一、工程材料及其分類(lèi)
工程材料有各種不同的分類(lèi)方法。一般都將工程材料按化學(xué)成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。
(一)金屬材料
金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：
1．黑色金屬材料
鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)。
2．有色金屬材料
黑色金屬以外的所有金屬及其合金。
應(yīng)用最廣的是黑色金屬。以鐵為基的合金材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90％以上。黑色金屬材料的工程性能比較優(yōu)越，價(jià)格也較便宜，是最重要的工程金屬材料。
有色金屬按照性能和特點(diǎn)可分為：輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴金屬、稀土金屬和堿土金屬。它們是重要的有特殊用途的材料。
(二)非金屬材料
非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
1．耐火材料
耐火材料是指能承受高溫作用而不易損壞的材料，它是煉鋼、煉鐵、熔化鐵及其他冶煉爐和加熱爐爐襯的基礎(chǔ)材料之一。常用的耐火材料有耐火砌體材料、耐火水泥及耐火混凝土。
2．耐火隔熱材料
耐火隔熱材料又稱(chēng)為耐熱保溫材料。它是各種工業(yè)用爐(冶煉爐、加熱爐、鍋爐爐膛)的重要筑爐材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛭石、玻璃纖維(又稱(chēng)礦渣棉)、石棉以及它們的制品。
3．耐蝕(酸)非金屬材料
耐蝕(酸)非金屬材料的組成主要是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等，它們的耐蝕性能高于金屬材料(包括耐酸鋼和耐蝕合金)，并具有較好的耐磨性和耐熱性能，在某些情況下它們是不銹鋼和耐蝕合金的理想代用品。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
4．陶瓷材料
陶瓷材料主要是以粘土為主要成分的燒結(jié)制品，它具有結(jié)構(gòu)致密、表面平整光潔，耐酸性能良好等特點(diǎn)，常用的有日用陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷和耐酸陶瓷等。
(三)高分子材料
高分子材料為有機(jī)合成材料，也稱(chēng)聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性能、很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)材料。
高分子材料種類(lèi)很多，工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類(lèi)：
1．塑料
主要指強(qiáng)度、韌性和耐磨性較好，可制造某些機(jī)器零件或構(gòu)件的工程塑料，一般分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。
2．橡膠
通常指經(jīng)硫化處理后彈性特別優(yōu)良的聚合物，有通用橡膠和特種橡膠兩種。
3．合成纖維
指由單體聚合而成且強(qiáng)度很高，通過(guò)機(jī)械處理所獲得的聚合物纖維材料。
(四)復(fù)合材料
復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料，其性能是其他單質(zhì)材料所不具備的。復(fù)合材料可以由各種不同種類(lèi)的材料復(fù)合組成。它在強(qiáng)度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。
二、常用工程材料
(一)金屬材料
1_黑色金屬
黑色金屬一般是指鋼鐵材料，鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣、用量最多的金屬材料，它們是以鐵為基的合金。含碳量小于2.11％(重量)的合金稱(chēng)為鋼；而含碳量大于2.11％(重量)的合金稱(chēng)為生鐵。工程實(shí)際中用的鋼和鑄鐵除含鐵、碳以外，還含有其他元素，其中一類(lèi)是雜質(zhì)元素，如硫、磷、氫等，另一類(lèi)是根據(jù)使用性能和工藝性能的需要，有意加入的合金元素，常見(jiàn)有鉻、鎳、錳和鈦等，鐵碳合金中加入上述元素就成了合金鋼或合金鑄鐵。
(1)鋼及其合金的分類(lèi)和牌號(hào)表示方法。鋼材具有許多重要的優(yōu)良特性如材質(zhì)均勻、性能可靠；有高的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性，可承受各種性質(zhì)的荷載；具有優(yōu)良的可加工性，可焊、可鉚、可制成各種形狀的型材和零件。
鋼中主要化學(xué)元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等，這些少量元素對(duì)鋼材性質(zhì)影響很大。鋼中碳的含量對(duì)鋼的性質(zhì)有決定性影響，含碳量低，鋼的強(qiáng)度較低，但塑性大，延伸率和沖擊韌性高，鋼質(zhì)較軟，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高，鋼的強(qiáng)度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。硫、磷為鋼中有害元素，含量稍多會(huì)嚴(yán)重影響鋼的塑性和韌性，磷使鋼顯著產(chǎn)生冷脆性，硫則產(chǎn)生熱脆性。硅、錳為有益元素，它們能使鋼材強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性不顯著降低。
