及热处理的基础上增加了部分常用工程材料的性能、材料学基础知识以及表面工程技术和非金属材料热处理的内容；增加了粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺、高分子材料的成形工艺、复合材料的成形工艺2章；把材料与制造技术有机地联系起来，体现了将金属制造工艺为主向工程材料制造工艺为主的课程内容的转变。

(2)全面体现先进制造工艺技术的特点，并重点增加或增强了数控加工技术、快速成形技术、非金属材料的加工、计算机集成制造技术等先进制造工艺和应用实例，以体现现代制造技术的特征。首次增加了电子设备制造技术基础，包括集成电路制造技术、插接件制造技术、壳体制造技术和装配技术，增加了工业管理与可持续发展对制造技术的影响等相关内容，比如质量与成本、管理与效益、产品生产的可行性分析、机械制造技术与环境保护等。从而使本课程与信息技术、市场经济融为一体，体现了现代制造技术与有关学科的相互交叉与渗透。

(3)教材内容既系统丰富又重点突出，为学生预留了足够的自学与思考的空间，每章附有学习指南和与其他章节相互关联的提示。各个章节既相互联系，又相对独立，力图建立起柔性较大的模块化教材体系，以适应培养复合型、创新型人才的需求，并方便不同专业、不同学习背景、不同学时、不同层次的学生选用。

因此，本书既是适用于工科各专业学习现代制造技术的专业基础教材，也是培养复合型人才，为理、医、文、管理、艺术等不同学科之间提供快速工业知识渗透的特色基础教材。

本书是普通高等教育“十五”国家级规划教材，由山东大学孙康宁、王昕负责组织编写。全书分为上、下两册，上册由山东大学孙康宁主编，王昕、莫德秀和张景德任副主编。其中第一章、第二章由孙康宁编写，同时参与了第三章第三节、第四节，第七章第六节，第八章第四节，第九章第一节的编写；第三章其他节与第四章由山东大学张景德与王昕编写；第五章与第八章其他节由山东理工大学莫德秀编写；第六章由山东大学范润华编写；第七章其他节由山东大学谭训彦编写；第九章其他节由山东大学毕见强编写。

下册由山东大学李爱菊主编，林钦平、王瑞芳和周桂莲任副主编。李爱菊编写了第二章；第一章、第八章由合肥工业大学王瑞芳编写；第六章、第七章由福州大学林钦平编写；第三章、第九章由青岛科技大学周桂莲编写；第四章由山东大学龚红宇、范润华编写；第五章由山东大学李爱菊、甄玉花、卢瑶编写。

本书由清华大学傅水根教授主审。在教材编写中得到原《现代工程材料成形与制造技术基础》编写人员提供的一些宝贵资料，在此一并表示感谢!

由于编者水平所限，本书难免存在不当之处，诚请各位读者提出宝贵意见。

编 者

  2004年8月