绪章材料与成形工艺的发展

材料是人类文明生活的物质基础。综观人类利用材料的历史，可以清楚地看到每一类重要新材料的发现和应用，都会引起生产技术的革命，并大大加速社会文明发展的进程。人类社会所谓石器时代、青铜器时代和铁器时代就是按生产活动中起主要作用的材料划分的。材料与你和你的工作密不可分。本章重点介绍材料的发展历史、作用和地位。

●0.1工程材料及成形工艺的发展历史

材料是人类文明生活的物质基础。综观人类利用材料的历史，可以清楚地看到每一类重要新材料的发现和应用，都会引起生产技术的革命，并大大加速社会文明发展的进程。人类社会所谓石器时代、青铜器时代和铁器时代就是按生产活动中起主要作用的材料划分的。材料与你和你的工作密不可分。本章重点介绍材料的发展历史、作用和地位。

第一章工程材料的分类与性能

各种材料，按其性能的不同，可以用于结构、机件、工具或物理功能器件等。工程技术人员选用材料时首先要掌握材料的使用性能，同时要考虑材料的工艺性能和经济性。使用性能是材料在使用过程中表现出来的性能，主要有力学性能、物理性能与化学性能。工艺性能是指材料在各种加工过程中表现出来的性能，比如铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工等性能。当然还要关注经济性能，要力求材料选用的总成本为最低。在机械行业选用材料时，一般以力学性能作为主要依据。

●1.1强度和塑性

材料的强度与塑性是极为重要的力学性能指标，采用拉伸试验方法测定。所谓拉伸试验是指用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸，直至拉断的一种试验方法。在拉伸试验中和拉伸试验后可测量力的变化与相应的伸长，从而测出材料的强度与塑性。

●1.2硬度

硬度是指金属表面一个小的或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种能力，在一定程度上反映了材料的综合力学性能指标。硬度能够反映出金属材料在化学成分、金相组织和热处理状态上的差异，是检验产品质量、确定合理的加工工艺所不可缺少的检测性能之一。同时硬度试验也是金属力学性能试验中最简便、最迅速的一种方法。硬度试验方法很多，本节重点介绍机械制造生产中应用最广泛的布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。

●1.3疲劳极限

疲劳极限是指经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，又称为持久极限。材料的疲劳极限是材料本身所固有的性质，因循环特征、试件变形的形式以及材料所处的环境等不同而不同，需疲劳试验定。测定需要用若干光滑小尺寸试样，在专用的疲劳试验机上进行试验。

●1.4材料的物理和化学性能

材料的物理和化学性能

●1.5材料的工艺和经济性能

材料的工艺和经济性能

第二章金属与合金晶体结构和相图

工程材料的各种性能， 尤其是力学性能，与其微观结构关系密切。物质都是由原子组成的，原子的排列方式和空间分布称为结构。物质由液态转变为固态的过程称为凝固。大多数材料的使用状态是固态，因此，深入地分析和了解材料的固态结构与其形成过程是十分必要的。固体物质根据其原子排列情况分为两种形式：晶体与非晶体。物质的结构可以通过外界条件加以改变，这种改变为改善材料的性能提供了可能。

●2.1金属材料的晶体结构

介绍了金属晶体材料结构的基本知识，并简述了晶体结构检测方法，介绍了金属晶体中的点缺陷、位错、界面与表面等非完整结构。介绍了三种常见的金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

●2.2金属的结晶与同素异构转变

材料的工艺和经济性能

●2.3铁碳合金的基本相与性能

铁碳合金的基本相与性能

●2.4铁碳合金相图

铁碳合金相图

●2.5巧绘铁碳合金相图

钢铁材料是工业生产和日常生活中应用最广泛的金属材料， 钢铁材料的主要组元是铁和碳，故称铁碳合金。铁碳相图是研究在平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具。实用的铁碳相图，实际上是Ｆｅ和Ｆｅ３Ｃ两个基本组元组成的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图。掌握铁碳相图对于制定钢铁材料的加工工艺具有重要的指导意义。

●2.6典型合金的结晶过程及组织

铁碳合金由于成分的不同，室温下将得到不同的组织。根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。为了深入了解铁碳合金组织形成的规律，下面以六种典型铁碳合金为例，分析它们的结晶过程和室温下的平衡组织。

第三章钢的热处理

材料的强化与处理是工程材料应用的重要问题之一。通过各类强化与处理手段，既可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力又可以获得一些特殊要求的性能，以满足各种各样使用条件下对材料的要求。材料的强化与处理主要包括金属材料的热处理和正在迅速发展的表面处理技术。

