第一章　概述

1.1　制造工程材料是我国制造业与装备制造业跃居世界前列的基础

1.1.1　伴随我国制造业的发展主要材料产业也跃居世界前列

联合国工业发展组织的统计报告显示，2010年中国制造业产值高达1.955万亿美元，在全球制造业总产值中所占的比例为19.8％，相比之下美国2010年制造业产值为1.952万亿美元，占比为19.4％，中国已经成为全球第一大工业制造国。同时，2009年我国装备制造业工业总产值已位居世界首位。伴随制造业和装备制造业的发展，我国的基础材料产业的产量也跃居世界前列。改革开放以来，特别是20世纪90年代以来，材料产业日益成为中国制造业持续高速发展的重要支撑（表2-1-1、表2-1-2）。

注：数据来源于《中国统计年鉴2011》和《中国统计年鉴2012》。

注：数据来源于《中国统计年鉴2010》、《中国统计年鉴2011》和《中国统计年鉴2012》。

总体规模：从2006年起到2011年，中国按行业分规模以上制造业工业总产值呈现稳步增长的态势，且与2009年相比，2010年和2011年制造业工业总产值的增长速度明显提升，如图2-1-1所示。由表2-1-2可以看出，2010年，中国制造业工业总产值为609558.5亿元人民币，比2009年增长27.20％；制造业产品的销售收入为606299.61亿元人民币，比2009年增长28.49％；制造业利润总额为42550.45亿元人民币，比2009年大幅增长了52.12％。而2011年中国制造业工业总产值为733984.01亿元人民币，比2010年增长20.41％；制造业产品的销售收入为729263.69亿元人民币，比2010年增长20.28％；制造业利润总额为47843.10亿元人民币，比2010年增长了12.44％，利润增幅有所下降。

数据来源：根据相关年份《中国统计年鉴》整理计算所得。

1.1.2　材料产业的发展走在制造业发展前列

图2-1-2和图2-1-3分别是2010年和2011年制造业工业总产值的产业分布。可以看出，2010年在制造业所属的30个行业中，工业总产值比重最高的是交通运输设备制造业，达55452.63亿元人民币，在制造业中所占比例为9.10％；规模前十的产业工业总产值占了制造业工业总产值总额的67.82％，相比2009年的67.66％略有上升。2011年在制造业所属的30个行业中，工业总产值比重最高的是黑色金属冶炼及压延加工业，达64066.98亿元人民币，在制造业中所占比例为8.73％；规模前十的产业工业总产值占了制造业工业总产值总额的68.31％，相比2009年的67.82％略有上升。2010～2011年制造业前十大行业一半与材料行业相关联。2011年我国装备制造业产业状况见表2-1-3。

数据来源：根据《中国统计年鉴2011》中相关数据计算、整理所得。

数据来源：根据《中国统计年鉴2012》中相关数据计算、整理所得。

注：1.2011年工业总产值844268.79亿元；

2.2011年制造业工业总产值733984.01亿元；

3.2011年装备制造业产值在制造业工业总产值的比例43.16％；

4.2011年装备制造业产值在工业总产值的比例37.52％。

数据来源：根据《中国统计年鉴2012》中相关数据计算、整理所得。

1.1.3　装备制造依然是国家工业的核心与基础

各国工业统计中，没有“装备制造”门类，只有制造业中的“机械电力电子产品制造”大类。根据我国装备制造业的概念，机械（电子）制造业中扣除约20％的消费类产品，就是装备制造业的产值。按我国工业统计分类，机电设备制造业包括7类：金属制品、通用设备、专用设备、交通运输设备、电气机械及器材、通信设备/计算机/其他电子设备、仪器仪表；武器装备不列入。

1.1.4　制造工程材料是装备制造的核心与基础

严格地说“制造工程”包括所有应用材料加工成制品的工程，大至航空母舰、飞机、潜艇，小至五金、工具，单就对国民经济影响重要性而言，装备制造业是重中之重，原因在于以下几点。

（1）装备制造依然是国家工业的核心与基础。就其本质而言，装备是人类生产活动的工具。生产工具的进步是社会生产力发展的关键要素，以至成为划分历史时代的基本标志。

装备制造业为社会生产各部门提供“工具”，领域宽广、品种繁多，且在不断变动和进步中。它具有资本密集与技术密集、技术跨度大、产业关联度强、社会需求弹性大等特点。它的高端产品部分，是各工业强国竞相追逐与争夺的高技术前沿。

工业时代的生产装备的进步，以科技的进步与工业整体制造水平为基础；生产装备的进步与革新，又促进了工业整体水平的提高和社会物质文明的进步。机器大工业的兴起，其标志产品是蒸汽机的发明使用。蒸汽机制造成功的前提是当时冶金业、机械加工业的生产与技术能力和以工程科学为基础的设计水平较高。自工业革命以来，机器装备制造的发达程度和技术水平，就成为国力的象征，成为划分“工业化国家”和“发展中国家”的分水岭。

