材料成形工艺基础（第四版）

本书是21世纪高等学校机械设计制造及其自动化专业系列教材之一，先后被列为“面向21世纪课程教材”(第二版)和“普通高等教育国家‘十五’*规划教材”(第三版)。自出版发行以来，本书一直受到业内相关读者的关注和喜爱。本书第三版在2003年7月出版，距今已经近18年。虽然在2020年我们搜集的教材使用单位反馈意见中，各单位均肯定本书内容篇幅基本符合教学要求，但考虑到十几年来科学技术飞速进步，机械制造中的成形材料及成形工艺亦发生了日新月异的变化，为此今年我们特对本书进行修订。在第三版的基础上，本版对传统的材料成形工艺内容进行了精选，缩减或删除了陈旧过时的内容，酌情增加了新材料及相应的成形新工艺及成形技术的原理和应用实例。如在第5篇“材料成形工艺的选择”中的第22章“材料成形工艺的变更及选用举例”中以汽车的主要零部件替代小型汽油发动机，删除已淘汰的化油器结构（当今已采用电喷）。修订后的教材内容更丰富，插图更规范，更适应教学需要。 本版与上一版相比具体有如下变化：（１）上一版沿用版的内容，而版的编写宗旨是贯彻1998年国家*会议精神，适应宽口径新专业教学的需要，淡化专业、加强基础，提高起点，深化、拓宽和加强基础，其内容涵盖整个材料工程所有的成形工艺和工艺设计，有些偏重于专业基础，强调培养学生分析零件结构工艺性和选择成形工艺方法的基本素质，这对于机械制造、机电一体化等专业是非常适合的。但随着材料工程等专业教学改革工作的推进，后来又出现了与专业课更接近的如材料工程等专业基础教材，因而出现前后课程内容重复的现象。为了避免此现象，将本版更准确地定位为技术基础课教材，以扩大读者使用范围。（２）本版不过分强调零件的结构工艺性及工艺设计，原因是随着众多三维绘图软件如Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD、IDEAS、CATIA、SolidWorks、CAXA的不断升级，其模块设计功能更强，可早期发现有关零件结构工艺性的问题，并能及时纠正错误，弥补其设计的不足；特别是随着当今3D打印技术的发展，设计过程对设计者在零件结构工艺性方面的要求越来越宽松，可以说“只有想不到，没有做不到”。（３）本版更注重贯彻“能适应，才能创业”的指导思想。为了使学生能适应科学技术的突飞猛进和社会的不断进步，本版又对成形工艺的新进展做了适当拓展，增加了合金的凝固模拟、定向凝固概念，金属和非金属材料复合成形工艺（如消失模与熔模、真空压铸复合成形），挤压压铸模锻成形新工艺，纤维、塑料、陶瓷、玻璃及复合材料的复合铸造成形，复合材料半固态液体模塑成形，陶瓷基复合材料的增韧工艺，化学气相浸渗成形和溶胶凝胶工艺，铸锻铣一体化3D打印成形工艺及设备，3D与4D打印相结合的应用等内容。（４）本版尽可能结合日常所见到的机械零件，如飞机、汽车、火车、自行车、家庭用具中的零件来介绍材料及成形技术方法的选择，尽可能图文并茂，以便于读者理解各种成形技术方法，弥补目前高校学生因实习受限，难以见到新工艺、新技术等不足。