工程材料种类繁多，应用广泛，有多种不同的分类方法。一般将工程材料按化学成分划分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。
（一）金属材料
金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属及其合金分为黑色金属材料和有色金属材料两大部分。
1.黑色金属
黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。
钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。含碳量小于2.11%（重量）的铁合金称为钢；而含碳量大于2.11%（重量）的铁合金称为生铁。钢和铸铁中除了含铁、碳以外，还含有一些其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氧、氮等，另一类是根据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入这些合金元素就成为合金钢或合金铸铁。
（1）钢的分类和用途
钢具有许多优良特性，如材质均匀、性能可靠，具有较高的强度和良好的塑性、韧性和延展性，可承受各种性质的荷载；加工性优良（如可焊、可铆、可制成各种形状的型材和零件）。
钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接，含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过1%时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大且不易加工。硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
1）钢材按照化学成分分类
按照化学成分将钢材分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类。
非合金钢：硅、锰和其他元素的含量都在GB/T13304（钢分类第1部分：按化学成分分类）相应规定范围界限以内的钢。通常包括碳素钢和规定电磁等特殊性能的非合金钢。
碳素钢：碳含量一般为0.02%-2%的铁碳合金。其中含有限量的硅、锰和磷、硫及其他微量残余元素，一般统称为非合金钢，但碳素钢的内涵没有非合金钢广泛，不包括具有特殊性能的非合金钢。
低合金钢：至少应有一种合金元素的含量在GB/T13304相应规定界限范围内，合金元素总含量大于5%的钢。低合金钢包括可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、钢筋用低合金钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢及其他低合金钢等。
合金钢：至少应有一种合金元素含量在GB/T13304相应规定界限范围内的钢。合金钢通常包括合金结构钢、合金弹簧钢、合金工具钢、轴承钢等。
2）按钢中碳的含量分类
低碳钢碳含量小于0.25%的碳素钢。
中碳钢碳含量为0.25%～0.60%的碳素钢。
高碳钢碳含量大于0.60%的碳素钢。
3）钢按质量等级分类
普通质量钢：在生产过程中不需要特别控制质量的供一般用途的钢。这类钢大部分是低碳钢，规定磷、硫、氮含量上限和力学性能指标下限，对其他质量要求一般不作规定。普通质量钢包括普通质量非合金钢和普通质量低合金钢。
优质钢：除普通质量钢和特殊质量钢以外的钢，在生产过程中需要特别控制质量和性能，但又不如特殊质量钢严格。优质钢包括优质非合金钢、优质低合金钢和优质合金钢。
特殊质量钢：在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的钢.特别是要严格控制硫、磷等杂质含量和钢的纯洁度。特殊质量钢包括特殊质量非合金钢、特殊质量低合金钢和特殊质量合金钢。
（2）铸铁的分类和用途
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，如磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，锰和硅都是铸铁中的重要元素，唯一有害的元素是硫。
铸铁是应用最广泛的铸造材料。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
铸铁的组织是由两部分组成的，一部分是石黑；另一部分是基体。基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于纯铁或钢的组织。所以，铸铁的组织可以看成是纯铁或钢的基体上分布着石墨夹杂。
铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。铸铁的其他性能也与石墨密切相关。基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因索。
按碳存在的形式分类，铸铁可分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁三大类。
灰口铸铁中的碳除微量溶入铁素体外，全部或大部以石墨形式存在，因断口呈灰色，故名灰口铸铁。按照石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状），可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）四大类。
白口铸铁中的碳完全以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色。白口铸铁很难切削加工，主要作炼钢原料使用。但由于它的硬度和耐磨性高，也可以铸成表面为白口组织的铸件，如轧辊、球磨机的磨球等。
