工程材料及其分類(lèi)
工程材料有各種不同的分類(lèi)方法。一般都將工程材料按化學(xué)成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。
(一)金屬材料
金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：
1.黑色金屬材料
鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)。
2.有色金屬材料
黑色金屬以外的所有金屬及其合金。
應(yīng)用最廣的是黑色金屬。以鐵為基的合金材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90.0%以上。黑色金屬材料的工程性能比較優(yōu)越，價(jià)格也較便宜，是最重要的工程金屬材料。
有色金屬按照性能和特點(diǎn)可分為：輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴金屬、稀土金屬和堿土金屬。它們是重要的有特殊用途的材料。
(二)非金屬材料
非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
1.耐火材料
2.耐火隔熱材料
3.耐蝕(酸)非金屬材料
4.陶瓷材料
(三)高分子材料
高分子材料為有機(jī)合成材料，也稱(chēng)聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)材料。
高分子材料種類(lèi)很多，工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類(lèi)：塑料、橡膠、合成纖維。
(四)復(fù)合材料
復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料，其性能是其它單質(zhì)材料所不具備的。復(fù)合材料可以由各種不同種類(lèi)的材料復(fù)合組成。它在強(qiáng)度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。
常用工程材料
(一)金屬材料
(2)鑄鐵的分類(lèi)和牌號(hào)表示方法
鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳含金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。它具有生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。某些承受沖擊不大的重要零件，如小型柴油機(jī)的曲軸，多用球墨鑄鐵制造。其原因是鑄鐵價(jià)廉，切削性能和鑄造性能優(yōu)良，有利于節(jié)約材料，減少機(jī)械加工工時(shí)，且有必要的強(qiáng)度和某些優(yōu)良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
1)鑄鐵的分類(lèi)。鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點(diǎn)是碳、硅含量高，雜質(zhì)含量也較高。但是，雜質(zhì)在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳、硅都是鑄鐵中的重要元素，有害的元素是硫，鑄鐵的組織特點(diǎn)是含有石墨，組織的其余部分相當(dāng)于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.80%鋼的組織。故稱(chēng)鑄鐵的組織為石墨加鋼的基體。鑄鐵的韌性和塑性，主要決定于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響。鑄鐵的其他性能也于石墨密切相關(guān)?；w組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性的主要因素。
按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為灰口鑄鐵(石墨成片狀)、球墨鑄鐵(石墨成球狀)和可鍛鑄鐵(石墨成團(tuán)絮狀)三大類(lèi)。
2)鑄鐵牌號(hào)的表示方法
3)工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn)
① 灰口鑄鐵。灰口鑄鐵的組織由石墨和基體兩部分組成。基體可以是鐵素體，珠光體或鐵素體加珠光體，相當(dāng)于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。
② 球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)灰口鑄鐵，而與鋼相當(dāng)。因此對(duì)于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過(guò)45#鋼。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)承受動(dòng)載的零件是帶孔或帶臺(tái)肩的，因此用球墨鑄鐵來(lái)代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。
③ 蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時(shí)又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑經(jīng)處理而煉成的。
④ 可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵是由白口鑄鐵通過(guò)退火處理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。
⑤ 耐磨鑄鐵。在鑄鐵中加入某些合金元素而得到。
⑥ 耐熱鑄鐵。耐熱鑄鐵是在高溫下工作的鑄件，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運(yùn)輸鏈條等。
⑦ 耐蝕鑄鐵。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁和高鉻等耐蝕鑄鐵。
例題1：對(duì)鑄鐵的韌性、塑性影響的因素為( )。
A.石墨的數(shù)量 B.石墨的大小
C.石墨的形狀 D.石墨的分布
答案：C.石墨的形狀
例題2：按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為( )。
A.灰口鑄鐵 B.合金鑄鐵 C.可鍛鑄鐵 D.球墨鑄鐵
答案：A.灰口鑄鐵 C.可鍛鑄鐵 D.球墨鑄鐵