●3.1钢的热处理

金属材料的热处理主要是对钢铁材料的热处理。所谓钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺。热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命的主要途径之一。绝大部分重要的机械零件，在制造过程中都必须进行热处理。

●3.2钢的退火

钢的退火

●3.3钢的正火

钢的正火

●3.4钢的淬火

钢的淬火

●3.5钢的回火

钢的淬火

●3.6钢的表面处理

钢的表面处

●3.7热处理工艺的应用

钢的表面处

●3.8巧用C曲线分析钢在冷却时的组织转变

C曲线是指过冷奥氏体等温转变动力学曲线是表示不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线。由于通常不需要了解某时刻转变量的多少，而比较注重转变的开始和结束时间，因此常常将这种曲线绘制成温度—时间曲线。

●3.9趣解四把火

退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。本节用兄弟和伙伴的关系趣解四把火的关系。

第四章工业用钢

材料是人类生产和社会发展的重要物质基础。其中，金属材料曾经而且仍在发挥非常重要的作用，尤其是对机械行业更是如此。

●4.1常用工业钢的种类

以铁为主要元素，碳的质量分数一般在２％以下，并含有其它元素的材料称为钢。其中非合金钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能够满足一般工程和机械制造的使用要求，是工业中用量最大的金属材料。但工业生产不断对钢提出更高的要求，为了提高钢的力学性能，改善钢的工艺性能和得到某些特殊的物理化学性能，有目的的向钢中加入某些合金元素，得到合金钢。与非合金钢相比，合金钢经过合理的加工处理后能够获得较高的力学性能，有的还具有耐热、耐酸、不锈等特殊物理化学性能。但其价格较高，某些加工工艺性能较差，某些专用钢只能应用于特定工作条件。因此应正确选用各类钢材，合理制定其冷、热加工工艺，以达到提高效能、延长寿命、节约材料、降低成本、产生良好经济效益的目的。

●4.2非合金钢

非合金钢是除了含有碳元素外还具有少量的元素如硅,锰,磷等少量元素,它按碳的质量分数分类可分为1低碳钢2中碳钢3高碳钢，其中它们的碳的质量分数分别为低<0.25%,中=0.25%~0.60%,高>0.60%,按主要质量等级可分为:普通,优质,特殊质量非合金钢。

●4.3合金钢

合金钢，钢里除铁、碳外，加入其他的合金元素，就叫合金钢。 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。

●4.4合金工具钢和高速工具钢

合金工具钢和高速工具钢

●4.5特殊性能钢

特殊性能钢

第五章铸铁

铸铁的种类很多。工业上常用的铸铁是碳的质量分数ｗＣ＝２．０％～４．０％的铁、碳、硅多元合金。有时为了提高力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。铸铁在机械制造中应用很广。按重量计算，汽车、拖拉机中铸铁零件约占５０％～７０％，机床中约占６０％～９０％。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件，大多用铸铁制成。

●5.1常用铸铁

工业上常用的铸铁是碳的质量分数ｗＣ＝２．０％～４．０％的铁、碳、硅多元合金。有时为了提高力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。铸铁在机械制造中应用很广。按重量计算，汽车、拖拉机中铸铁零件约占５０％～７０％，机床中约占６０％～９０％。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件，大多用铸铁制成。

●5.2常用铸铁

常用铸铁

第六章铸造成形

铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属（例：铜、铁、铝、锡、铅等），而铸模的材料可以是砂、金属甚至陶瓷。因应不同要求，使用的方法也会有所不同。

●6.1铸造工艺基础

铸造的生产方法很多，主要可分为砂型铸造和特种铸造两大类。其中砂型铸造为铸造生产中的最基本方法，砂型铸造的生产工序主要包括：制模、配砂、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理和检验。

●6.2砂型铸造

砂型铸造是指在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。

●6.3铸造工艺

应用铸造有关理论和系统知识生产铸件的技术和方法。包括铸件工艺，浇铸系统，补缩系统，出气孔，激冷系统，特种铸造工艺等内容。铸造工艺设计内容包括：铸件工艺图的设计，铸件图的设计，铸型装配图的设计以及工艺卡的制作等。

●6.4浇注系统

浇注系统是由浇口杯，直浇口，横浇口，内浇口组成，为将液态金属引入铸型型腔而在铸型内开设的通道。浇注系统按内浇道的注入位置分为顶注式浇注系统、底注式浇注系统、中间注入式浇注系统和阶梯式浇注系统。本节介绍几种常见的浇注系统的结构。