鋼的力學(xué)性能(如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌度和硬度等)決定于鋼的成分和金相組織。鋼的成分一定時(shí)，其金相組織主要決定于鋼的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響。
鋼的分類(lèi)。我國(guó)鋼的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB／T 13304—1991)是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS()4948／1和ISO 4948／2鋼分類(lèi)而制定的。
在工程中更通用的分類(lèi)為：
①按化學(xué)成分分類(lèi)。可分為碳素鋼、低合金鋼和合金鋼。
②按主要質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)：
a．普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和特殊質(zhì)量碳素鋼；
b．普通低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼；
c．普通合金鋼、優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼。
2)鋼牌號(hào)的表示方法。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》(GB／T 221—2000)中規(guī)定，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的表示方法，即：
①牌號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)元素表示。
②產(chǎn)品名稱(chēng)、用途、特性和工藝方法等，通常采用代表該產(chǎn)品漢字的漢語(yǔ)拼音的縮寫(xiě)字母表示。
③鋼鐵產(chǎn)品中的主要化學(xué)元素含量(％)采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。
按規(guī)定(GB／T700—1988)，碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母“Q”、屈服點(diǎn)等級(jí)、質(zhì)量等級(jí)和脫氧程度等四部分按順序組成。屈服點(diǎn)數(shù)值共分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N／mm2五種；質(zhì)量等級(jí)以硫、磷雜質(zhì)含量多少，分別用A、B、C、D符號(hào)表示，脫氧程度如上所述，Z和TZ在表示鋼的牌號(hào)時(shí)可以省略。如Q235一AF表示屈服點(diǎn)為235N／mm2、質(zhì)量等級(jí)為A的沸騰鋼。
3)工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn)。
①灰口鑄鐵?；铱阼T鐵的組織由石墨和基體兩部分組成?；w可以是鐵素體，珠光體或鐵素體加珠光體，相當(dāng)于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。‘
灰口鑄鐵包括普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩種，灰口鑄鐵價(jià)格便宜、應(yīng)用最廣泛。在各類(lèi)鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰口鑄鐵占80.0 ％以上。影響灰口鑄鐵組織和性能的因素主要是化學(xué)成分和冷卻速度?；铱阼T鐵中的碳、硅含量一般控制在碳2.5 %～4.0％，硅1.0％～3.0％。
②球墨鑄鐵。球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度鑄鐵材料，其綜合機(jī)械性能接近于鋼，因鑄造性能很好，成本低廉，生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
球墨鑄鐵的成分要求比較嚴(yán)格，與灰口鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5％～4.7％范圍內(nèi)變動(dòng)，以利于石墨球化。
球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)灰口鑄鐵，而與鋼相當(dāng)。因此對(duì)于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過(guò)45#鋼。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)承受動(dòng)載的零件是帶孔或帶臺(tái)肩的，因此用球墨鑄鐵來(lái)代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。
③蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性；同時(shí)又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑經(jīng)處理而煉成的。蠕化劑目前主要采用鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。蠕墨鑄鐵在生產(chǎn)中主要用于生產(chǎn)汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模和液壓閥等鑄件。
