常用工程材料及其应用范围

工程材料是指制造工程结构和机器零件使用的材料，主要包括金属材料、非金属材料和复合材料三大类。

1.金属材料

金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、导热等性质的材料，一般分为黑色金属和有色金属两种。黑色金属包括铁、铬、锰等。其中，钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。

1）碳素钢的牌号、性能及用途

碳素钢的熔炼过程比较简单，生产费用较低，价格便宜，主要用于工程结构，制成热轧钢板、钢带和棒钢等产品，广泛用于工程建筑、车辆、船舶以及桥梁、容器等构件。常用的碳素钢的分类及应用见表2-1 所示。

表2-1　常用的碳素钢的分类及应用

2）合金钢的牌号、性能及用途

为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时有意加入一些元素，称为合金元素。含有合金元素的钢，就叫合金钢。常用的合金钢的分类及应用见表2-2 所示。

表2-2　常用的合金钢的分类及应用

3）铸铁

铸铁是指含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。工业上常用铸铁的含碳量一般在2.5%～4%，此外，铸铁中还含有较多的锰、硅、磷、硫等元素。

铸铁与钢相比，虽然机械性能较低（强度低、塑性低、脆性大），但却有着优良的铸造工艺性、切削加工性、消震性和减磨性等。因此，铸铁在生产中仍获得普遍应用。常用的铸铁的分类及应用见表2-3 所示。

表2-3　常用的铸铁的分类、牌号及应用

4）铸钢

与铸铁相比，铸钢具有较高的综合机械性能，特别是塑性和韧性较好，使铸件在动载荷作用下安全可靠。此外，铸钢的焊接性较铸铁优良，这对于采用铸-焊联合工艺制造复杂零件和重要零件十分重要。但是，铸钢的铸造工艺性能差，为保证铸钢件的质量，还必须采取一些特殊的工艺措施，这就使铸钢件的生产成本高于铸铁。

5）有色金属

有色金属具有许多与钢铁不同的特性，例如高的导电性和导热性（银、铜、铝等），优异的化学稳定性（铅、钛等），高的导磁性（铁镍合金等），高的强度（铝合金、钛合金等），很高的熔点（钨、铌、钽、锆等）。在现代工业中，除大量使用黑色金属外，还广泛使用有色金属。常用的有色金属主要有铝及铝合金、铜及铜合金两类。

（1）铝及铝合金。

工业纯铝的强度低，σb 为80～100 MPa，经冷变形后可提高至150～250 MPa，故工业纯铝难于满足结构零件的性能要求，主要用作配制铝合金及代替铜制作导线、电器和散热器等。

铸造铝合金不仅具有较好的铸造性能和耐蚀性能，而且还能用变质处理的方法使强度进一步得到提高，应用较为广泛。如用作内燃机活塞、气缸头、气缸散热套等。除了铸造铝合金外，还有一类铝合金叫形变铝合金，主要有防锈铝、锻造铝、硬铝和超硬铝四种。它们大多通过塑性变形轧制成板、带、棒、线材等半成品使用。其中硬铝是一种应用较多的由铝-铜-镁等元素组成的铝合金材料。它除了具有良好的抗冲击性、焊接性和切削加工性外，经过热处理强化（淬火加时效）后强度和硬度还能进一步提高，可以用作飞机结构支架、翼肋、螺旋桨、铆钉等零件。

（2）铜及铜合金。

铜及铜合金的种类很多，一般分为紫铜（纯铜）、黄铜、青铜和白铜等。(www.xing528.com)

①纯铜。纯铜因其表面呈紫红色，故亦称紫铜。它具有极好的导电和导热性能，大多用于电器元件或用作冷凝器、散热器和热交换器等零件。纯铜还具良好的塑性，通过冷、热态塑性变形可制成板材、带材和线材等半成品。此外，纯铜在大气中还具有较好的耐蚀性。

② 黄铜。黄铜是由铜和锌所组成的合金。当黄铜中含锌量小于39%时，锌能全部溶解在铜内。这类黄铜具有良好的塑性，可在冷态或热态下经压力加工（轧、锻、冲、拉、挤）成型。

③青铜。根据主加元素不同，青铜分为锡青铜、铍青铜、铝青铜、铅青铜及硅青铜等。除锡青铜外，其余均为无锡青铜。

2.非金属材料

非金属材料是近年来发展非常迅速的工程材料，因其具有金属材料无法具备的某些性能（如电绝缘性、耐腐蚀性等），在工业生产中已成为不可替代的重要材料，如高分子材料和工业陶瓷。

1）塑料

塑料是高分子材料，其主要成分是合成树脂，在一定的温度、压力下可软化成形，是最主要的工程结构材料之一。由于塑料具有许多优良的性能，例如具有良好的电绝缘性、耐腐蚀性、耐磨性、成形性，而密度小等，因此不仅在日常生活中到处可见，而且在工程结构中也被广泛地应用。工程塑料具有良好的力学性能，能替代金属制造一些机械零件和工程结构件。

塑料的种类很多，按性能可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料在加热时软化和熔融，冷却后能保持一定的形状，再次加热时又可软化和熔融，具有可塑性。热固性塑料是在固化后加热时，不能再次软化和熔融，不再具有可塑性。常用热塑性塑料和热固性塑料的名称、性能、用途见表2-4 所示。

表2-4　常用热塑性塑料和热固性塑料的名称、性能、用途

续表

2）橡胶

橡胶与塑料的不同之处是橡胶在室温下具有很高的弹性。经过硫化处理和炭黑增强后，其抗拉强度为25～35 MPa，并具有良好的耐磨性。如表2-5 所示为常见橡胶的名称、性能及用途。

表2-5　常见橡胶的名称、性能、用途

3）陶瓷材料

陶瓷是各种无机非金属材料的统称，在现代工业中具有很好的发展前途。未来世界将是陶瓷材料、高分子材料、金属材料三足鼎立的时代，它们构成了固体材料的三大支柱。常见工业陶瓷的分类、性能及用途见表2-6。

表2-6　常见工业陶瓷的分类、性能、用途

3.复合材料

复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的材料。它保留了各组成材料的优良性能，从而得到单一材料所不具备的优良的综合性能。最常见的人工复合材料，如钢筋混凝土是由钢筋、石子、沙子、水泥等制成的复合材料，轮胎是由人造纤维与橡胶合成的复合材料。

复合材料一般由增强材料和基体材料两部分组成，增强材料均匀地分布在基体材料中。增强材料有纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等）、丝、颗粒、片材等。基体材料有金属基和非金属基两类，金属基主要有铝合金、镁合金、钛合金等。非金属基体材料有合成树脂、陶瓷等。

复合材料种类繁多，性能各有特点。如玻璃纤维和合成树脂的合成材料具有优良的强度，可制造密封件及耐磨、减摩的机械零件。碳纤维复合材料密度小、比强度高，可应用于航空、航天及原子能工业。