机械工程材料的类型及主要特征

1.3　机械工程材料的类型及主要特征

1.3.1　机械工程材料的分类

现代材料种类繁多，有许多不同的分类方法，如按零件在机械或机器中实现的功能，可将制造零件的材料分为结构类材料和功能类材料，用于制造实现运动和传递动力零件的材料称为结构材料，用于制造实现其他功能的零件的材料称为功能材料；功能材料是利用物质的各种物理和化学特性及其对外界环境敏感的反应，从而实现各种信息处理和能量转换，主要有弹性材料、膨胀材料、形状记忆合金、光电和磁性材料等。

金属材料、高分子材料和陶瓷材料在性能上各有其优缺点，如集中各类材料的优异性能于一体，充分发挥各类材料的潜力，则可制成各种复合材料。

机械工程中大量使用各种结构类材料，这类材料常按化学组成分为如下四大类（见图1－13）。

图1－13　机械工程材料按化学成分分类

1.3.2　各类材料的特征

1.金属材料的特征

金属材料因具有金属键（个别含有一定量的共价键）而使其具有特别的综合性能。

金属中有自由电子存在，只要在金属两端施加很小的电压，就可使自由电子向正极流动，从而形成电流，这便是金属具有高导电性的原因。同理，也使金属具有良好的导热性；由于金属键的特征，使其呈特有的金属光泽；对金属施加很大的外力时，其正离子将沿着一定的方向发生相对移动，此时，自由电子也随之移动，于是离子间仍保持着牢固的结合，因此，金属能在一定外力作用下发生一定的永久变形而不致破裂，这就是金属具有高塑性的原因，这使金属可进行各种塑性加工；当温度升高时，金属中的正离子振动增强，电子运动受阻，电阻增大，使金属具有正的电阻温度系数。各种金属的原子结合强弱相差很大，使它们的强度、熔点等也相差较大。应该指出，在特别高的温度及特殊介质环境中，由于化学稳定性问题，一般金属材料难以胜任。

金属材料种类范围广泛，包含从轻金属到重金属，从碱金属、贵金属到过渡金属，其密度、弹性模量、强度及抗氧化能力等可在数倍至数百倍范围内变动（故有很大的选择余地）；同时具有较好的塑性成形性、铸造性、切削加工和电加工等加工性能；通过热处理及表面改性可大幅度（成倍）改变其性能；工程应用的金属材料大多在具有较高强度的同时，有很好的塑性、韧度、导电性、导热性，故应用十分广泛。

2.有机高分子材料的特征

有机高分子是由许多小分子单体经聚合反应（以共价键结合）而形成。高分子材料（也称高聚物）一般是以相对分子质量大于5　000的高分子化合物为主要组分的材料，其中每个分子可含几千、几万、甚至几十万个原子。

有机高分子材料具有大分子主链内原子间的强共价键及大分子链间的弱分子键的结合特征，使其具有一系列不同的特点:密度小，强度低（但比强度高，甚至高于钢铁），低的弹性模量，较高的弹性，优良的电（绝缘）性能，优良的减摩、耐磨和自润滑性能，优良的耐蚀性（甚至胜过一般的不锈钢），优良的透光性和隔热、隔声性，可加工性好（可用各种方法成形及加工），单件成本低廉；同时，易于制成不同的使用状态，如液态的涂料及黏结剂，固态丰富多姿的各种固态塑料等，使其在工业中得到广泛应用。但绝对强度、刚度低，不耐热（＜300℃），可燃，易老化，使其应用受到一定限制。

3.陶瓷材料的特征

陶瓷是一种无机非金属材料，是由一种或多种金属和非金属元素形成的具有强离子键或共价键的化合物，主要为由氧化物、碳化物、氮化物及硅酸盐等物质组成的材料，由传统硅酸盐材料演变而来。其具有熔点高、硬度高、化学稳定性高，极高的弹性模量，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小等优点，在现代工业中已得到愈来愈广泛的应用。部分陶瓷还具有某些特殊功能，如制成压电材料、磁性材料、生物陶瓷等功能材料。在有些情况下，陶瓷为唯一能选用的材料，例如内燃机的火花塞，引爆时瞬间温度可达2　500℃，并要求绝缘和耐化学腐蚀，显然金属材料和高分子材料都不能满足要求，只有陶瓷最为合适。但陶瓷抗压不抗拉，脆性大和不易加工成形的缺点使其应用受到一定限制。

4.复合材料的特征

复合材料是由两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质经人工组成的兼有各组成物性能的一种多相固体材料，具有组成它的单一材料所不具备的性能，而各组成物间仍保持一定的界面。

复合材料能充分发挥其组成材料的各自长处，又在一定程度上克服了它们的弱点，其成分、性能可较大范围地人为调整设计，并且材料的合成与产品的成形大多同时进行，一次完成，如常见的钢筋混凝土、沥青路面、汽车轮胎、玻璃钢制品、硬质合金刀片，甚至混纺的布料等。按基体的不同分树脂基、金属基、陶瓷基三类，具有广阔的应用前景。