1.2 工程材料及其应用
问题思考
（1）生活中我们广泛使用各种钢铁制品和铝制品，想一想为什么铁制品的强度和硬度比铝制品高，而导电性和导热性却不如铝制品？是什么导致两者在性能上的差异？
（2）为什么含碳量为 0.3%的铁碳合金具有良好的塑性，可以通过锻造或轧制来制成不同形状的零件；而含碳量为 3%的铁碳合金的塑性很差，不能通过加工来改变形状，而只能采用铸造的方法浇注成零件？
工程材料涉及面很广，按属性可分为金属材料和非金属材料两大类。
金属材料包括黑色金属和有色金属。有色金属用量占金属材料的 5%，因其具有良好的导热性、导电性以及优异的化学稳定性和高的比强度等，在机械工程中占有重要的地位。
非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。前者除传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料外，还包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料等；后者除了天然有机材料（如木材、橡胶等）外，较重要的还有合成树脂。
1.2.1 金属材料的分类
现代机械加工中所用的金属材料主要以合金为主，合金材料具有比纯金属更好的物理和化学性能、优良的力学性能和工艺性能，并且价格低廉。最常用的合金是以铁为基础的铁碳合金，俗称钢铁。除此之外，还有以铜或铝等为基础的有色合金。
金属材料的具体分类如表1-1所示。
表1-1 金属材料的分类
1.铸铁
铸铁是含碳大于 2.11%的铁碳合金。它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加入铁合金和废钢等调整成分得到的。铸铁大都需要通过二次加工制成各种铸铁件。
铸铁具有优良的铸造性能，可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外，铸铁件还具有耐磨性和消振性良好、价格低等特点。
（1）铸铁的种类。铸铁的具体分类如表1-2所示。
表1-2 铸铁的分类
（2）铸铁的牌号。牌号就是表示材料种类的代号，不同牌号的铸铁，其性能不同，用途不同。表1-3所示为不同种类的铸铁的牌号表示方法及其示例。
表1-3 铸铁的牌号表示方法
要点提示
牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第1组表示抗拉强度值，第2组表示伸长率。
2.钢
钢材在经济建设的各个领域中都是非常重要的金属材料，它种类丰富，应用范围广，是工业建设必不可少的物质资源。
（1）钢的种类。钢材的种类很多，其详细分类如表1-4所示。
表1-4 钢的分类
续表
（2）钢的牌号。常用钢材的牌号及其表示方法如表1-5所示。
表1-5 钢牌号表示方法的举例
（3）钢的应用。表1-6所示为部分碳素结构钢的特性和应用，表1-7所示为部分碳素工具钢的特性和应用。
表1-6 部分碳素结构钢的特性和应用
表1-7 部分碳素工具钢的特性和应用
1.2.2 有色合金
有色合金是以一种有色金属为基体加入一种或几种其他元素而构成的合金，其强度和硬度一般比纯金属高，电阻比纯金属大、电阻温度系数小，具有良好的综合机械性能。工业上最常用的有色合金材料主要有铝合金、铜合金、钛合金等。
1.铝合金
铝合金密度低，但强度较高，接近或超过优质钢；塑性好，可加工成各种型材，且具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上的使用量仅次于钢。
铝合金分为两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工，力学性能高于铸态，可加工成各种形态、规格的铝合金材。铝合金主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。
2.铜合金
常用的铜合金分为黄铜 白铜和青铜3大类。
黄铜是以锌作主要添加元素的铜合金。生产中常添加如铝 镍 锰 锡 硅及铅等元素来改善普通黄铜的性能。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。
白铜是以镍为主要添加元素的铜合金。结构白铜的机械性能和耐蚀性好，色泽美观，广泛用于制造精密机械 化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能，用于制造精密电工仪器 变阻器以及热电偶等。
青铜是铜和锡、铅的合金，具有熔点低、硬度大、可塑性强、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等特点，适用于铸造各种器具、机械零件、轴承和齿轮等。
1.2.3 工程塑料
工程塑料一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。
常用通用工程塑料的特点及用途如表1-8所示。
表1-8 常用通用工程塑料的特点及用途
续表
1.2.4 材料的选用
问题思考
（1）有的机械工程师把选材看成一项简单的任务，一般主要参考相同零件或类似零件的选材方案并按照传统选用材料；当无先例可循，同时对材料的性能又无特殊要求时，往往根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，如45钢。想想这种选材方法有什么问题？
（2）如果你准备开发一个产品，在选取制作该产品的材料时，应该根据什么原则来选取？
1.选材的原则
机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，直接影响到产品的机械性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。
根据生产经验，判断零件选材是否合理的基本标志有以下3点。
（1）能否满足必需的机械性能。材料的机械性能是选材时考虑的最主要依据。不同零件所要求的机械性能是不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性。零件的工作条件往往比较复杂，需要从受力状态、载荷性质、工作温度及环境介质等几个方面全面分析。
① 受力状态有拉、压、弯和扭等。
② 载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等。
③ 工作温度可分为低温、室温、高温和交变温度。
④ 环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱及盐等。
为了更准确地了解零件的机械性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。
（2）能否具有良好的工艺性能。在满足了必要的机械性能后，接下来选定的材料要具有良好的工艺性能，即容易加工出需要的形状，而且质量优良。
（3）低成本。除此之外，还要考虑使用该材料制作的产品具有较低的成本。
2.选材的一般步骤
根据生产经验，机械零件选材的一般步骤如图1-15所示。
图1-15 机械零件选材的一般步骤
总结零件选材的基本原则如下。
（1）对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要性能指标。
（2）根据工作条件的特点，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。
（3）根据所提出的技术条件要求和对工艺性、经济性方面的考虑，对材料进行预选择。预选择通常凭经验，与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，还可以借助各种材料手册来选择。
（4）对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。
（5）通过试验手段最终确定合理的选材方案。
（6）在中、小型生产的基础上，接受生产考验，以检验选材方案的合理性。