在当代，随着电子信息革命和高新技术产业的兴起，有人把装备制造工业称作“夕阳产业”，似乎从此大机器工业将被边缘化，“产业升级”的任务就是发展电子信息等高科技产业。但实际上，所有高技术产业的“硬件”即生产设备、试验设备等的制造，都离不开基本材料、加工能力与设计技术的支持。当代高新技术的引入，使传统机械加工技术集合了先进材料、精密加工（光电、计算机控制、机电液一体化）等前沿技术，完全改变了传统装备制造业的面貌。

（2）装备制造业是工业的核心和综合国力的根基。装备制造业的成长，是国家工业化的中心问题。一国装备制造业的技术水平与竞争力，基本可以代表该国工业科技的总体水平。当今，美国、欧洲、日本等工业发达国家（地区）无不是装备制造强国。在主要工业强国，装备制造占工业总量的40％～45％（美国41.9％、日本43.6％、德国46.4％、法国39.6％、英国37.3％、韩国45.3％，2006年），而我国大约为37.52％（2011年）。总量是一方面，更重要的是，当代工业发达国家尽管大规模外移低端制造业，但绝没有放弃在装备制造领域保持技术优势与主导地位，相反正在采用各种手段保持自己的优势竞争地位。

后进国家追赶先进的进程，无一不把发展自主的装备制造业作为发展战略的核心目标。造衣服和造机器是完全不同的概念。工业规模固然重要，但装备制造能力才是核心，是“脊梁”。装备制造所需的关键材料和基础零部件所需的“制造工程材料”就是脊椎骨，制造工程材料是装备制造的核心与基础。

1.2　装备制造业的发展对制造工程材料提出更高要求

1.2.1　战略地位和作用始终未被弱化

目前，美国、日本、德国等工业发达国家仍然是装备制造业强国，现存格局并不因全球金融危机爆发、世界经济衰退而发生根本性的改变。在制造业全球化、世界产业分工大变动格局中，装备产业链形成细分与全球分布趋势，在发达国家与发展中国家之间，形成高-中-低分布格局，这一趋势的主要载体是西方跨国公司。概括地说，全球装备制造业的大体趋势是：全球化、高技术化、垄断化、集群化、服务化。

装备制造业处于工业的核心地位，没有强大的装备制造业就无法完成工业化，更不可能实现现代化。进入21世纪，工业发达国家将装备制造业置于更为优先发展的战略地位，不仅体现在装备制造业占本国工业总量的比重、资本积累、就业贡献等指标上均居前列，更体现在装备制造业为新技术、新工艺、新产品的开发、设计和生产提供了重要的物质基础。近年来，美国等工业发达国家装备制造业占制造业的比重均在40％以上；新兴工业国家在30％以上，并呈现出不断上升的趋势。在全球金融危机的冲击下，2008年世界主要国家机械工业销售收入同比增长0.5％，国际装备制造业的经济规模仍保持相对稳定。2008～2011年我国的黑色金属冶炼及压延加工业、有色金属冶炼及压延加工业和非金属材料产业产值均逐年递增。

联合国工业发展组织的统计报告显示，从制造业产值方面衡量，中国2010年已经超过美国成为全球制造业第一大国。

1.2.2　产业结构发生着积极的变化

近年来，在经济全球化和资本自由化的双重影响下，国际装备制造业的产业结构发生了重大变化，其主要体现在以下几方面。

一是国家之间的产业结构存在明显差别。工业发达国家逐步退出劳动密集型和高劳动强度的制造业，产业结构调整的重点是高技术化、高附加值化和高服务化。工业发达国家精密机械所占比重大大高于发展中国家，例如：美国的这一比例基本上达到了发展中国家的3倍；关键零部件所占比例也高于发展中国家；日本工程服务创造的产值已经相当于装备制造业总产值的80％。

二是国际产业转移步伐加快。工业发达国家的装备制造业加工组装环节陆续向劳动力丰富、成本低、市场需求大的发展中国家转移，目前新兴工业化国家与发展中国家装备制造业增长速度远高于工业发达国家。不仅如此，资本含量与技术含量较高的先进制造业，与以IT为代表的高技术产业生产制造环节的转移扩散程度加大、速度加快。同时，转移的方式也由合资、合作为主向独资、并购为主转变，出现日益深度化和广度化的新趋势。

三是产业布局调整逐步深化。随着经济全球化的深入发展，装备制造业产业链在不断拉长，产业分工不断细化。全球化设计、全球化零部件制造、本地化成套组装与销售，已成为跨国公司的主要生产组织方式。这种产业生产组织方式的不断演变，是建立在企业重组和产业整合基础上，企业的核心竞争力大大增强。