（５）本版更注重同一种成形工艺技术方法对于不同材料的综合应用。例如，液态成形不仅用于铸造，也用于锻造（称为液态模锻），不仅用于金属成形，也用于塑料（浇铸、灌注及离心铸造）、陶瓷（粉浆浇铸）、复合材料（液相工艺）的成形；轧制、挤压成形同样不仅用于金属成形，亦可用于塑料（挤出、压制）、陶瓷（压制）、玻璃（拉制、轧制）、复合材料（模锻、拉拔、挤压）成形；焊接工艺不仅用于金属成形，亦可用于塑料、陶瓷等非铁金属（脉冲等离子弧焊、激光焊接与切割、超声波焊接及钎焊等）成形。（６）本版内容涉及领域更广泛，叙述尽量通俗易懂，大量应用插图，使初学者更容易理解阐述的内容。（７）为了便于教学，从本修订版开始，每章都附有复习思考题参考答案和PPT教学课件。要说明的是，本版仍采用了“材料成形”这一提法，而不用“材料成型”。国外同类教材中“成形”和“成型”这两个词区分较清楚：“成形”为“shaping”，“成型”为“forming”。“成型”工艺通常使用模具（模腔），其*终产品通常是接近或就是所要求的形状，几乎不要或只要少量加工，例如形状复杂的金属或塑料壳体零件都是将材料熔化成液态浇入模腔中“成型”的；而形状简单的零件一般只用简单的工模具或不用有模腔的模具来“成形”制造，如丝材及圆钢的拉拔、轧制等，也不需要模具。因此，本版仍采用“材料成形”，以使使用范围更广。在学习本书之前应修完“工程制图”、“工程实践”（或“金工实习”）、“工程材料”及“公差与配合”等先行课程。凡在前期课程中已介绍的内容，除与材料成形密切相关的以外，本书原则上不再赘述。但为了能让学生对材料成形技术与制造方法有一个完整的概念，对有些必要的内容（如钢铁生产的过程）做了相应的补充。本书在结构上突破了传统体系，以零件的结构与其成形工艺可行性的矛盾分析为核心，提高了学习的起点；内容丰富翔实，深入浅出，有关新工艺、新材料的内容更多，并有一定深度；体系完整、新颖，重点突出，主次分明，实践性强，避免了千篇一律的程式化叙述；淡化了专业界限，完整地表达了相关知识之间的内在联系，加强了基础知识，拓宽了学生的视野；语言流畅，通俗易懂，图文并茂且插图丰富规范。本书不仅仅适合机械类、材料工程类、近机械类专业师生的教学，也适合非机械类，包括新闻、经济管理等类型的本科、专科及职业技术院校的学生和各类技术及管理人员自学阅读。本版仍由华中科技大学教授沈其文主编，参加修订的人员有：沈其文（第1、2、3、4、5、18、20、21、22章），龚文权、陈国清（第6、7、9章和第8章部分内容），周世权（第10、11、12、13、14章），褚衡（第15、16章），彭江英（第17章），李远才（第19章），安萍（第8章部分内容）。由于编者水平有限，在教学改革中探索的经验也还有待进一步完善，因此，本教材难免存在错误或疏漏之处，恳请读者指正。编者2021年5月