④可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過(guò)退火處理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。按退火方法不同，這種鑄鐵有黑心和白心兩種類(lèi)型。黑心可鍛鑄鐵依靠石墨化退火來(lái)獲得；白心可鍛鑄鐵利用氧化脫碳退火來(lái)制取?？慑戣T鐵常用來(lái)制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動(dòng)荷載的零件，如管接頭和低壓閥門(mén)等。這些零件用鑄鋼生產(chǎn)時(shí)，因鑄造性能不好，工藝上困難較大，而用灰口鑄鐵時(shí)，又存在性能不能滿足要求的問(wèn)題。與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低，質(zhì)量穩(wěn)定，工藝處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。尤其對(duì)于薄壁件，球墨鑄鐵還容易生成白口，需要進(jìn)行高溫退火，這時(shí)采用可鍛鑄鐵更為適宜。
⑤耐磨鑄鐵。在鑄鐵中加入某些合金元素而得到。耐磨鑄鐵是在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵，應(yīng)具有高而均勻的硬度。白口鑄鐵就屬這類(lèi)耐磨鑄鐵。但白口鑄鐵脆性較大，不能承受沖擊荷載，因此在生產(chǎn)上常采用激冷的辦法來(lái)獲得耐磨鑄鐵。
⑥耐熱鑄鐵。耐熱鑄鐵是在高溫下工作的鑄件，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運(yùn)輸鏈條等。在灰口鑄鐵中加入鋁、硅和鎘等元素，一方面在鑄件表面形成致密的氧化膜，阻礙繼續(xù)氧化；另一方面提高鑄鐵的臨界溫度，使基體變?yōu)閱蜗噼F素體，不發(fā)生石墨化過(guò)程，因此鑄鐵的耐熱性得到改善。
⑦耐蝕鑄鐵。耐蝕鑄鐵主要用于化工部件，如閥門(mén)、管道、泵、容器等。在鑄鐵中加入硅、鉻、鋁、鉬、銅和鎳等合金元素，在鑄件表面形成保護(hù)膜，或使基體電極電位升高，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁和高鉻等耐蝕鑄鐵。
2．有色金屬
1)鋁及其合金。鋁及其合金在采用各種強(qiáng)化手段后，鋁合金可以達(dá)到與低合金高強(qiáng)鋼相近的強(qiáng)度，因此比強(qiáng)度要比一般高強(qiáng)鋼高得多。
鋁及鋁合金在電氣工程、一般機(jī)械和輕工業(yè)中都有廣泛的用途。
純鋁材料按純度可分為三類(lèi)。有高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁。工業(yè)純鋁純度為98.0％～99.0％，牌號(hào)有L1、L2、L3、L4、L5等五種，編號(hào)越大，純度越低。工業(yè)純鋁可制作電線、電纜、器皿及配制合金。純鋁的強(qiáng)度很低，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。
鋁合金是在鋁中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。許多鋁合金不僅可通過(guò)冷變形提高強(qiáng)度，而且可用熱處理來(lái)大幅度地改善性能。因此鋁合金可用于制造承受較大荷載的機(jī)器零件和構(gòu)件。
①防銹鋁合金(LF)。防銹鋁合金中主要合金元素是錳和鎂。錳的主要作用是提高抗蝕性能，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金抗蝕性能高，塑性和焊接性能好，但因太軟而切削加工性能不良。主要用于焊接件、容器、管道，以及承受中等荷載的零件及制品，也可用作鉚釘。
②硬鋁合金(LY)。硬鋁合金為Al-cu-Mg系合金。低合金硬鋁塑性好，強(qiáng)度低。主要用于制作鉚釘，常稱(chēng)鉚釘硬鋁；標(biāo)準(zhǔn)硬鋁合金強(qiáng)度和塑性屬中等水平。主要用于軋材、鍛材、沖壓件和螺旋槳葉片及大型鉚釘?shù)戎匾慵桓吆辖鹩蹭X合金元素含量較多，強(qiáng)度和硬度較高，塑性及變形加工性能較差。用于制作重要的銷(xiāo)和軸等零件。
③超硬鋁合金(LC)。超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金，是強(qiáng)度的一類(lèi)鋁合金。但這類(lèi)合金的抗蝕性較差，高溫下軟化快，多用于制造受力大的重要構(gòu)件，例如飛機(jī)大梁、起落架等。
④鍛鋁合金(LD)。鍛鋁合金為Al-Mg-si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。有良好的熱塑性、鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機(jī)械性能。這類(lèi)合金主要用于承受重荷載的鍛件和模鍛件。
按照制造工藝，鋁合金還可分為加工鋁合金和鑄造鋁合金兩類(lèi)。
2)銅及其合金。純銅呈紫紅色，常稱(chēng)紫銅，主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。根據(jù)雜質(zhì)含量的不同，工業(yè)純銅分為T(mén)1、T2、T3、T4四種。編號(hào)越大，純度越低。純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料。
在銅中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，同時(shí)保持純銅的某些優(yōu)良性能。一般銅合金分黃銅、青銅和白銅三大類(lèi)。