麻口铸铁中的碳以石墨和渗碳体的混合形式存在，断口呈灰白色，这种铸铁有较大的脆性，工业上很少使用。
2.有色金属材料
有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。不同有色金属具有不同的优良性能，如钛合金的耐蚀性优于不锈钢；铜和铝的导电性明显高于铁合金；镍铬合金的比电阻较高，同时还有高的抗氧化性能和塑性，以及为零的电阻温度系数，铅具有高的抗X射线和γ射线穿透能力；铅锡基合金、铝铜基合金具有优良的减摩性能等。对于力学性能，多数有色金属塑性好，尤其是铝钛基合金的比强度和比刚度均比铁基合金高。
（1）铝及铝合金
铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。
纯铝材料按纯度可分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三类。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等；工业高纯铝用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料；工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。纯铝的强度很低，不作为结构材料使用。
铝合金是在铝中加入合金元素获得，具有较高强度，同时保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。
根据成分及工艺特点，铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金塑性较好，适于变形加工；铸造铝合金流动性较好，适于铸造生产。
（2）铜及铜合金
铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。但铜的储械较小，价格较贵，属于应节约使用的材料，只有在要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下，才考虑使用。
纯铜呈紫红色，常称紫铜，纯铜强度不高，硬度较低、塑性好。主要用作导体、制造抗磁性干扰的仪器和仪表零件。纯铜的强度低，不宜用作结构材料。
在铜中加入合金元素后，可获得较高的强度，除了保持纯铜的优良特性外，还具有较高的强度，而且塑性很好，容易冷、热成型，易焊接。一般铜合金分黄铜、青铜和白铜三大类。
1）黄铜。以锌为主加元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。
2）青铜。青铜原指铜锡合金，但工业上习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金为青铜，所以青铜实际上包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。青铜分为压力加工青铜和铸造青铜两类。
3）白铜。是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率温度系数。因此白铜较其他铜合金的机械性能、物理性能都异常良好，延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能，被广泛使用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，锰白铜可制作电阻及热电偶合金。白铜的缺点是主要添加元素——镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。
（二）非金属材料
非金属材料包括无机非金属材料和高分子材料，无机非金属材料主要介绍耐热保温和绝热材料，高分子材料介绍塑料、橡胶。
1.耐热保温和绝热材料
（1）耐热保温材料
耐热保温材料又称耐火隔热材料，它是各种工业用炉的重要筑炉材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉，以及它们的制品，如板、管和砖等。
1）硅藻土耐火隔热保温材料硅藻土耐火保温砖、板、管具有气孔率高、耐高温及保温性能好、密度小等特点。采用这种材料，可以减少热损失，降低燃料消耗，减薄炉墙厚度，降低工程造价，缩短窑炉周转时间，提高生产效率。
硅藻土砖、板广泛用于电力、冶金、机械、化工、石油和硅酸盐等工业的各种热体表面及各种高温窑炉、锅炉、炉墙中层的保温绝热部位。硅藻土管广泛用于各种气体、液体高温管道及其他高温设备的保温绝热部位。
2）硅酸铝耐火纤维硅酸铝耐火纤维是轻质耐火材料之一。它形似棉花，呈白色纤维状，具有密度小、耐高温、热稳定性好、热导率低、比热容小、抗机械振动好、体胀系数小和优良的隔热性能等特点。因此，硅酸铝耐火纤维及其制品（毡、板、砖、管等）广泛用于冶金、机械、建筑、化工和陶瓷工业中的热力设备（如锅炉、加热炉和导管等）的耐火隔热材料。(www.xing528.com)
3）微孔硅酸钙保温材料微孔硅酸钙保温材料制品是用硅藻土、石灰、石棉和水玻璃等混合材料压制而成。其表观密度小、强度高、传热系数低，且不燃烧、不腐蚀、无毒和无味，可用于高温设备、热力管道的保温隔热工程。
4）矿渣棉制品矿渣棉制品可用作保温、隔热和吸音材料。
（2）绝热材料
绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料。它既包括保温材料，也包括保冷材料。绝热材料按其成分不同，可分为有机材料和无机材料两大类。
热力设备及管道保温用的材料多为无机绝热材料，此类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点。如石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙等。
