1.2 工程材料及其應用

問題思考

工程材料涉及面很廣，按屬性可分為金屬材料和非金屬材料兩大類。

金屬材料包括黑色金屬和有色金屬。有色金屬用量占金屬材料的 5%，因其具有良好的導熱性、導電性以及優異的化學穩定性和高的比強度等，在機械工程中占有重要的地位。

非金屬材料又可分為無機非金屬材料和有機高分子材料。前者除傳統的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料外，還包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料等；后者除了天然有機材料（如木材、橡膠等）外，較重要的還有合成樹脂。

1.2.1 金屬材料的分類

現代機械加工中所用的金屬材料主要以合金為主，合金材料具有比純金屬更好的物理和化學性能、優良的力學性能和工藝性能，并且價格低廉。最常用的合金是以鐵為基礎的鐵碳合金，俗稱鋼鐵。除此之外，還有以銅或鋁等為基礎的有色合金。

金屬材料的具體分類如表1-1所示。

1.鑄鐵

鑄鐵是含碳大于 2.11%的鐵碳合金。它是將鑄造生鐵（部分煉鋼生鐵）在爐中重新熔化，并加入鐵合金和廢鋼等調整成分得到的。鑄鐵大都需要通過二次加工制成各種鑄鐵件。

鑄鐵具有優良的鑄造性能，可制成復雜零件，一般有良好的切削加工性。另外，鑄鐵件還具有耐磨性和消振性良好、價格低等特點。

（1）鑄鐵的種類。鑄鐵的具體分類如表1-2所示。

（2）鑄鐵的牌號。牌號就是表示材料種類的代號，不同牌號的鑄鐵，其性能不同，用途不同。表1-3所示為不同種類的鑄鐵的牌號表示方法及其示例。

要點提示

牌號中代號后面的一組數字，表示抗拉強度值；有兩組數字時，第1組表示抗拉強度值，第2組表示伸長率。

2.鋼

鋼材在經濟建設的各個領域中都是非常重要的金屬材料，它種類豐富，應用范圍廣，是工業建設必不可少的物質資源。

（1）鋼的種類。鋼材的種類很多，其詳細分類如表1-4所示。

（2）鋼的牌號。常用鋼材的牌號及其表示方法如表1-5所示。

（3）鋼的應用。表1-6所示為部分碳素結構鋼的特性和應用，表1-7所示為部分碳素工具鋼的特性和應用。

1.2.2 有色合金

有色合金是以一種有色金屬為基體加入一種或幾種其他元素而構成的合金，其強度和硬度一般比純金屬高，電阻比純金屬大、電阻溫度系數小，具有良好的綜合機械性能。工業上最常用的有色合金材料主要有鋁合金、銅合金、鈦合金等。

1.鋁合金

鋁合金密度低，但強度較高，接近或超過優質鋼；塑性好，可加工成各種型材，且具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上的使用量僅次于鋼。

鋁合金分為兩大類：鑄造鋁合金，在鑄態下使用；變形鋁合金，能承受壓力加工，力學性能高于鑄態，可加工成各種形態、規格的鋁合金材。鋁合金主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用門窗等。

2.銅合金

常用的銅合金分為黃銅 白銅和青銅3大類。

黃銅是以鋅作主要添加元素的銅合金。生產中常添加如鋁 鎳 錳 錫 硅及鉛等元素來改善普通黃銅的性能。黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等。

白銅是以鎳為主要添加元素的銅合金。結構白銅的機械性能和耐蝕性好，色澤美觀，廣泛用于制造精密機械 化工機械和船舶構件。電工白銅一般有良好的熱電性能，用于制造精密電工儀器 變阻器以及熱電偶等。

青銅是銅和錫、鉛的合金，具有熔點低、硬度大、可塑性強、耐磨、耐腐蝕、色澤光亮等特點，適用于鑄造各種器具、機械零件、軸承和齒輪等。

1.2.3 工程塑料

工程塑料一般指能承受一定的外力作用，并有良好的機械性能和尺寸穩定性，在高、低溫下仍能保持其優良性能，可以作為工程結構件的塑料。

常用通用工程塑料的特點及用途如表1-8所示。

1.2.4 材料的選用

問題思考

1.選材的原則

機械零件的選材是一項十分重要的工作。選材是否恰當，特別是一臺機器中關鍵零件的選材是否恰當，直接影響到產品的機械性能、使用壽命及制造成本。選材不當，嚴重的可能導致零件的完全失效。

根據生產經驗，判斷零件選材是否合理的基本標志有以下3點。

（1）能否滿足必需的機械性能。材料的機械性能是選材時考慮的最主要依據。不同零件所要求的機械性能是不一樣的，有的零件主要要求高強度，有的則要求高的耐磨性。零件的工作條件往往比較復雜，需要從受力狀態、載荷性質、工作溫度及環境介質等幾個方面全面分析。

① 受力狀態有拉、壓、彎和扭等。

② 載荷性質有靜載、沖擊載荷、交變載荷等。

③ 工作溫度可分為低溫、室溫、高溫和交變溫度。

④ 環境介質為與零件接觸的介質，如潤滑劑、海水、酸、堿及鹽等。

為了更準確地了解零件的機械性能，還必須分析零件的失效方式，從而找出對零件失效起主要作用的性能指標。

（2）能否具有良好的工藝性能。在滿足了必要的機械性能后，接下來選定的材料要具有良好的工藝性能，即容易加工出需要的形狀，而且質量優良。

（3）低成本。除此之外，還要考慮使用該材料制作的產品具有較低的成本。

2.選材的一般步驟

根據生產經驗，機械零件選材的一般步驟如圖1-15所示。

總結零件選材的基本原則如下。

（1）對零件的工作特性和使用條件進行周密的分析，找出主要的失效方式，從而恰當地提出主要性能指標。

（2）根據工作條件的特點，對該零件的設計制造提出必要的技術條件。

（3）根據所提出的技術條件要求和對工藝性、經濟性方面的考慮，對材料進行預選擇。預選擇通常憑經驗，與類似的機器零件的比較和已有實踐經驗的判斷，還可以借助各種材料手冊來選擇。

（4）對預選方案材料進行計算，以確定是否能滿足上述工作條件要求。

（5）通過試驗手段最終確定合理的選材方案。

（6）在中、小型生產的基礎上，接受生產考驗，以檢驗選材方案的合理性。