①黃銅(H)。以鋅為主要合金元素的銅合金稱(chēng)為黃銅。按照化學(xué)成分，黃銅分普通黃銅和復(fù)雜黃銅兩種。
為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入鋁、硅、錳、和鎳等元素，形成各種復(fù)雜黃銅，如鉛黃銅、錫黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、錳黃銅、鐵黃銅及鎳黃銅等。鉛黃銅主要用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件，鑄造鉛黃銅可制作軸瓦和襯套；錫黃銅廣泛用于制造海船零件；鋁黃銅可制作海船零件及其他機(jī)器的耐蝕零件，還可用于制造大型蝸桿、海船用螺旋槳等重要零件；硅黃銅中硅顯著提高黃銅的機(jī)械性能、耐磨性和耐蝕性，硅黃銅主要用于制造船舶及化工機(jī)械零件；錳黃銅常用于制造海船零件及軸承等耐磨件；鐵黃銅可制造受摩擦及海水腐蝕的零件；鎳黃銅在造船和電機(jī)制造工業(yè)中廣泛應(yīng)用。
②青銅(Q)。青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上都習(xí)慣稱(chēng)含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金為青銅，包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和硅青銅等。如錫青銅在造船、化工、機(jī)械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，主要制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件，以及抗蝕、抗磁零件等；鋁青銅可制造齒輪、軸套和蝸輪等在復(fù)雜條件下工作的高強(qiáng)度抗磨零件，以及彈簧和其他高耐蝕性彈性元件；鈹青銅主要用于制作精密儀器的重要彈簧和其他彈性元件，鐘表齒輪，高速高壓下工作的軸承及襯套等耐磨零件，以及電焊機(jī)電極、防爆工具和航海羅盤(pán)等重要零件；硅青銅用于航空工業(yè)，硅青銅可制作彈簧、齒輪、蝸輪、蝸桿等耐蝕和耐磨零件。
3)鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學(xué)、石油、有色金屬冶煉、高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料。
由于鎳的標(biāo)準(zhǔn)電位大于鐵，可獲得耐蝕性?xún)?yōu)異的鎳基耐蝕合金。鎳力學(xué)性能良好，尤其塑、韌性?xún)?yōu)良，能適應(yīng)多種腐蝕環(huán)境。多用于食品加工設(shè)備、化學(xué)品裝運(yùn)容器、電氣與電子部件、處理苛性堿設(shè)備、耐海水腐蝕設(shè)備和換熱器，如海船中的閥門(mén)、泵、軸、夾具和緊固件，也常用于制作接觸濃CaCl2溶液的冷凍機(jī)零件以及化學(xué)加工設(shè)備、石油煉制設(shè)備，特別是發(fā)電廠給水加熱器的管子等。
4)鈦及其合金。鈦有許多優(yōu)異的性能是其他材料所不及的，且資源豐富，儲(chǔ)量?jī)H次于鋁、鐵和鎂，成為四大元素之一。鈦合金不僅在飛機(jī)、導(dǎo)彈、航天和艦船等方面廣泛應(yīng)用，而且也正向民用領(lǐng)域推廣。
鈦在高溫下化學(xué)活性極高，非常容易和氧、氮和碳等元素形成穩(wěn)定的化合物。工業(yè)純鈦中的雜質(zhì)主要是氧、氮、氫和碳。但由于鈦在高溫下極不穩(wěn)定，易氧化和氫化，所以在大氣中工作的鈦及其合金僅在540℃以下具有良好的耐熱性；鈦具有較好的低溫性能，可做低溫材料，常溫下鈦具有極好的抗蝕性能，在大氣、海水、硝酸和堿溶液等介質(zhì)中十分穩(wěn)定。但在任何濃度的氫氟酸中均能迅速溶解。
工業(yè)純鈦的棒材、板材和擠壓型材用于飛機(jī)、船舶和化工等行業(yè)，制造各種耐蝕、500℃以下耐熱零件，如熱交換器等。
5)鉛及其合金。在鉛中加入銻、銅、錫和砷等元素可提高鉛的再結(jié)晶溫度、細(xì)化晶粒、提高硬度和強(qiáng)度等，并保持合金的良好耐蝕性。硬鉛的密度比鉛高，可作為結(jié)構(gòu)材料，在化工防腐蝕設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，但硬鉛的耐腐蝕性比純鉛略有降低。
鉛在大氣、淡水、海水中很穩(wěn)定，鉛對(duì)硫酸、磷酸、亞硫酸、鉻酸和氫氟酸等則有良好的耐蝕性。鉛與硫酸作用時(shí)，在其表面產(chǎn)生一層不溶解的硫酸鉛，它可保護(hù)內(nèi)部鉛不再被繼續(xù)腐蝕。鉛不耐硝酸的腐蝕，在鹽酸中也不穩(wěn)定。
6)鎂及其合金。鎂及其合金的主要特性是密度小、化學(xué)活性強(qiáng)、強(qiáng)度低。純鎂強(qiáng)度低，不能用于結(jié)構(gòu)材料，主要用鎂合金。
鎂合金是以鎂為基體材料，添加少量合金元素鋁、錳、鋅、鋯和鈹?shù)纫蕴岣哝V合金的強(qiáng)度，其中鋁和鋅是主要的合金元素。錳可提高合金的耐蝕性，鋯可細(xì)化鑄造合金的晶粒和提高抗熱裂傾向，稀土金屬除有類(lèi)似鋯的作用外，還可改善合金的鑄造性能、焊接性能、耐熱性和消除應(yīng)力腐蝕傾向。
鎂合金的優(yōu)良性能是相對(duì)密度小，因而其強(qiáng)度雖然不高，但是它的比強(qiáng)度和比剛度卻可以與合金結(jié)構(gòu)鋼相媲美，故鎂合金是航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，它能承受較大的沖擊、振動(dòng)荷載，并有良好的機(jī)械加工性能和拋光性能。其缺點(diǎn)是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復(fù)雜。
按照制造工藝，鎂合金可分為加工鎂合金和鑄造鎂合金兩類(lèi)。