1.2.3　技术发展日新月异

产业技术是当今全球科技发展最活跃的领域，特别是进入21世纪以来，装备制造业产业技术的内涵和外延随着科技快速发展、应用领域加深与拓展而不断变化，并随时孕育新的突破和掀起新的革命。

一是信息技术的渗透性更趋突出。以计算机为代表的信息技术的快速发展，信息技术与装备制造业的结合，不断地催生出集合性的新产品门类和新业务。同时，信息技术的渗透还变革了装备制造业的生产方式，一些产业中纵向一体化的趋势正在减弱，取而代之的是契约分包的合作方式。

二是装备制造技术日趋极限化。为适应各行业技术发展的需要，装备制造技术正在从常规制造、传统制造向非常规制造及极限制造发展，集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造和强场（如强能量场）制造等，并已成为装备制造技术发展的重要领域。

三是新材料推动了装备制造技术的发展。进入21世纪以来，新材料技术的突破在很大程度上使材料产品实现智能化、多功能化、环保化、复合化、低成本化以及长寿命和按用户的要求进行定制。

四是绿色化、人性化和安全性越加受到重视。欧洲、美国等已制定并实施有关限制产品中有害物质、化学物质等的法律和政策，绿色制造技术将被全球各产业广泛采用，如汽车产业追求的零排放等。与此同时，世界各国也更加关注新技术对人与生物的安全性影响，更加重视产业的安全技术。

1.2.4　新理论新技术推动产业持续发展

一是现代设计的方法和手段；二是加工技术相互融合，派生出新的装备制造技术；三是新材料的开发应用，推动了装备制造技术的发展。

1.2.5　生产与管理模式发生深刻变革

传统的单品种、大批量生产方式正向多品种、个性化生产方式转变，以生产者为主导的生产方式逐步向以消费者为主导的定制生产方式转变。生产组织方式和管理方式也同步跟进，表现出从金字塔式的多层次管理结构向扁平的网络结构转变。另外，借助于高新技术特别是信息技术，近年来欧美国家出现了以航空、汽车等产业为中心的企业集成趋势，标志着装备制造业开始向网络化发展的时代。

1.3　制造工程材料对装备制造业的影响

1.3.1　制造工程材料分类与应用

按“料要成材、材要成器、器要有用、用要长久”原则（图2-1-4），制造工程材料应是指主要用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构建和机械零部件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蚀、耐高温等）的材料。图2-1-5为典型金属材料历经矿石-原材料-零部件-装备/整机加工过程，材料延寿不应只是材料加工或服役的某一过程，而是贯穿于原料-加工-设计-制造-服役-使用维护的全过程。

材料是人类文明进步的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代，材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。严格地说“制造工程”包括所有应用材料加工成制品的工程，大至航空母舰、飞机、潜艇，小至五金、工具，制造工程材料应是指主要用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构建和机械零部件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蚀、耐高温等）的材料。

制造工程材料按材料类型分，主要有黑色金属材料、有色金属材料、石油化工材料、非金属矿物制品、复合材料等。在制造业尤其是装备制造业中更多按行业与用途分类，主要分为：①重大成套装备用制造工程材料（包括电力装备、钢铁工业装备、石油化工装备和大型工程机械与矿山机械）；②基础类装备与共性技术用制造工程材料［包括工业自动化与仪器仪表、机床、机械基础件、工（模）具、切削工具］；③行业专用装备制造工程材料（包括农业装备、环保与资源综合利用装备、纺织机械）；④交通设备（包括汽车、轨道交通装备、船舶、民用飞机）；⑤高技术产品制造装备（如电子专用装备）。

装备制造业所用制造工程材料按其功能又可大致分成两大类：一类是用量最大的结构材料；另一类是核心零部件与基础件材料。以齿轮、轴承为代表，包括液压件、气动元件、密封件和紧固件的基础零部件，不仅是我国装备制造业的基础性产业，也是国民经济建设各领域的重要基础。基础零部件产业关联度高、吸纳就业强和技术资金密集，是各类主机行业产业升级、技术进步的重要保障，不仅是我国发展战略新兴产业的重要支撑，而且是我国从制造大国向制造强国转变的标志性产业。

1.3.2　制造工程材料与装备制造相互联动

材料产业是处于资源采掘业和制造业之间的产业，它们之间是上下游的关系；对于制造工程材料与装备制造是交叉的。材料产业肩负着为制造业发展提供原料的责任，是上游的供应商；而制造业是材料产业的下游，制造企业是材料产业的主要客户，制造业的规模是材料产业发展的市场基础；材料产业和制造业之间是相互促进、共生共存的关系，只有共同地发展才能使得产业价值链的价值创造活动更为有效。