2. 有色金屬
1)鋁及其合金。鋁及其合金在采用各種強(qiáng)化手段后，鋁合金可以達(dá)到與低合金高強(qiáng)鋼相近的強(qiáng)度，因此比強(qiáng)度要比一般高強(qiáng)鋼高得多。
純鋁材料按純度可分為三類(lèi)。有高純鋁，工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁。
按照制造工藝，鋁合金還可分為變形(加工)鋁合金和鑄造鋁合金兩類(lèi)。變形鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金及鍛鋁合金等。鑄造鋁合金(ZL)分為Al-Si鑄造鋁合金、Al-Cu鑄造鋁合金、Al-Mg鑄造鋁合金和Al-Zn鑄造鋁合金。
2)銅及其合金。純銅呈紫紅色，常稱(chēng)紫銅，主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。根據(jù)雜質(zhì)含量的不同，工業(yè)純銅分為四種T1、T2、T3、T4。編號(hào)越大，純度越低。純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料。
在銅中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，同時(shí)保持純銅的某些優(yōu)良性能。一般銅合金分黃銅、青銅和白銅三大類(lèi)。
3)鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學(xué)、石油、有色金屬冶煉、高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料。鎳力學(xué)性能良好，尤其塑、韌性?xún)?yōu)良，能適應(yīng)多種腐蝕環(huán)境。
4)鈦及其合金。鈦具有較好的低溫性能，可做低溫材料，常溫下鈦具有極好的抗蝕性能，在大氣、海水、硝酸和堿溶液等介質(zhì)中十分穩(wěn)定。但在任何濃度的氫氟酸中均能迅速溶解。
5)鉛及其合金。硬鉛的密度比鉛高，可作為結(jié)構(gòu)材料，在化工防腐蝕設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，但硬鉛的耐腐蝕性比純鉛略有降低。鉛在大氣、淡水、海水中很穩(wěn)定，鉛對(duì)硫酸、磷酸、亞硫酸、鉻酸和氫氟酸等則有良好的耐蝕性。
6)鎂及其合金。鎂及其合金的主要特性是密度小、化學(xué)活性強(qiáng)、強(qiáng)度低。純鎂強(qiáng)度低，不能用于結(jié)構(gòu)材料，主要用鎂合金。鎂合金的比強(qiáng)度和比剛度可以與合金結(jié)構(gòu)鋼相媲美，故鎂合金是航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，它能承受較大的沖擊、振動(dòng)荷載，并有良好的機(jī)械加工性能和拋光性能。其缺點(diǎn)是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復(fù)雜。
例題 在石油、化工、有色金屬冶煉工業(yè)中，常用于高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料為( )。
A.鋁及鋁合金 B.銅及銅合金 C.鎳及鎳合金 D.鎂及鎂合金
答案：C.鎳及鎳合金
工程材料有各種不同的分類(lèi)方法。一般都將工程材料按化學(xué)成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。
(一)金屬材料
金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：
1.黑色金屬材料
鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)。
2.有色金屬材料
黑色金屬以外的所有金屬及其合金。
應(yīng)用最廣的是黑色金屬。以鐵為基的合金材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90.0%以上。黑色金屬材料的工程性能比較優(yōu)越，價(jià)格也較便宜，是最重要的工程金屬材料。
有色金屬按照性能和特點(diǎn)可分為：輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴金屬、稀土金屬和堿土金屬。它們是重要的有特殊用途的材料。
(二)非金屬材料
非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
1.耐火材料
2.耐火隔熱材料
3.耐蝕(酸)非金屬材料
4.陶瓷材料
(三)高分子材料
高分子材料為有機(jī)合成材料，也稱(chēng)聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)材料。
高分子材料種類(lèi)很多，工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類(lèi)：塑料、橡膠、合成纖維。
(四)復(fù)合材料
復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料，其性能是其它單質(zhì)材料所不具備的。復(fù)合材料可以由各種不同種類(lèi)的材料復(fù)合組成。它在強(qiáng)度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。
常用工程材料
(一)金屬材料
(2)鑄鐵的分類(lèi)和牌號(hào)表示方法
鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳含金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。它具有生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。某些承受沖擊不大的重要零件，如小型柴油機(jī)的曲軸，多用球墨鑄鐵制造。其原因是鑄鐵價(jià)廉，切削性能和鑄造性能優(yōu)良，有利于節(jié)約材料，減少機(jī)械加工工時(shí)，且有必要的強(qiáng)度和某些優(yōu)良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