工程材料有各種不同的分類(lèi)方法。一般都將工程材料按化學(xué)成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。
(一)金屬材料
金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：
1．黑色金屬材料
鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)。
2．有色金屬材料
黑色金屬以外的所有金屬及其合金。
應(yīng)用最廣的是黑色金屬。以鐵為基的合金材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90％以上。黑色金屬材料的工程性能比較優(yōu)越，價(jià)格也較便宜，是最重要的工程金屬材料。
有色金屬按照性能和特點(diǎn)可分為：輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴金屬、稀土金屬和堿土金屬。它們是重要的有特殊用途的材料。
(二)非金屬材料
非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
1．耐火材料
耐火材料是指能承受高溫作用而不易損壞的材料，它是煉鋼、煉鐵、熔化鐵及其他冶煉爐和加熱爐爐襯的基礎(chǔ)材料之一。常用的耐火材料有耐火砌體材料、耐火水泥及耐火混凝土。
2．耐火隔熱材料
耐火隔熱材料又稱(chēng)為耐熱保溫材料。它是各種工業(yè)用爐(冶煉爐、加熱爐、鍋爐爐膛)的重要筑爐材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛭石、玻璃纖維(又稱(chēng)礦渣棉)、石棉以及它們的制品。
3．耐蝕(酸)非金屬材料
耐蝕(酸)非金屬材料的組成主要是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等，它們的耐蝕性能高于金屬材料(包括耐酸鋼和耐蝕合金)，并具有較好的耐磨性和耐熱性能，在某些情況下它們是不銹鋼和耐蝕合金的理想代用品。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
4．陶瓷材料
陶瓷材料主要是以粘土為主要成分的燒結(jié)制品，它具有結(jié)構(gòu)致密、表面平整光潔，耐酸性能良好等特點(diǎn)，常用的有日用陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷和耐酸陶瓷等。
(三)高分子材料
高分子材料為有機(jī)合成材料，也稱(chēng)聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性能、很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)材料。
高分子材料種類(lèi)很多，工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類(lèi)：
1．塑料
主要指強(qiáng)度、韌性和耐磨性較好，可制造某些機(jī)器零件或構(gòu)件的工程塑料，一般分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。
2．橡膠
通常指經(jīng)硫化處理后彈性特別優(yōu)良的聚合物，有通用橡膠和特種橡膠兩種。
3．合成纖維
指由單體聚合而成且強(qiáng)度很高，通過(guò)機(jī)械處理所獲得的聚合物纖維材料。
(四)復(fù)合材料
復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料，其性能是其他單質(zhì)材料所不具備的。復(fù)合材料可以由各種不同種類(lèi)的材料復(fù)合組成。它在強(qiáng)度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。
二、常用工程材料
(一)金屬材料
1_黑色金屬
黑色金屬一般是指鋼鐵材料，鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣、用量最多的金屬材料，它們是以鐵為基的合金。含碳量小于2.11％(重量)的合金稱(chēng)為鋼；而含碳量大于2.11％(重量)的合金稱(chēng)為生鐵。工程實(shí)際中用的鋼和鑄鐵除含鐵、碳以外，還含有其他元素，其中一類(lèi)是雜質(zhì)元素，如硫、磷、氫等，另一類(lèi)是根據(jù)使用性能和工藝性能的需要，有意加入的合金元素，常見(jiàn)有鉻、鎳、錳和鈦等，鐵碳合金中加入上述元素就成了合金鋼或合金鑄鐵。
(1)鋼及其合金的分類(lèi)和牌號(hào)表示方法。鋼材具有許多重要的優(yōu)良特性如材質(zhì)均勻、性能可靠；有高的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性，可承受各種性質(zhì)的荷載；具有優(yōu)良的可加工性，可焊、可鉚、可制成各種形狀的型材和零件。
鋼中主要化學(xué)元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等，這些少量元素對(duì)鋼材性質(zhì)影響很大。鋼中碳的含量對(duì)鋼的性質(zhì)有決定性影響，含碳量低，鋼的強(qiáng)度較低，但塑性大，延伸率和沖擊韌性高，鋼質(zhì)較軟，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高，鋼的強(qiáng)度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。硫、磷為鋼中有害元素，含量稍多會(huì)嚴(yán)重影響鋼的塑性和韌性，磷使鋼顯著產(chǎn)生冷脆性，硫則產(chǎn)生熱脆性。硅、錳為有益元素，它們能使鋼材強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性不顯著降低。