一直以来的多数情况是下游制造业质量的提升，要求上游的材料业在质量水平上也有一个提升，材料业为适应制造业的需求而不断提高水平，体现为下游制造业对上游材料业的牵引式拉动效应。但是，随着社会分工的日益细化，作为“源头”的上游材料，其标准提高、技术水平的进步在某种程度上也影响着下游制造业的发展，体现为材料产业对制造业的推动效应。从价值链的构成上看，过去材料在整个制造品中的价值处于从属地位，一般占10％～20％。现在先进制造业价值链的构成可能完全颠倒过来，材料在整个制造品中的价值居于主导地位，达到70％～90％。

新型材料的研发和材料性能的改善离不开先进设备的支持，而这些先进设备的设计制造又取决于设计制造水平的提高，因此，材料性能的改善和新型材料的研发又依赖于设计制造水平的提高。由于设计制造技术和水平的提高，近年来，电子显微镜技术的发展和进步，为人们从原子尺度评价材料的内部结构提供了重要的研究手段。

1.3.3　制造工程材料与装备制造相互融合

先进近净成形技术、极端制造技术等现代高技术发展，使得制造工程材料与传统材料内涵与外延已不同，体现为材料与制造品的合二为一或不可分性，即材料就是产品、材料决定功能、材料就是整体。在这种情况下，材料对产品性价比的影响是巨大的。以石油开采钻头为例，过去用的金属钻头，尽管单价便宜，但性价比极低。而现在用的有机高分子材料钻头尽管售价提高2～3倍，但产品的寿命提高5～8倍，同时还极大地降低因产品更换对生产造成的损失。

材料性能的发挥因产品性能要求的不同而不同，材料的工艺性能决定了产品的性能和成本，例如机械零件，如果采用精密成型技术，将节约材料50％～90％，减少工时30％～70％，降低生产成本约20％～50％。

1.3.4　制造工程材料发展促进装备制造业的发展

新材料推动了装备制造技术的发展。进入21世纪以来，新材料技术的突破在很大程度上使材料产品实现智能化、多功能化、环保化、复合化、低成本化以及长寿命和按用户的要求进行定制。

在当代，随着电子信息革命和高新技术产业的兴起，有人把装备工业称作“夕阳产业”，似乎从此大机器工业将被边缘化，“产业升级”的任务就是发展电子信息等高科技产业。但实际上，所有高技术产业的“硬件”即生产设备、试验设备等的制造，都离不开基本材料、加工能力与设计技术的支持。当代高新技术的引入，使传统机械加工技术集合了先进材料、精密加工（光电、计算机控制、机电液一体化）等前沿技术，完全改变了传统装备制造业的面貌。

1.4　制造工程材料技术水平与发达国家的差距

我国是世界制造大国，但不是一个科技强国。产业升级的关键是提高技术竞争力，即自主技术创新能力。

与国际先进水平相比，我国装备工业技术方面的差距主要表现在以下几方面。

（1）技术水平总体较低，对外依赖性强。中低档产品能力过剩、性能质量尚存差距；高档产品依赖国外的局面未能根本扭转。

（2）主要技术瓶颈：系统集成（含控制技术、重大成套技术）、各领域核心技术、基础零部件元器件、制造共性技术、材料技术等战略性高技术受制于人。

（3）自主创新能力不强，长于模仿和局部改进，对引进的技术消化不力、缺乏创新动力与主动精神。重大关键技术装备逐代引进，代价沉重；产业技术进步呈被动跟踪态势。

（4）企业技术基础普遍薄弱，效益低，技术进步缺乏支持保障条件。

1.4.1　我国装备制造业与制造工程材料处于世界产业链的中低端

我国工业的基本特点是规模大、集中度低、长于价格竞争、技术竞争力落后，总体技术水平处于发展中国家前列。从2002年开始掀起了国际装备制造业向我国大规模转移的高潮。在该过程中，一方面是跨国公司以直接投资、进口、技术转让等方式，大量进驻我国市场；另一方面是我国装备制造业通过设备、技术引进及与跨国公司合资、技术溢出等方式，获得了较快发展，出口能力不断增强。2000年以来，我国装备制造业的出口保持高速增长，在我国总贸易中的比重从2000年的34.9％上升到2007年的49.7％。然而，伴随其高出口增长的是进口量及其在总贸易中所占比重也不断攀升。而从实际情况来看，支撑我国装备制造业大量进口的，一是大量的外资企业，二是关键零部件的进口。而且从贸易结构来看，本土装备制造企业出口的多为附加值低、耗材严重的设备，进口的多为附加值高、技术水平高的设备。

以下一组数据发人深省。

①我国工业总体效益偏低，劳动生产率大约是发达国家的1/20。

②高技术产品大部分依赖国外，尽管近10年国内装备在国内市场的占有率提高较快，但目前国产装备的整体国内市场满足度不到60％。

③近年来机电产品出口的迅速增长，是建立在大量进口技术装备和元器件上。国内无法解决大型成套装备的关键设备、精密加工设备。很大一部分国内可以制造的装备也大量依赖进口。轿车工业、数控机床、纺织机械、胶印设备的市场有一半被进口产品占领。部分高档产品在国内外资企业制造，我国无自主知识产权，核心技术仍掌握在外方手中。