本教材对传统的金属工艺学的内容进行了精选，并以零件形体结构设计与成形工艺的可行性为主线贯穿全书，大幅度增加了新材料、新工艺、新技术的内容，包括反映当今*新高科技成果的快速成形技术等内容，还增加了塑料、橡胶、粉末冶金、陶瓷及复合材料等成形工艺章节。本教材分为五篇：金属的铸造成形工艺，金属的塑性成形工艺，材料的焊接成形工艺，材料的其它成形工艺，材料成形工艺的选择。本教材可作为高等学校机电类本、专科学生的教材，也可供有关工程技术人员参考。

华中科技大学教授&博士生导师。主要研究方向为铸造工艺与快速成形工艺及制造。主要作品有：1.材料成形工艺基础。978-7-5609-1970-6。主编。华中科技大学出版社，2003年9月出版。2.材料成形与机械制造技术基础——材料成形分册。978-7-5609-5764-7。主编。华中科技大学出版社，2011年4月出版。

第0章概述1

第1篇金属的铸造成形工艺

第1章铸造成形工艺理论基础7

1.1铸造成形工艺的特点和分类7

1.2合金的铸造性能8

复习思考题18

第2章常用铸造合金及其熔炼20

2.1钢铁的生产过程20

2.2工业中常用的铸造合金及其熔炼22

复习思考题40

第3章金属的铸造成形工艺41

3.1铸造成形工艺的类型41

3.2一次消耗性铸型的成形工艺41

3.3永久性铸型的铸造成形工艺55

3.4复合铸造成形工艺及其新进展66

复习思考题70

第4章铸造工艺设计71

4.1铸造工艺方案的确定71

4.2铸造工艺参数的确定75

4.3芯头及芯座78

4.4浇注系统79

4.5铸件的凝固模拟83

4.6铸造工艺方案及工艺图示例85

复习思考题88

第5章铸件的结构设计90

5.1铸件设计的内容90

5.2铸件结构设计应考虑的其他因素98

复习思考题101

第2篇金属的塑性成形工艺

第6章金属塑性成形工艺的理论基础105

6.1金属塑性成形的基本工艺105

6.2金属的塑性变形106

6.3塑性变形理论及假设108

6.4影响塑性变形的因素110

复习思考题112

第7章锻造成形工艺113

7.1自由锻113

7.2模锻113

7.3锻造工艺规程设计120

7.4锻件的结构工艺性122

复习思考题124

第8章板料的冲压成形工艺126

8.1分离工序126

8.2成形工序132

8.3冲压件的设计137

8.4冲压件工艺规程的制定140

复习思考题145

第9章金属的其他塑性成形工艺146

9.1挤压146

9.2轧制148

9.3摆动辗压151

9.4镦锻152

9.5精密模锻153

9.6多向模锻154

9.7径向(旋转)锻造155

9.8液态模锻156

9.9粉末锻造157

9.10超塑性成形158

9.11高能高速成形159

复习思考题161

第3篇金属的焊接成形工艺

第10章熔焊工艺165

10.1熔焊原理及过程165

10.2焊接接头的组织与性能172

10.3焊接变形和焊接应力174

10.4焊接缺陷177

10.5焊接检验179

10.6熔焊方法及工艺183

复习思考题191

第11章压焊工艺193

11.1电阻焊193

11.2摩擦焊197

11.3超声波焊199

11.4扩散焊199

11.5爆炸焊201

复习思考题202

第12章钎焊、封接与胶接工艺203

12.1钎焊203

12.2封接204

12.3胶接207

复习思考题211

第13章金属材料的焊接性212

13.1金属材料焊接性的概念及评估方法212

13.2碳钢的焊接213

13.3合金结构钢的焊接215

13.4铸铁件的焊补216

13.5非铁金属的焊接217

13.6异种金属的焊接性分析219

复习思考题220

第14章焊接结构的设计221

14.1焊件材料及焊接方法的选择221

14.2焊接接头的工艺设计221

14.3典型焊件的工艺设计举例226

复习思考题227

第4篇其他的材料成形工艺

第15章塑料的成形工艺231

15.1塑料的性能及选用231

15.2塑件的成形工艺238

15.3塑件结构的工艺性251

15.4塑件浇注系统256

复习思考题263

第16章橡胶及其模塑成形工艺265

16.1常用橡胶材料的添加剂265

16.2橡胶材料的主要品种269

16.3橡胶模塑制品的成形270

复习思考题280

第17章粉末冶金成形工艺281

17.1粉末冶金成形工艺过程281

17.2粉末冶金成形技术的应用291

17.3粉末冶金制品的结构工艺性293

17.4粉末冶金制品的常见缺陷分析297

复习思考题299

第18章陶瓷及玻璃材料的成形工艺301

18.1工程陶瓷粉体的性能及制备301

18.2工程陶瓷的成形工艺306

18.3工程陶瓷的烧结及修整314

18.4玻璃的成形工艺316

复习思考题321

第19章复合材料的成形工艺322

19.1复合材料的分类322

19.2纤维增强树脂基复合材料的成形325

19.3陶瓷基复合材料的制备及成形333

19.4金属基复合材料的制备及成形337

复习思考题347

第20章3D打印成形工艺349

20.13D打印概述349

20.23D打印的成形原理351

20.3主流的3D打印机及成形工艺355

20.43D打印技术的应用与发展370

复习思考题381

第5篇材料成形工艺的选择

第21章常用材料成形工艺分析385

21.1材料成形工艺的确定程序及选择原则385

21.2材料成形工艺的选择依据386

21.3主要材料成形工艺的特点388

复习思考题402

第22章材料成形工艺方案的变更及选用403

22.1经济性对材料成形工艺方案的影响403

22.2产品品质对材料成形工艺的影响406

22.3材料成形工艺的选择示例408

复习思考题414

参考文献416