鋼的力學(xué)性能(如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌度和硬度等)決定于鋼的成分和金相組織。鋼的成分一定時(shí)，其金相組織主要決定于鋼的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響。
鋼的分類(lèi)。我國(guó)鋼的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB／T 13304—1991)是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS()4948／1和ISO 4948／2鋼分類(lèi)而制定的。
在工程中更通用的分類(lèi)為：
①按化學(xué)成分分類(lèi)。可分為碳素鋼、低合金鋼和合金鋼。
②按主要質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)：
a．普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和特殊質(zhì)量碳素鋼；
b．普通低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼；
c．普通合金鋼、優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼。
2)鋼牌號(hào)的表示方法。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》(GB／T 221—2000)中規(guī)定，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的表示方法，即：
①牌號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)元素表示。
②產(chǎn)品名稱(chēng)、用途、特性和工藝方法等，通常采用代表該產(chǎn)品漢字的漢語(yǔ)拼音的縮寫(xiě)字母表示。
③鋼鐵產(chǎn)品中的主要化學(xué)元素含量(％)采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。
按規(guī)定(GB／T700—1988)，碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母“Q”、屈服點(diǎn)等級(jí)、質(zhì)量等級(jí)和脫氧程度等四部分按順序組成。屈服點(diǎn)數(shù)值共分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N／mm2五種；質(zhì)量等級(jí)以硫、磷雜質(zhì)含量多少，分別用A、B、C、D符號(hào)表示，脫氧程度如上所述，Z和TZ在表示鋼的牌號(hào)時(shí)可以省略。如Q235一AF表示屈服點(diǎn)為235N／mm2、質(zhì)量等級(jí)為A的沸騰鋼。
3)工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn)。
①灰口鑄鐵?；铱阼T鐵的組織由石墨和基體兩部分組成?；w可以是鐵素體，珠光體或鐵素體加珠光體，相當(dāng)于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。‘
灰口鑄鐵包括普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩種，灰口鑄鐵價(jià)格便宜、應(yīng)用最廣泛。在各類(lèi)鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰口鑄鐵占80.0 ％以上。影響灰口鑄鐵組織和性能的因素主要是化學(xué)成分和冷卻速度?；铱阼T鐵中的碳、硅含量一般控制在碳2.5 %～4.0％，硅1.0％～3.0％。
②球墨鑄鐵。球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度鑄鐵材料，其綜合機(jī)械性能接近于鋼，因鑄造性能很好，成本低廉，生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
球墨鑄鐵的成分要求比較嚴(yán)格，與灰口鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5％～4.7％范圍內(nèi)變動(dòng)，以利于石墨球化。
球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)灰口鑄鐵，而與鋼相當(dāng)。因此對(duì)于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過(guò)45#鋼。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)承受動(dòng)載的零件是帶孔或帶臺(tái)肩的，因此用球墨鑄鐵來(lái)代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。
③蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性；同時(shí)又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑經(jīng)處理而煉成的。蠕化劑目前主要采用鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。蠕墨鑄鐵在生產(chǎn)中主要用于生產(chǎn)汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模和液壓閥等鑄件。