低温保冷工程多用有机绝热材料，此类材料具有表观密度小、热导率低、原料来源广、不耐高温、吸湿时易腐烂等特点，如软木、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨基甲酸酯、牛毛毡和羊毛毡等。
2.塑料
塑料是以有机合成树脂为基础，再加入添加剂所组成的高分子材料，它通常可在加热、加压条件下塑制成形，故称为塑料。
（1）塑料的组成
1）合成树脂由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主要组成部分。合成树脂在塑料中的含量约占40%～100%，塑料的性能起决定性作用。
2）添加剂为改善塑料的性能而加入的其他组成，主要有以下几种。
①填料或增强材料：填料在塑料中主要起增强作用。例如，加入石墨、石棉纤维或玻璃纤维等，可以改善塑料的机械性能。填料也可改善或提高塑料的某些特定性能，以扩大其应用范围。例如，加入石棉粉可提高塑料的耐热性；加入云母粉可提高塑料的电绝缘性；加入二硫化钼可提高塑料的自润滑性；加入铝粉可提高塑料对光的反射能力等。填料的用最可达20%～50%，是塑料的重要组成。
②固化剂：它的作用在于通过交联使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。
③增塑剂：是用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。常用的为液态或低熔点固体有机化合物，可降低树脂的玻璃化转变温度。例如，聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯，可使塑料变为橡胶一样的软塑料。
④稳定剂：为了防止受热、光等的作用使塑料过早老化，加入少量能起稳定化作用的物质。例如，能抗氧化的物质有酚类和胺类等有机物；炭墨则可作紫外线吸收剂。
塑料中还有其他一些添加剂，如润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂和发泡剂等，并不是每种塑料中都要有这些添加剂，而是不同用途的塑料添加不同的添加剂。
（2）塑料的分类
1）根据树脂在加热和冷却时所表现的性质不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料。这类塑料的特点是：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却后即成形并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚甲醛等。优点是加工成形简便，具有较好的机械性能，缺点是耐热性和刚性比较差。近些年开发的氟塑料、聚酰亚胺等高级工程塑料，性能有了明显的提高，具有优良的耐蚀性、耐热性、绝缘性和耐磨性等，如聚酰亚胺的使用温度已经超过350℃。
热固性塑料。这类塑料的特点是：初加热时软化，可塑造成形，但固化后再加热将不再软化，也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯等。它们具有耐热性高，受压不易变形等优点。缺点是机械性能不好，但可加入填料来提高强度。
2）按使用范围分为通用塑料、工程塑料、特种塑料。
通用塑料指应用范围广、生产量大的塑料品种。主要指六大品种：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。是一般工农业生产和日常生活不可缺少的廉价材料，其产量约占塑料总产量的3/4以上。
工程塑料主要指综合工程性能（包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性和绝缘性能等）良好的各种塑料。主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS等四种。它们是制造工程结构、机器零部件、工业容器和设备等的一类新型结构材料。
特种塑料具有某些特殊性能，如耐高温、耐腐蚀等。这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。
（3）常用工程塑料
1）聚乙烯（PE）。聚乙烯由乙烯单体聚合而成，简称PE。按其密度加以分类，可分为高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、线型低密度聚乙烯（LLDPE）、超高分子质量聚乙烯（UHMWPE）、改性聚乙烯。
①低密度聚乙烯（LDPE）。又称为高压聚乙烯。它是高纯度乙烯在高压、高温和引发剂存在下经聚合而制得的。低密度聚乙烯具有质轻、吸湿性小、电绝缘性好（尤其是高频绝缘性）、延伸性和透明性强、耐寒性好和化学稳定性强，热熔接性、成型加工性能很好，冲击韧性很好等特点，但其力学强度较差、强度低，耐热性不高、抗环境应力开裂性差、耐老化性能较差，用作一般耐蚀材料、小荷载零件（齿轮、轴承）及电缆包皮等。
LDPE的分子链支链较多，相对分子质量、结晶度和相对密度较低，质地柔软，常用来制作农业用和包装用塑料薄膜、软管和塑料瓶等。
②高密度聚乙烯（HDPE），又称为低压聚乙烯。它是乙烯在催化剂存在下聚合制得。HDPE支链化程度最小，分子能紧密地堆砌，故密度最大，结晶度高。HDPE有较高的刚性及韧性，良好的力学性能及较高的使用温度。耐磨性及化学稳定性良好，能耐多种酸、碱、盐类腐蚀，吸水性和水蒸气渗透性很低，但耐老化性能较差，表面硬度较高，尺寸稳定性好。高密度聚乙烯主要用于制作单口瓶、运输箱、储罐、电缆护套、压力管道等。常用来制造塑料管、板材、绳索以及承载不高的零件，如齿轮、轴承等。
与LDPE比较，有较高的耐温、耐油性、耐蒸汽渗透性及抗环境应力开裂性，电绝缘性、抗冲击性及耐寒性都很好。力学性能优于LDPE，介电性能优良，但略低于LDPE。HDPE在强度和硬度方面比LDPE好，韧性比PVC、PP好，加工特性优于PVC，耐低温、耐老化性能优于PP，工作温度比PVC、LDPE高。