④装备制造产品的出口，大部分是低技术低附加值产品。近几年装备类产品出口已占出口总额的40％，但自主品牌出口所占比例不到10％，大部分出口是使用外方品牌的加工贸易（占45％）或贴牌生产为主的订单贸易。

⑤缺乏自主核心技术使我国大量财富外流：我国必须将每部国产手机售价的20％、计算机售价的30％、数控机床售价的20％～40％拿出来向外国支付专利费。

⑥OEM贴牌生产厂商的总收益（含所有成本）仅占产品全球价值链的10％左右。我国沿海工业带的崛起，与西方服务业占GDP比重同步提高，绝非偶然。

1.4.2　总体技术水平不高

（1）产品性能的差距。我国装备工业的产品结构绝大部分是通用型、中低档产品；高技术产品的自主开发能力差、空白多、绝大多数由外资企业生产（主要是浅层次加工环节）。

（2）关键高技术装备和零部件技术差距大。国内尚不能制造的装备包括大型循环流化床锅炉、燃气轮机、整体煤气化联全循环发电系统、抽水蓄能水电机组、核电关键设备和重要部件、特高压输变电关键零部件；连铸/连轧设备、大口径无缝管设备、超高功率电炉、真空精炼/铸造装备；矿用变频器、刮板机等软启动装置等。

工业自动控制与仪器仪表发展差距较大，拖累了装备主机系统集成能力的进步。控制装置硬件主要靠进口；国产高端仪器仪表仅占国内市场的9％，可靠性指标低，缺项较多；传感器是突出弱项。控制软件的基础部分尚未被掌握。

机械基础件及相应的共性技术研发严重滞后。热表处理技术落后严重影响主机性能质量。各重大装备零部件（轴承、液压件、轧辊、减速机、电气元器件）性能质量有差距，齿轮、轴承的寿命仅为国外的1/4。国产自控系统、仪器仪表、电气传动系统的可靠性有待提高。重型装备的大锻件存在技术瓶颈和产能瓶颈，不得不高价进口大量关键零部件，以保证主机质量。例如，全工程机械行业70％的利润被进口零部件吞噬；数控机床40％的成本用于支付各项外购。三一重工40％的部件由国外配套，成本占机械总成本60％，零部件进口常被日本、美国等外协厂商卡脖子。

高新技术装备、微细加工设备（如半导体加工设备）几乎全部依靠进口；高技术含量的配套部件大量依靠国外，如航空发动机，船舶、飞机的导航仪器仪表，信号系统，精密高档轴承，变频器，数控刀/量具，高速列车刹车系统等。“就装备的技术含量而言，我们只能算是第二方阵中的成员”。

企业工艺装备水平较低。第三次全国工业普查中，全国大中型企业的1180种主要专业设备中，达到先进水平的仅占26.1％，十几年过后的今天，据有关材料反映，这一问题并未得到彻底解决。

（3）系统集成与工程技术能力薄弱。目前我国的重大建设项目基本上依赖外国大型工程承包公司，通过外方公司一揽子引进工艺技术、工程设计和设备。国内装备制造企业只能依赖上级安排国产化依托工程，或以合作生产的方式分包少量工程或单体制造。

由于我国目前没有具备系统设计、系统成套和工程总承包能力的供应商，大量成套设备市场只能让给外商，大部分（甚至90％）单机虽由国内企业制造，但大部分利润被外商拿走。

（4）外资对产业发展与技术进步存在一定负面作用。外资通过在华工业投资，大规模进口装备与零部件，挤占本国装备制造业市场。对外资企业的种种优惠（减免所得税、免税进口设备），则可能抵消国家限制装备进口、培植本国装备制造业市场的政策效力（外资企业通过材料-成品进出口差价将收益转移到海外、制造账面亏损等）。

合资企业外方以技术优势控制主导权，压抑我方自主创新意志与能力。

成立合资企业，对外商让出部分市场与产权，引进国外资金技术，是为了便利我们学习先进技术、加强自身产业实力。但在实际进程中，由于招商引资的“GDP偏好”，合资企业中外方以技术优势为后盾控制企业经营权，中方逐渐淡忘“学习技术”目标，变成“让市场、让产权、要GDP、不学技术”；拿来现成的外国图纸生产，靠税收优惠和市场优势过日子，甘当“打工仔”，不思进取。