④可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過(guò)退火處理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。按退火方法不同，這種鑄鐵有黑心和白心兩種類(lèi)型。黑心可鍛鑄鐵依靠石墨化退火來(lái)獲得；白心可鍛鑄鐵利用氧化脫碳退火來(lái)制取?？慑戣T鐵常用來(lái)制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動(dòng)荷載的零件，如管接頭和低壓閥門(mén)等。這些零件用鑄鋼生產(chǎn)時(shí)，因鑄造性能不好，工藝上困難較大，而用灰口鑄鐵時(shí)，又存在性能不能滿足要求的問(wèn)題。與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低，質(zhì)量穩(wěn)定，工藝處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。尤其對(duì)于薄壁件，球墨鑄鐵還容易生成白口，需要進(jìn)行高溫退火，這時(shí)采用可鍛鑄鐵更為適宜。
⑤耐磨鑄鐵。在鑄鐵中加入某些合金元素而得到。耐磨鑄鐵是在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵，應(yīng)具有高而均勻的硬度。白口鑄鐵就屬這類(lèi)耐磨鑄鐵。但白口鑄鐵脆性較大，不能承受沖擊荷載，因此在生產(chǎn)上常采用激冷的辦法來(lái)獲得耐磨鑄鐵。
⑥耐熱鑄鐵。耐熱鑄鐵是在高溫下工作的鑄件，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運(yùn)輸鏈條等。在灰口鑄鐵中加入鋁、硅和鎘等元素，一方面在鑄件表面形成致密的氧化膜，阻礙繼續(xù)氧化；另一方面提高鑄鐵的臨界溫度，使基體變?yōu)閱蜗噼F素體，不發(fā)生石墨化過(guò)程，因此鑄鐵的耐熱性得到改善。
⑦耐蝕鑄鐵。耐蝕鑄鐵主要用于化工部件，如閥門(mén)、管道、泵、容器等。在鑄鐵中加入硅、鉻、鋁、鉬、銅和鎳等合金元素，在鑄件表面形成保護(hù)膜，或使基體電極電位升高，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁和高鉻等耐蝕鑄鐵。
2．有色金屬
1)鋁及其合金。鋁及其合金在采用各種強(qiáng)化手段后，鋁合金可以達(dá)到與低合金高強(qiáng)鋼相近的強(qiáng)度，因此比強(qiáng)度要比一般高強(qiáng)鋼高得多。
鋁及鋁合金在電氣工程、一般機(jī)械和輕工業(yè)中都有廣泛的用途。
純鋁材料按純度可分為三類(lèi)。有高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁。工業(yè)純鋁純度為98.0％～99.0％，牌號(hào)有L1、L2、L3、L4、L5等五種，編號(hào)越大，純度越低。工業(yè)純鋁可制作電線、電纜、器皿及配制合金。純鋁的強(qiáng)度很低，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。
鋁合金是在鋁中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。許多鋁合金不僅可通過(guò)冷變形提高強(qiáng)度，而且可用熱處理來(lái)大幅度地改善性能。因此鋁合金可用于制造承受較大荷載的機(jī)器零件和構(gòu)件。
①防銹鋁合金(LF)。防銹鋁合金中主要合金元素是錳和鎂。錳的主要作用是提高抗蝕性能，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金抗蝕性能高，塑性和焊接性能好，但因太軟而切削加工性能不良。主要用于焊接件、容器、管道，以及承受中等荷載的零件及制品，也可用作鉚釘。
②硬鋁合金(LY)。硬鋁合金為Al-cu-Mg系合金。低合金硬鋁塑性好，強(qiáng)度低。主要用于制作鉚釘，常稱(chēng)鉚釘硬鋁；標(biāo)準(zhǔn)硬鋁合金強(qiáng)度和塑性屬中等水平。主要用于軋材、鍛材、沖壓件和螺旋槳葉片及大型鉚釘?shù)戎匾慵桓吆辖鹩蹭X合金元素含量較多，強(qiáng)度和硬度較高，塑性及變形加工性能較差。用于制作重要的銷(xiāo)和軸等零件。
③超硬鋁合金(LC)。超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金，是強(qiáng)度的一類(lèi)鋁合金。但這類(lèi)合金的抗蝕性較差，高溫下軟化快，多用于制造受力大的重要構(gòu)件，例如飛機(jī)大梁、起落架等。
④鍛鋁合金(LD)。鍛鋁合金為Al-Mg-si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。有良好的熱塑性、鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機(jī)械性能。這類(lèi)合金主要用于承受重荷載的鍛件和模鍛件。
按照制造工藝，鋁合金還可分為加工鋁合金和鑄造鋁合金兩類(lèi)。
2)銅及其合金。純銅呈紫紅色，常稱(chēng)紫銅，主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。根據(jù)雜質(zhì)含量的不同，工業(yè)純銅分為T(mén)1、T2、T3、T4四種。編號(hào)越大，純度越低。純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料。
在銅中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，同時(shí)保持純銅的某些優(yōu)良性能。一般銅合金分黃銅、青銅和白銅三大類(lèi)。