③交联聚乙烯（PEX）是一种改性聚乙烯，工业上常用的交联聚乙烯有辐照交联聚乙烯、过氧化物交联聚乙烯和硅烷交联聚乙烯。聚乙烯（LDPF、HDPE、LLDPE和MDPE均可）通过交联可使其大分子链之间发生部分交联反应而改变其物理力学性能。
交联聚乙烯是一种具有网状结构的热固性朔料，交联聚乙烯制品成型后就无法再模塑成型，此时还可用于机械加工。
交联聚乙烯无毒、无味、不吸水；耐磨性、耐溶剂性、耐应力开裂性、耐候性、防老化性和尺寸稳定性都非常好；低温柔软性、耐热性能好、可在140℃以下长期使用；冲击强度、拉伸强度、耐蠕变性和刚性都比HDPE好；有很好的电绝缘性、耐低温性、化学稳定性和耐辐照性能；交联聚乙烯成型的膜薄透明，也有较好的水蒸气透过性。交联聚乙烯可用制造热收缩管、制造热收缩膜、各种耐热管材、耐热软管、泡沫塑料、耐腐蚀的化学设备衬里、部件及容器，制造阻燃建材等。
2）聚丙烯（PP）。聚丙烯由丙烯单体聚合而成。
聚丙烯的优点是相对密度小，是塑料中最轻的。其强度、刚度、硬度和弹性等机械性能均高于聚乙烯，耐热性也好，长期使用温度可达100～110℃。聚丙烯具有优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温下能耐酸、碱。
聚丙烯的主要缺点是粘合性、染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、光作用而变质，与铜接触会促进变质，易燃，收缩大。
聚丙烯可用于制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手、接头、仪表盒及壳体等，还可制作化工管道、容器、医疗器械等。聚丙烯无毒，可用做药品、食物的包装。
3）聚氯乙烯（PVC）。它由乙炔和氯化氢（电石路线），乙烯与氯气（石油化工路线）合成为氯乙烯单体，再聚合而成聚氯乙烯树脂。刚度、强度和硬度均比聚乙烯高。
聚氯乙烯热稳定性差，在加工中会分解出少量氯化氢和氯乙烯气体，后者有致癌作用，氯化氢又是使树脂分解的催化剂。所以，在加工时要加入增塑剂以降低加工温度和加入碱性稳定剂以抑制树脂分解。
聚氯乙烯的突出优点是耐化学腐蚀，阻燃、自熄，电绝缘性较好，成本低、加工容易。最主要的缺点是热稳定性差，在空气中高于150℃就会降解而放出HCl，但可添加热稳定剂克服。冲击强度较低，还有一定的毒性。为了用于食品和药品的包装，可用共聚和混合方法改进，制成无毒聚氯乙烯产品。
聚氯乙烯根据加入增塑剂量的不同分为硬质和软质两种。在聚氯乙烯中添加少量增塑剂、稳定剂和填料时，可制得硬质聚氯乙烯；它具有较高的机械强度和较好的耐蚀性，可用于制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔、气体液体输送管，还可代替其他耐蚀材料制造储槽、离心泵、通风机和接头等。当增塑剂加入量达30%～40%时，便制得软质聚氯乙烯；其伸长率高，制品柔软，并具有良好的耐蚀性和电绝缘性，常制成薄膜，用于工业包装、农业育秧和日用雨衣、台布等，还可用于制作耐酸碱软管、电缆包皮、绝缘层等。
3.橡胶
橡胶是以高分子化合物为基础的具有显著高弹性的材料。线型非晶态高聚物均有高弹态，可称为弹性体。用做橡胶的高聚物必须能在使用温度范围内保持高弹性。纯弹性体的性能随温度变化很大，如高温发粘，低温变脆，必须加入各种配合剂，经加温加压的硫化处理，才能制成各种橡胶制品。硫化剂加入量大时，橡胶硬度增高。硫化前的橡胶称为生胶，硫化后的橡胶有时也称橡皮。
橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制造密封件、减震件、轮胎、电线等。
天然橡胶是橡胶树上流出的乳胶加工而成。天然橡胶的综合性能是最好的。由于原料的缘故，产量比例逐年降低，合成橡胶则大量增加。
合成橡胶的种类很多，主要有七大品种：丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁腈橡胶。
（三）复合材料
复合材料是指两种或两种以上的物理、化学性质不同的物质，经一定方法得到的一种新的多相固体材料。
复合材料可以由金属材料、高分子材料和陶瓷材料中任两种或几种制备而成。
复合材料是由基体材料和增强材料以及二者之间的界面组成的。基体材料为连续相，增强材料为分散相，分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。增强材料组分是细丝、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，是主要承力组分，特别是拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等力学性能主要由增强材料承担。基体将增强材料黏结成整体，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式向增强相分配和传递载荷，起到均衡应力和传递外界作用应力，并赋予复合材料一定形状、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。
决定复合材料性能的主要因素是：原材料组分的性能和质量；原材料组分比例及复合工艺；复合材料的界面粘接及处理。
复合材料组成之间的复合模式主要分为宏观复合和细观复合两种。宏观复合主要是指两层以上不同材料之间发生的叠合（也称层合），从某种意义上讲，这种叠合复合材料实际上是一种复合结构，如铝合金薄板和碳纤维或玻璃纤维复合材料薄片的叠合等。细观复合是指一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中。
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