1.5　制造工程材料及制品的延寿

1.5.1　制造工程材料延寿是社会经济发展的必然要求

人类社会发展到今天，对材料发展的方向提出了新要求。1972年在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上正式提出与讨论了“可持续发展”的概念。20世纪90年代，材料科学家提出并开始研究环境友好型材料，其含义是在提取、制备、使用过程中，直到废弃及再生的整个过程中都尽可能地减少对环境造成影响的材料。与“环境友好型材料”新概念相比较，人类过去千百年以来研究和使用的材料只是“环境适应性材料”，就是能加工成在使用运行环境和自然环境中应用的材料。环境适应性材料满足了人类进步的需要，环境友好型材料才刚刚起步，可以广泛使用的这类材料很有限。

技术指标、经济指标和可靠性作为评价制造工程材料及其制品的质量主要依据，也是制造工程材料延寿的主要着力点。技术指标是指产品的功能和产品在制造、运行状况的一切性能。经济指标是指产品在科研、设计、制造和运行使用维修的费用。制造工程材料及其制品的可靠性是产品的一种重要质量指标。

“制造工程材料延寿”含义就是提高制造工程材料及其制品的使用可靠性、安全性、经济性和耐久性，在保证可靠性和安全性前提下，尽可能地延长其使用寿命。由于对材料环境行为的认识不足，环境适应性材料的设计与选择尚无依据。制造工程材料作为产品的物质基础，也是产品各自功能的物质基础，产品的功能归根到底是由材料的功能提供和保证的。产品失效（不可修复产品）可归结为材料失效，而材料失效的本质可归纳为材料的变质和性能的劣化以及累积损伤超出了产品所规定的范围（即产品失效的判据）。从某种意义上讲，制造工程材料产品失效学本质上是材料失效学，它侧重于材料的环境行为、失效机理和工程应用，它既是材料科学和工程的重要组成部分之一，又是材料科学发展的巨大推动力。

材料性能是材料功能特性和效用的定量度量和描述。任何一种材料都有其特征的性能和应用。材料的性质也表示了其对外界环境的整体响应。而材料使用性能则是材料在最终使用状态时的行为（它取决于材料的基本性能），是材料固有性质与产品设计、工况、人类需求相融合的产物。

1.5.2　制造工程材料延寿意义已超越自身，对社会发展产生深远影响

腐蚀、断裂（疲劳）、磨损是材料及构件的三大主要失效形式，造成的损失严重，国外早有统计数据，各损失平均约占4％的GDP。国外的研究结果表明，通过研究和应用相关技术，30％以上的损失可以避免。腐蚀科学家认为最普遍、最难以回避的是环境作用下的腐蚀，中国工程院项目支持完成的腐蚀损失调查结果（《中国腐蚀调查报告》，2003年10月出版）表明，我国当年腐蚀总损失达4979亿元以上，约为当年GDP的5％（而美国为3.4％，日本这样的海洋性国家甚至低于3％）。按照国外的研究结果，仅仅腐蚀损失就大于所有自然灾害（地震、台风、旱涝、泥石流等）的损失之和（以15年平均计）。

摩擦磨损科学家认为约有80％的机器零部件都是因为磨损而失效。中国工程院项目支持完成的摩擦磨损损失调查结果（《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》，2006年）表明，2006年我国工业领域因摩擦磨损造成的损失约9700亿元人民币，约为当年GDP的4.5％。国外统计资料表明：摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源，约有80％的机器零部件都是因为磨损而失效，而且50％以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效和过度磨损。美国、英国、德国等工业国家每年因摩擦、磨损造成的损失约占其国民生产总值（GNP）的2％～7％；疲劳科学家认为疲劳导致断裂引发失效，机械产品失效有一半以上归因于疲劳破坏。航空发动机关键基础构件因疲劳失效占80％以上。通过“无疲劳制造”，全面提升材料制件表面完整性，是使我国从“制造大国”发展成为“制造强国”的必由之路。

国内比较重视本身材料的生产与制造，对材料的合理使用重视不足，部分材料的成分、组织、基本性能都合格，但使用寿命很短；对腐蚀、断裂、磨损等失效进行单独研究，它们之间的交互作用、共性问题研究得较少。

通过对制造工程材料、构件及系统设计及过程控制，保证材料、构件及系统的可靠性、安全性、维修性和耐久性，进而获得环境友好性和全寿命成本低的可持续发展模式（图2-1-6）。

1.5.3　制造工程材料延寿是系统工程

制造工程材料延寿是一项系统工程，有赖于材料、材料制品设计、制造、使用、维护维修、管理科学等方面技术人员共同开展工作，提出提高材料及其制品的使用可靠性、安全性和耐久性的措施，进行精心设计、精心制造、精心使用，尽可能地延长其使用寿命，提高经济性，减少资源和能源的消耗，减少环境污染，为维持国家可持续发展战略服务。