1)鑄鐵的分類(lèi)。鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點(diǎn)是碳、硅含量高，雜質(zhì)含量也較高。但是，雜質(zhì)在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳、硅都是鑄鐵中的重要元素，有害的元素是硫，鑄鐵的組織特點(diǎn)是含有石墨，組織的其余部分相當(dāng)于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.80%鋼的組織。故稱(chēng)鑄鐵的組織為石墨加鋼的基體。鑄鐵的韌性和塑性，主要決定于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響。鑄鐵的其他性能也于石墨密切相關(guān)?；w組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性的主要因素。
按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為灰口鑄鐵(石墨成片狀)、球墨鑄鐵(石墨成球狀)和可鍛鑄鐵(石墨成團(tuán)絮狀)三大類(lèi)。
2)鑄鐵牌號(hào)的表示方法
3)工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn)
① 灰口鑄鐵。灰口鑄鐵的組織由石墨和基體兩部分組成。基體可以是鐵素體，珠光體或鐵素體加珠光體，相當(dāng)于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。
② 球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)灰口鑄鐵，而與鋼相當(dāng)。因此對(duì)于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過(guò)45#鋼。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)承受動(dòng)載的零件是帶孔或帶臺(tái)肩的，因此用球墨鑄鐵來(lái)代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。
③ 蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時(shí)又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑經(jīng)處理而煉成的。
④ 可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵是由白口鑄鐵通過(guò)退火處理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。
⑤ 耐磨鑄鐵。在鑄鐵中加入某些合金元素而得到。
⑥ 耐熱鑄鐵。耐熱鑄鐵是在高溫下工作的鑄件，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運(yùn)輸鏈條等。
⑦ 耐蝕鑄鐵。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁和高鉻等耐蝕鑄鐵。
例題1：對(duì)鑄鐵的韌性、塑性影響的因素為( )。
A.石墨的數(shù)量 B.石墨的大小
C.石墨的形狀 D.石墨的分布
答案：C.石墨的形狀
例題2：按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為( )。
A.灰口鑄鐵 B.合金鑄鐵 C.可鍛鑄鐵 D.球墨鑄鐵
答案：A.灰口鑄鐵 C.可鍛鑄鐵 D.球墨鑄鐵
2. 有色金屬
1)鋁及其合金。鋁及其合金在采用各種強(qiáng)化手段后，鋁合金可以達(dá)到與低合金高強(qiáng)鋼相近的強(qiáng)度，因此比強(qiáng)度要比一般高強(qiáng)鋼高得多。
純鋁材料按純度可分為三類(lèi)。有高純鋁，工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁。
按照制造工藝，鋁合金還可分為變形(加工)鋁合金和鑄造鋁合金兩類(lèi)。變形鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金及鍛鋁合金等。鑄造鋁合金(ZL)分為Al-Si鑄造鋁合金、Al-Cu鑄造鋁合金、Al-Mg鑄造鋁合金和Al-Zn鑄造鋁合金。
2)銅及其合金。純銅呈紫紅色，常稱(chēng)紫銅，主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。根據(jù)雜質(zhì)含量的不同，工業(yè)純銅分為四種T1、T2、T3、T4。編號(hào)越大，純度越低。純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料。
在銅中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，同時(shí)保持純銅的某些優(yōu)良性能。一般銅合金分黃銅、青銅和白銅三大類(lèi)。
3)鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學(xué)、石油、有色金屬冶煉、高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料。鎳力學(xué)性能良好，尤其塑、韌性?xún)?yōu)良，能適應(yīng)多種腐蝕環(huán)境。
4)鈦及其合金。鈦具有較好的低溫性能，可做低溫材料，常溫下鈦具有極好的抗蝕性能，在大氣、海水、硝酸和堿溶液等介質(zhì)中十分穩(wěn)定。但在任何濃度的氫氟酸中均能迅速溶解。
5)鉛及其合金。硬鉛的密度比鉛高，可作為結(jié)構(gòu)材料，在化工防腐蝕設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，但硬鉛的耐腐蝕性比純鉛略有降低。鉛在大氣、淡水、海水中很穩(wěn)定，鉛對(duì)硫酸、磷酸、亞硫酸、鉻酸和氫氟酸等則有良好的耐蝕性。
6)鎂及其合金。鎂及其合金的主要特性是密度小、化學(xué)活性強(qiáng)、強(qiáng)度低。純鎂強(qiáng)度低，不能用于結(jié)構(gòu)材料，主要用鎂合金。鎂合金的比強(qiáng)度和比剛度可以與合金結(jié)構(gòu)鋼相媲美，故鎂合金是航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，它能承受較大的沖擊、振動(dòng)荷載，并有良好的機(jī)械加工性能和拋光性能。其缺點(diǎn)是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復(fù)雜。
例題 在石油、化工、有色金屬冶煉工業(yè)中，常用于高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料為( )。
A.鋁及鋁合金 B.銅及銅合金 C.鎳及鎳合金 D.鎂及鎂合金
答案：C.鎳及鎳合金