1.2工程材料及其应用问题思考：金属与非金属材料差异在哪？

1.2 工程材料及其应用

问题思考

我们日常频繁接触各式各样的钢铁制品和铝制品，探究为何铁制品的坚韧程度和坚硬程度要超过铝制品，但导电能力与散热能力却逊于铝制品，是什么因素造成了它们在特性上的不同？

含碳率在 0.3% 左右的铁碳合金，具备优异的延展性，能够借助锻造或轧制工艺，塑造出各种形态的工件；相比之下，碳含量达到 3% 的铁碳合金，其延展性非常有限，无法通过机械加工来调整形态，只能依赖铸造技术，将熔融状态的材料浇入模具中成型。

工程材料范围十分宽广，依据性质能够划分为金属类材质与非金属类材质两个主要类别。

金属材料由黑色金属和有色金属构成。有色金属仅占金属材料的百分之五，它具备出色的导热性能、导电性能，同时拥有卓越的化学稳定性，并且比强度高，因此在机械工程领域扮演着关键角色。

非金属物质能够分为两大类，一类是无机非金属物质，另一类是有机高分子物质。无机非金属物质除了常见的陶瓷、玻璃、水泥以及耐火材料之外，还涵盖了硅氮化合物、碳化硅等先进材料，同时也有碳质材料。有机高分子物质则不仅包含自然界存在的有机材料，比如木材和橡胶，还特别关键的是人工合成的树脂材料。

1.2.1 金属材料的分类

机械加工领域主要采用合金类材料，这类材料在物理化学特性、机械强度以及加工适应性方面表现更佳，同时成本也相对较低。其中，最普遍使用的合金是以铁为基的含碳合金，人们常称之为钢铁。此外，还有以铜或铝等作为主要成分的非铁金属合金。

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

铸铁属于铁碳合金，其含碳量超过百分之二点一一。这种材料是将铸造生铁，或者部分炼钢生铁，在熔炉里再次熔化，同时掺入铁合金和废钢等物质来调整成分制成的。多数铸铁需要经过后续加工，才能变成各种铸铁制品。

铸铁材料在铸造工艺方面表现出色，能够制造出结构复杂的零件，并且在机械加工方面通常也具备较好的处理能力。除此之外，铸铁制品还拥有不易磨损和有效减少振动的好特性，并且其成本相对较低。

（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

铸铁有不同的种类标记，这种标记用来区分材料。各种铸铁的标记不同，它们的性质和用途也各不相同。表1-3列出了各类铸铁的标记方式以及具体实例。

表1-3 铸铁的牌号表示方法

要点提示

牌号里代号后面的数字串，指的是抗拉强度数据；如果存在两个数字串，前面的那个代表抗拉强度，后面的那个代表延伸率。

2.钢

钢材在众多经济建设的版图中扮演着关键角色，是一种不可或缺的基础材料，其类型多样，用途广泛，为工业发展提供了必要的物质支持。

（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

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（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

钢材的运用情况。表1-6列出了部分碳素结构钢的特性及其用途，表1-7展示了部分碳素工具钢的特性及其用途。

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

有色合金通常由一种有色金属作为主要成分，再掺入其他一种或多种元素制成，它的强度和硬度普遍强于单一金属，电阻值也大于纯金属，同时电阻随温度变化的程度不大，整体具备优良的机械特性。在工业领域中，常见的有色合金种类包括铝合金、铜合金以及钛合金等。

1.铝合金

铝制合金分量轻，但承压能力突出，水准堪比或超越上乘钢材；它延展性佳，能够制成各式构件，同时具备极好的电流穿透力、热能传递效率和抵御腐蚀的本领，在制造业中的应用程度仅次于钢材。

铝合金分成两种类型：铸造铝合金，通常在未经处理的状态下使用；变形铝合金，能够接受压力加工，其力学特性比铸造状态更优，可以加工成多种形状和尺寸的铝合金产品。铝合金广泛用于生产航空设备、家庭常用物品、以及建筑中的门窗构件。

2.铜合金

常用的铜合金分为黄铜 白铜和青铜3大类。

黄铜是一种铜基合金，其中锌是主要的合金成分。制造过程中，通常会掺入铝、镍、锰、锡、硅以及铅等元素，以此提升其基本性能。这类合金铸造的部件，经常被用于制造阀门和管道连接件等用途。

白铜属于铜合金，其中镍是主要成分。这种合金的机械性能优越，耐腐蚀能力强，外观也相当好看。因此，它常被用来制造精密机械、化工机械和船舶构件等。电工白铜则具备良好的热电特性，经常被用于制作精密电工仪器、变阻器以及热电偶等设备。

青铜由铜、锡、铅混合制成，熔化温度不高，坚固耐用，容易塑造，不易磨损也不易生锈，外观鲜明亮丽，因此适合用来制造各种器具、机械部件、轴套和传动装置。

1.2.3 工程塑料

这类塑料能够经受住一定外力的作用,同时具备优良的机械性能和尺寸稳定性,即使在极端温度条件下也能维持其出色的性能,因此适合用作工程结构件。

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

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1.2.4 材料的选用

问题思考

部分机械工程师将材料挑选视为一项基础性工作，通常主要参照同类零件或相似零件的选材方案，并沿用惯用的材料选择方式；当缺乏参考实例，同时对材料特性又无特殊标准时，他们常凭借基础计算和手册中的信息，随意采用一种通用性较强的材料，例如45钢，思考这种材料选择方式存在哪些弊端？

在构思一款新产品时，挑选构成它的物料需要遵循哪些标准？需要依据产品用途，选择合适的材质，还要考虑成本效益，同时兼顾环保要求，确保材料安全可靠，还要符合相关法规。

1.选材的原则

材料选择对于机械零件至关重要。确定材料是否合适，尤其是决定机器核心部件用材是否得当，会显著作用到最终产品的力学特性、使用期限以及生产费用。若选择材料出现偏差，后果可能极其严重，造成零件彻底无法使用。

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。

材料的力学特征是决定材料选择的最关键因素。各种零件对力学特征的要求存在差异，有的零件侧重于具备优异的强度，有的零件则更注重出色的抗磨损能力。零件在实际应用中的状况通常较为复杂，必须从承受的力、作用的性质、运行时的温度以及周围环境等多个角度进行综合评估。

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。

环境介质指的是直接作用在零件上的物质，例如润滑脂、海水、酸性液体、碱性液体以及盐分等。

要精确掌握零件的力学特征，还得研究零件的破损形态，借此明确导致零件破损的关键性能参数。

材料加工性怎么样。确保具备必要的力学指标之后，需要考虑所选材料的成型能力，要求它便于制成预定形态，并且品质上乘。

（3）价格要便宜，同时也要想到，用这种材料造出来的东西，价钱也要低。

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。

对零件的运作特性及运用情形开展细致研究，识别出关键性的损坏途径，进而合理确立核心功能参数。

依据工作环境的特殊要求，针对此零件的加工与生产，明确必须遵循的技术规范，确保符合使用标准。

依据提出的条件标准，同时兼顾工艺和经济因素，先对材料进行筛选。初步筛选多依赖经验，通过与同类机械零件的参照，以及结合过往实践判断来进行。此外，也可查阅各类材料手册辅助选择。

对预选方案的资料实施测算，用以判断是否符合前述工作标准。

（5）通过试验手段最终确定合理的选材方案。

在生产规模不大的情况下，进行实际生产操作，目的是验证材料选择计划的妥当性。