“制造工程材料延寿”就是系统控制腐蚀、磨损和断裂，提高材料及其制品的可靠性、安全性、耐久性、经济性和环境适应性，延长材料使用寿命，包括以下几点。①研究、开发和总结现有“材料及其制品”预防和控制材料腐蚀、磨损和断裂的理论、原则、技术和措施，以提高其使用可靠性、安全性、耐久性、经济性和环境适应性。②研究、开发新的材料以满足各种功能、各种使用环境需求下更高的环境适应性能力，延长使用寿命。③材料工作者配合设计师、工程师，在设计、制造和使用产品的过程中，做好材料的选用、设计、制造及产品的储存、运输和使用过程，进行系统控制，不损伤材料固有的优良性能，提高材料及其制品的使用可靠性、安全性和耐久性，从而显著延长使用寿命。④建议国家实施“再回收、再制造、再循环、再利用”的“再循环经济政策”；提高全民节约资源、节能减排意识，对通过再制造可以再利用的零部件实施再制造；对到寿、退役、报废的器件，进行再回收、提炼、回炉，成为新的原材料，再循环，再利用，这是一个庞大的系统工程，需要国家统一指挥、规划安排、逐步实施以形成“再循环经济”的一系列政策和措施，同时进行教育入手、素质培养、风尚建立等安排。

从设计开始，对腐蚀、摩擦磨损和断裂进行系统控制的时候，首先强调的是材料科学家要对材料及其制品三大失效环境单独及复合作用下，所产生的腐蚀、摩擦磨损、断裂的综合结果（例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨蚀、磨损-疲劳损伤等），探讨材料在环境作用下综合失效机理，在综合失效机理认知基础上认清系统控制材料及其制品腐蚀、摩擦磨损和断裂的基本理论、原则、技术和措施。

1.6　基础制造工程材料的作用

装备制造业中制造工程材料按功能又可大致分成两大类：一类是用量最大的结构材料；另一类是核心零部件与基础件材料。后者以齿轮、轴承、模具、密封件和紧固件等基础零部件为代表，不仅是我国装备制造业的基础性产业，也是国民经济建设各领域的重要基础。基础件产业关联度高、吸纳就业强和技术资金密集，是各类主机行业产业升级、技术进步的重要保障，不仅是我国发展战略新兴产业的重要支撑，也是我国从制造大国向制造强国转变的标志性产业。

在中国工程院“材料延寿与可持续发展战略研究”重大咨询项目中课题二～六是按行业对材料延寿开展重点研究，所以课题一主要选择制造工程中典型的机械基础件材料（尤其是新兴战略产业和高端制造所需基础件）开展研究，研究它们的现状与发展需求、应用现状、失效形式、影响因素、延长使用寿命和支持可持续发展的思路、延寿措施、对策与建议。

1.6.1　机械基础件在机械工业中的地位

基础件的性能水平，在很大程度上决定了主机的性能水平。例如模具是实现制造业现代化的基础和核心，其发展水平是衡量一个国家制造业水平高低的一个重要标志，是推动先进近净成形技术发展的重要支撑技术。模具工业是重要的基础工业，工业生产中使用模具批量生产制件具有高生产效率、高一致性、低耗能、低耗材的优势，因此被广泛应用于制造业各个领域。

《国家中长期科学技术发展规划纲要（2006—2020年）》中明确提出：“重点研究开发重大装备所需的关键基础件和通用部件的设计、制造及批量生产的关键技术，开发大型机特殊零部件成形及加工技术、通用部件设计制造技术和高精度检测仪器。“十一五”国家科技支撑计划设立《关键基础件和通用部件》专项。《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中提出要带动配套及零部件生产的中小企业向“专、精、特”方向发展。有计划、有重点地研究开发重大技术装备所需的关键共性制造技术、原材料及零部件，逐步提高装备的自主制造比例。国务院《装备制造业调整和振兴规划》提出“坚持发展整机与提高基础配套水平相结合”的基本原则和“基础件制造水平得到提高，通用零部件基本满足国内市场需求。”

“十一五”时期正值世界经济进入后金融危机时代，是世界经济格局发生深刻变化而又充满变数的时代。调整全球产业结构，重建世界经济新次序成为全球经济发展的必然趋势。各国政府纷纷加大科技创新力度，大力推进战略性新兴产业发展，以赢得未来经济的主导权。毋庸置疑，制造业仍是世界经济增长的基本因素。

提高基础件行业的自主创新能力，发展具有自主知识产权的基础件产品，是国防安全与工业升级的保障。飞机所用轻型和集成液压系统（起落架、航行姿态控制），战车与军舰炮塔用液压控制自动修正瞄准误差，飞机发动机、航天器等所需专用轴承等基础件，其进口均受到外国严格限制，必须自行研制。IT业、生物制药、化学、电气等自动生产线，需要真空、无磁、无菌的加工环境，须采用高洁净度气动元件、高精度液压、密封件和轴承等配套件。

