3.1  工程材料概述

工程材料是指用于机械、车辆、船舶、建筑化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。工程材料按化学成分的不同又分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。

3.1.1 金属材料

金属材料因其特有的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能,并能采用比较简单和经济的方法将其制造成零件,因此成为现代工业、农业、国防及制造业等领域应用最广泛的材料。金属材料包括金属和以金属为基体的合金。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)黑色金属材料

黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金材料(如钢、铸铁和铁合金材料)。

钢铁材料的资源充足、工程性能优越、价格较低、应用广泛;以铁为基体的合金材料占整个结构材料和工具材料的90%以上。按碳的质量分数(w(C),俗称含碳量)的不同,可将常用的黑色金属材料分为钢和铸铁。钢是指碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金。钢的种类繁多:按化学成分分类,可分为碳素钢和合金钢两大类;按用途分类,可以分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等;按品质分类,可分为普通钢、优质钢、高级优质钢等。

铸铁是指碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。铸铁根据铸铁中碳的存在形式不同,可分为灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等

(2)有色金属材料

有色金属材料是指黑色金属以外的金属及其合金材料。虽然有色金属的产量和使用量总的来说不及黑色金属多,但由于它们具有某些独特的性能和优点,而成为现代工业技术中不可缺少的材料。有色金属按金属性能分类,可分为有色轻金属(密度小于等于4.5g/cm3 的金属,如铝、镁、钛、钾、钠、钙等)、有色重金属(密度大于等于4.5g/cm3 的金属,如铜、镍、锡、钴等)、重金属(金、银和铂族元素)、稀有金属、半金属(硅、硼、硒等)等。常见的有铝及其合金、铜及其合金、锌及其合金、镁及其合金、钛及其合金。

2. 金属材料的性能

机械零件在使用过程中,要受到拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、摩擦、冲击以及环境、温度和化学介质的作用,并且还要传递力和能量等。作为构成零件的金属材料必须具备良好的工艺性能保证零件的加工制造,具有良好的物理、化学性能及力学性能保证零件的使用寿命。

(1)力学性能

金属的力学性能是指在力的作用下,材料所表现出来的一系列力学性能指标,反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。它是设计零件选择材料和产品

金属的力学性能是指在力的作用下,材料所表现出来的一系列力学性能指标,反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。它是设计零件选择材料和产品验收、鉴定的重要依据。力学性能常用指标有强度、硬度、塑性、冲击韧度、疲劳强度以及刚度、弹性等。

(2)物理、化学性能

金属的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性、耐腐蚀性等。零件的用途不同,对材料的物理、化学性能要求不同,对制造工艺也有较大影响。如对导热性差的材料进行切削,刀具易发热,使用寿命降低;钢和铝合金的熔点不同、氧化速度不同,其熔炼工艺有很大差别。

(3)工艺性能

金属材料对于某种加工制造工艺所表现的适应性称为金属的工艺性能。金属材料制造机器零件主要采用铸造、压力加工、切削、焊接、特种加工等制造工艺,其相应的金属材料工艺性能则有铸造性能、锻压性能、焊接加工性能、切削性能、电加工性能、热处理和表面处理性能等。在零件设计、选材和选择工艺方法时,必须考虑金属材料的工艺性能。例如,灰铸铁的铸造性能优良,这是其广泛用来制造铸件的重要原因,但其可锻性很差,不能进行锻造,其焊接性能也较差。

3.1.2新型工程材料的发展趋势

随着社会的发展和科学的进步,新的工程材料的研制和应用不断涌现。工程材料目前朝着高比强度(单位密度的强度)、高比模量(单位密度的模量)、耐高温、耐腐蚀的方向发展。

新型工程材料在以下几个方面获得较快的发展:

(1)先进复合材料由新的基体材料(高分子材料、金属或陶瓷)和新的增强材料(纤维、晶须、颗粒)复合而成的具有优异性能的新型材料。

(2)光电子信息材料是指包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。

(3)低维材料是指超微粒子(零维)、纤维(一维)、薄膜(二维)材料,这是近年来发展较快的领域。

(4)新型金属材料如镍基高温合金、非晶态合金、Al—Li合金等金属间化合物。

(5)形状记忆材料和智能材料。形状记忆合金主要有镍基,铜基和铁基合金。目前已获得应用,如制造月面天线,这种月面天线是用处于马氏体状态的Ti-Ni丝焊接成半环状天线,然后压缩成小团,用阿波罗火箭送上月球。在月面上,小团被太阳光晒热后又恢复原状,即可用于通信。对于体积大而难以运输的物体亦可用这种材料及方法制造。由于此类材料具有自我感知和驱动智能,可以模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性,因此通常被列为智能材料。

(6)纳米材料是20世纪80年代发展起来的新材料。纳米材料又称为超细微材料,其粒子粒径为1~10nm(1nm=10-9m)。研究发现,随着物质的超微化,其表面电子结构和晶体结构发生很大变化,产生宏观物体没有的表面效应和物理、化学性质。超微粒材料具有一系列优异的电、磁、光、力学、化学等宏观特性,从而特性使其在电子、冶金、航天、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景。