●6.5铸件的结构工艺性

进行铸件设计时，不仅要保证其工作性能和机械性能要求，还要使铸件结构本身符合铸造生产的要求。这种对于铸造工艺过程来说，铸件结构的合理性， 称为铸件的“结构工艺性”。铸件的结构是否合理， 和铸造合金的种类，产量的多少，铸造方法和生产条件等有密切的关系。下面从保证铸件质量，简化铸造工艺和根据铸造合金特点等几个方面来说明对铸件结构的要求。

●6.6特种铸造

特种铸造

第七章金属压力加工成形

锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状并改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，它是锻造和冲压的总称。大多数金属材料在冷态或热态下都具有一定的塑性，因此它们可以在室温或高温下进行各种锻压加工。常见的锻压方法有自由锻造、模型锻造、板料冲压、轧制、挤压和拉拔等。 金属锻压加工在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、造船、冶金工程及国防工业中有着广泛的应用。如汽车上８０％的零件均是由锻压加工方法制造的。

●7.1锻压工艺基础

锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状并改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，它是锻造和冲压的总称。大多数金属材料在冷态或热态下都具有一定的塑性，因此它们可以在室温或高温下进行各种锻压加工。常见的锻压方法有自由锻造、模型锻造、板料冲压、轧制、挤压和拉拔等。 金属锻压加工在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、造船、冶金工程及国防工业中有着广泛的应用。如汽车上８０％的零件均是由锻压加工方法制造的。

●7.2自由锻

自由锻

●7.3模锻

自由锻

●7.4板料冲压

板料冲压

第八章焊接与胶接成形

焊接是通过加热或加压，或两者并用，借助于金属原子扩散和结合，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。通过本章可以了解焊接冶金过程的特点， 了解常用金属材料的焊接性能；了解焊接新工艺、新技术及其发展趋势；掌握焊条电弧焊等常用焊接方法的设备、焊接材料、工艺过程特点与应用；掌握焊条电弧焊与气焊的基本操作技能及焊接生产安全技术；具有合理选用焊接方法及相关焊接材料、分析焊件结构工艺性的初步能力，具有焊件质量与成本分析的初步能力。

●8.1焊接工艺基础

本节主要讲解焊接工艺基础，以及熔焊、压焊和钎焊三大类焊接冶金过程的特点。

●8.2焊接工艺

本节主要讲解焊条电弧焊等常用焊接方法的设备、焊接材料、工艺过程特点与应用；焊条电弧焊与气焊的基本操作技能及焊接生产安全技术。

●8.3焊接质量检验

焊接质量检验

第九章材料与成形工艺选择及产品质量控制

在机械产品的设计、制造过程中，都会遇到材料与成形工艺的选择问题。在生产实践中， 往往由于材料的选择和加工工艺路线不当，造成机械零件在使用过程中发生早期失效，给生产带来了重大的损失。因此，在机械制造工业中，正确地选择机械零件材料和成形工艺方法，对于保证零件的使用性能要求，降低成本、提高生产率和经济效益，有着重要的意义。 在机械制造工业中，工程材料的质量控制是获得高质量产品与赢得市场的重要环节。材料的化学成分、组织状态、性能及其热处理、热加工过程中的变化，需要确定是否合乎要求；原材料及其加工中的缺陷需要确认，并作为改进加工工艺的依据；产品服役过程中的质量需要跟踪等等，都需要通过检验来分析和控制。

●9.1材料与成形工艺选择选择原则

本节主要讲解材料与成形工艺选择及产品质量控制。

●9.2典型零件的选材实例分析

本节主要讲解典型零件的选材实例分析。

第十章材料与成形工艺中的绿色和创新

《工程材料与成形技术》是本专业必修的专业基础课，注重将价值塑造、知识传授和能力培养融为一体。以培养“两山匠师”为首要目标，在“两山”绿色和创新理念引领下，在学习《工程材料与成形技术》的过程中，引导学生深刻理解并自觉遵守职业规范，弘扬工匠精神，培育更多新工科人才走技能成才、技能报国之路。

●10.1“两山”理念的绿色融入

湖州是两山理念的发源地，以“两山理念”为引领，深入挖掘“两山理念”中适合本专业的绿色和创新两个核心元素。“两山理念”的绿色引领环境的法治发展，要求学生学习生态治理，坚守职业道德、践行职业规范，护航绿色发展。

●10.2“两山”理念的创新融入

科学技术是第一生产力，创新是引领发展的第一动力，因此科学技术有助于节能减排乃至生态环境的保护和改善。“两山论”强调生态环境可以优化生产力系统中的要素配置，保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力。科技发展和创新是实现绿色低碳发展的根本出路。“两山理念”的创新需要弘扬新时代的工匠精神，遵守工程伦理，砥砺家国情怀，激发使命担当。