1.6.2　基础件的进步需要雄厚的技术实力支持

基础件产品的突出特点，一是量大面广、规格多样化；二是对产品加工的精度与一致性要求很高，以保障产品的稳定性可靠性，企业生产要求批量化与柔性化，工艺装备必须改进（如高档自动化专机、自动生产线或柔性化设备），要具有按主机的特殊要求进行产品研发设计的能力；三是材料技术进步至关重要。生产设备昂贵，要求企业具有最低经济规模；从基础科研（材料、工艺、配套件等）、产品开发设计到稳定量产，其技术难度、所需资金的投入，一点不比主机小。

1.6.3　我国基础件行业概况与存在问题

我国基础件行业产量在世界的排名：轴承为第三位，液压产品为第三位，气动产品为第四位，齿轮为第四位，模具为第三位，密封件为第七位。但其技术水平与国外先进水平的差距明显大于主机的差距。我国生产的机械基础件产品，可满足本国机械装备的一般配套需求，但也存在以下突出的问题。

（1）基础件滞后成为制约装备工业升级的突出瓶颈。产品结构中，中低档产品过剩，高水平产品不足，高端零部件主要靠进口；产品品种少，有些领域国内仍是空白。

在重大装备的关键零部件方面，未能掌握核心技术，或虽有一定基础，但产品性能落后，质量一致性差，精度、可靠性、耐用性等技术指标还有较大差距。我国很多装备主机性能质量不过关，故障率高、寿命短，大都与基础件有关。为重大装备配套的高水平基础件不得不依赖进口，这影响了生产、主机升级。为军工配套的某些特种基础件，进口受种种限制，被人“卡脖子”。

（2）行业自主开发能力薄弱。自主创新能力不强，长于模仿和局部改进，对引进的技术消化不力、缺乏创新动力与主动精神。关键零部件逐代引进，代价沉重；产业技术进步呈被动跟踪态势。缺乏有自主知识产权的高性能、高可靠性的基础元器件产品。与国外先进水平相比，我国研发周期约长2～3倍，性能、水平却低一个档次，使用寿命也短30％～50％，新产品贡献率约为国外的1/10，产品和技术的总体水平约落后10～15年。

过度竞争削弱研发能力：行业缺乏旗舰企业，中小企业微利经营，缺乏自我改造能力。多数企业技术基础与研发能力薄弱，原创少，专利少，只能靠模仿；企业装备、工艺水平不高，影响加工的一致性和可靠性。

（3）产学研结合不紧密，技术成果产业化差。基础共性技术研发机构与能力被极度削弱，技术缺门多。如高级泵、阀的精密铸造工艺；热处理/表面处理工艺装备与技术；新钢种的研发与钢材质量控制；密封材料合成及应用技术；各项共性技术研发所需试验条件与材料等。

近10年随着装备制造业的大发展，行业内企业数量猛增。原有国有骨干企业或退出或改制，所剩无几；中小企业成为行业主体。除齿轮、轴承行业有若干国有大企业外，多数为中小企业，行业集中度有所下降。外资零部件厂作为主机配套部分进入中国（如各大合资轿车厂的配套厂），近年来独资控股、加强技术保密的倾向明显，且在部分领域形成垄断。中小企业绝大多数实力薄弱，技术基础差。行业总体特征：大而不强，小而不专，多而不精。

如表2-1-4所示，2010年机械通用零部件行业销售总收入达到2492亿元，同比增长21％，为行业发展历史上的最高值。六个专业销售收入都以两位数增长，其中粉末冶金、链传动、弹簧行业增长率为35％左右，齿轮行业增长率为20％，传动联结件行业增长率为19％，紧固件行业为15％。机械通用零部件产品进出口总额达到222.2亿美元，同比增长38％，但进出口贸易仍然是逆差，且达历史最大值（69.6亿美元）。产品进口额连续冲高增长，再创历史新高，达到145.9亿美元，同比增长36％；其中齿轮是进口的主导产品，占进口总额的72.7％；产品出口额为76.3亿美元，也达到历史最高值同比增长41％。零部件出口额最高的紧固件产品，其出口额还未恢复到2008年的出口水平，但齿轮出口额比上年增加10亿美元，同比增长58％，推动零部件出口强势增长。

注：资料来源于《中国机械工业年鉴2011》。

机械通用零部件行业85％以上为中小企业，国有企业占极少数，中小企业的各项效益指标为大中企业的1/3～1/2，消耗高，产品中低档，重复严重。人均生产率仅相当于国外中小企业的1/20～1/10。

（4）高档精密检测设备以及检测方法和标准依赖国外。一些高端齿轮轴承材料性能和制成品的检测技术、检测方法、检测标准依赖国外；相应的高档精密检测设备也高度依赖国外。

（5）基础部件所构成的系统可靠安全性研究较少，系统全寿命控制和系统安全检测与在线健康监测方面与国外先进水平差距较大。