①黃銅(H)。以鋅為主要合金元素的銅合金稱(chēng)為黃銅。按照化學(xué)成分，黃銅分普通黃銅和復(fù)雜黃銅兩種。
為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入鋁、硅、錳、和鎳等元素，形成各種復(fù)雜黃銅，如鉛黃銅、錫黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、錳黃銅、鐵黃銅及鎳黃銅等。鉛黃銅主要用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件，鑄造鉛黃銅可制作軸瓦和襯套；錫黃銅廣泛用于制造海船零件；鋁黃銅可制作海船零件及其他機(jī)器的耐蝕零件，還可用于制造大型蝸桿、海船用螺旋槳等重要零件；硅黃銅中硅顯著提高黃銅的機(jī)械性能、耐磨性和耐蝕性，硅黃銅主要用于制造船舶及化工機(jī)械零件；錳黃銅常用于制造海船零件及軸承等耐磨件；鐵黃銅可制造受摩擦及海水腐蝕的零件；鎳黃銅在造船和電機(jī)制造工業(yè)中廣泛應(yīng)用。
②青銅(Q)。青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上都習(xí)慣稱(chēng)含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金為青銅，包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和硅青銅等。如錫青銅在造船、化工、機(jī)械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，主要制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件，以及抗蝕、抗磁零件等；鋁青銅可制造齒輪、軸套和蝸輪等在復(fù)雜條件下工作的高強(qiáng)度抗磨零件，以及彈簧和其他高耐蝕性彈性元件；鈹青銅主要用于制作精密儀器的重要彈簧和其他彈性元件，鐘表齒輪，高速高壓下工作的軸承及襯套等耐磨零件，以及電焊機(jī)電極、防爆工具和航海羅盤(pán)等重要零件；硅青銅用于航空工業(yè)，硅青銅可制作彈簧、齒輪、蝸輪、蝸桿等耐蝕和耐磨零件。
3)鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學(xué)、石油、有色金屬冶煉、高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料。
由于鎳的標(biāo)準(zhǔn)電位大于鐵，可獲得耐蝕性?xún)?yōu)異的鎳基耐蝕合金。鎳力學(xué)性能良好，尤其塑、韌性?xún)?yōu)良，能適應(yīng)多種腐蝕環(huán)境。多用于食品加工設(shè)備、化學(xué)品裝運(yùn)容器、電氣與電子部件、處理苛性堿設(shè)備、耐海水腐蝕設(shè)備和換熱器，如海船中的閥門(mén)、泵、軸、夾具和緊固件，也常用于制作接觸濃CaCl2溶液的冷凍機(jī)零件以及化學(xué)加工設(shè)備、石油煉制設(shè)備，特別是發(fā)電廠給水加熱器的管子等。
4)鈦及其合金。鈦有許多優(yōu)異的性能是其他材料所不及的，且資源豐富，儲(chǔ)量?jī)H次于鋁、鐵和鎂，成為四大元素之一。鈦合金不僅在飛機(jī)、導(dǎo)彈、航天和艦船等方面廣泛應(yīng)用，而且也正向民用領(lǐng)域推廣。
鈦在高溫下化學(xué)活性極高，非常容易和氧、氮和碳等元素形成穩(wěn)定的化合物。工業(yè)純鈦中的雜質(zhì)主要是氧、氮、氫和碳。但由于鈦在高溫下極不穩(wěn)定，易氧化和氫化，所以在大氣中工作的鈦及其合金僅在540℃以下具有良好的耐熱性；鈦具有較好的低溫性能，可做低溫材料，常溫下鈦具有極好的抗蝕性能，在大氣、海水、硝酸和堿溶液等介質(zhì)中十分穩(wěn)定。但在任何濃度的氫氟酸中均能迅速溶解。
工業(yè)純鈦的棒材、板材和擠壓型材用于飛機(jī)、船舶和化工等行業(yè)，制造各種耐蝕、500℃以下耐熱零件，如熱交換器等。
5)鉛及其合金。在鉛中加入銻、銅、錫和砷等元素可提高鉛的再結(jié)晶溫度、細(xì)化晶粒、提高硬度和強(qiáng)度等，并保持合金的良好耐蝕性。硬鉛的密度比鉛高，可作為結(jié)構(gòu)材料，在化工防腐蝕設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，但硬鉛的耐腐蝕性比純鉛略有降低。
鉛在大氣、淡水、海水中很穩(wěn)定，鉛對(duì)硫酸、磷酸、亞硫酸、鉻酸和氫氟酸等則有良好的耐蝕性。鉛與硫酸作用時(shí)，在其表面產(chǎn)生一層不溶解的硫酸鉛，它可保護(hù)內(nèi)部鉛不再被繼續(xù)腐蝕。鉛不耐硝酸的腐蝕，在鹽酸中也不穩(wěn)定。
6)鎂及其合金。鎂及其合金的主要特性是密度小、化學(xué)活性強(qiáng)、強(qiáng)度低。純鎂強(qiáng)度低，不能用于結(jié)構(gòu)材料，主要用鎂合金。
鎂合金是以鎂為基體材料，添加少量合金元素鋁、錳、鋅、鋯和鈹?shù)纫蕴岣哝V合金的強(qiáng)度，其中鋁和鋅是主要的合金元素。錳可提高合金的耐蝕性，鋯可細(xì)化鑄造合金的晶粒和提高抗熱裂傾向，稀土金屬除有類(lèi)似鋯的作用外，還可改善合金的鑄造性能、焊接性能、耐熱性和消除應(yīng)力腐蝕傾向。
鎂合金的優(yōu)良性能是相對(duì)密度小，因而其強(qiáng)度雖然不高，但是它的比強(qiáng)度和比剛度卻可以與合金結(jié)構(gòu)鋼相媲美，故鎂合金是航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，它能承受較大的沖擊、振動(dòng)荷載，并有良好的機(jī)械加工性能和拋光性能。其缺點(diǎn)是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復(fù)雜。
按照制造工藝，鎂合金可分為加工鎂合金和鑄造鎂合金兩類(lèi)。