机械材料基础知识

机械材料基础知识

机械材料用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程

中所应用的工艺材料。人类最先利用的材料是自然材料：石头、木头、

泥土、兽皮，发明火以后，可以使用陶器和瓷器，青铜是金属材料的

最早使用，炼铁和炼钢丰富和发展了机械材料，钢铁是机械材料的主

要材料，提高钢铁等金属材料的使用性能和加工性能是19世纪20世

纪21世纪材料专家的主要研究内容，非金属材料，如高分子材料和

现代陶瓷是21世纪材料工作者的研究目标。

一、机械材料定义

机械材料是指用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造

过程中所应用的工艺材料。

二、机械材料发展史

人类在同自然界的斗争中，不断改进用以制造工具的材料。最早

是用天然的石头和木材制作工具，以后逐步发现和使用金属。中国使

用金属材料的历史悠久，在两千多年前的《考工记》中就有“金之六

齐”的记载，这是关于青铜合金成分配比规律最早的阐述。人类虽早

在公元前已了解金、银、铜、汞、锡、铁、铅等多种金属，但由于采

矿和冶炼技术的限制，在相当长的历史时期内，很多器械仍用木材制

造或采用铁木混合结构。直到1856年英国发明转炉炼钢法，1856〜

1864年英国和法国发明平炉炼钢以后，大规模炼钢工业兴起，钢铁

才成为最主要的机械材料。到20世纪30年代，铝（见铝合金）、镁

（见镁合金）等轻金属逐步得到应用。第二次世界大战后，科学技术

的进步促进了新型材料的发展，球墨铸铁、合金铸铁、合金钢、耐热

钢、不锈钢、银合金、钛合金和硬质合金等相继形成系列并扩大应用。

同时，随着石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起，工程塑料、

合成橡胶和胶粘剂等在机械材料中的比重逐步提高。另外，宝石、玻

璃和特种陶瓷材料等也逐步扩大在机械工程中的应用。

三、机械材料分类

机械材料涉及面很广，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。有色金属用量虽只占金属材

料的5%,但因具有良好的导热性、导电性，以及优异的化学稳定性

和高的比强度等，而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

（见碳和石墨材料）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（见工程塑料）。此外，还有由两种或多种不

同材料组合而成的复合材料。这种材料由于复合效应，具有比单一材

料优越的综合性能，成为一类新型的工程材料。

机械材料也可按用途分类，如结构材料（结构钢）。工模具材料

（工具钢）。耐蚀材料（不锈钢）、耐热材料（耐热钢）、耐磨材料

（耐磨钢）和减摩材料等。由于材料与工艺紧密联系，也可结合工艺

特点来进行分类，如铸造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。

粉末冶金可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，也可直接制

造各种精密机械零件，已发展成一类粉末冶金材料。

四、机械材料发展展望

机械产品的可靠性和先进性，除设计因素外，在很大程度上取决

于所选用材料的质量和性能。新型材料的发展是发展新型产品和提高

产品质量的物质基础。各种高强度材料的发展，为发展大型结构件和

逐步提高材料的使用强度等级，减轻产品自重提供了条件;锤式破碎

机结构:锤式破碎机箱体,高性能的高温材料、耐腐蚀材料为开发和利

用新能源开辟了新的途径。现代发展起来的新型材料有新型纤维材

料、功能性高分子材料、非晶质材料、单晶体材料、精细陶瓷和新合

金材料等，对于研制新一代的机械产品有重要意义。如碳纤维比玻璃

纤维强度和弹性更高，用于制造飞机和汽车等结构件，能显著减轻自

重而节约能源。精细陶瓷如热压氮化硅和部分稳定结晶氧化错，有足

够的强度，比合金材料有更高的耐热性，能大幅度提高热机的效率，

是绝热发动机的关键材料。还有不少与能源利用和转换密切有关的功

能材料的突破，将会引起机电产品的巨大变革。

随着科学技术的发展，尤其是材料测试分析技术的不断提高，如

电子显微技术、微区成分分析技术等的应用，材料的内部结构和性能

间的关系不断被揭示，对于材料的认识也从宏观领域进入微观领域。

在认识各种材料的共性基本规律的基础上，正在探索按指定性能来设

计新材料的途径。

五、机械材料物理性能

区别在于含碳量碳素钢：

a.低碳钢(CW0.25%)；

b.中碳钢(CW0.25P.60%)；

c.高碳钢(C》0.60%)o

生铁肮二(2~4.3%)工业纯铁其化学成分主要是铁，含量在99.50%

-99.90%,含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。

Q235A屈服值，在235左右的优质碳素结构钢。45钢含碳量%0.45

的优质碳素结构钢。T10A含碳量%1的工具钢，ZG200-400指的是他

的屈服强度为200,抗拉强度为400,单位为(MP)的铸钢。灰铸铁HT200

表ø30试样的最低抗拉强度200MPao

六、机械材料性能

复合材料，是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成

的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材

料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基

体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛

及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、

石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的

保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平

衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织

准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果

同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也

有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液

等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢

件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度

进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、

淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密

切，常常配合使用，缺一不可。

七、机械材料动力机械的发展

17世纪后期，随着机械的改进，煤和金属矿石需求量的增加，

只依靠人力和畜力已不能适应生产提高的要求，于是在18世纪初出

现了大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。1765年，分开凝汽器蒸

汽机的发明，降低了燃料消耗率。1781年，回转动力蒸汽机的发明,

扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，促进矿业和工业生

产、铁路和搬运机械动力化。几乎成为19世纪唯一的动力源。但蒸

汽机及其锅炉、凝汽器和冷却水系统等体积庞大、笨重，应用不便。

19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电

动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动

力。发电站初期应用蒸汽机为原动机；20世纪初，出现了高效率、

高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水力资源的大、小功率

的水轮机。19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、

效率高、易于操纵并可随时启动的原动机。内燃机最初用于驱动没有

电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机械（如拖拉机、

挖掘机械等）和轮船，20世纪中期开始用于铁路机车。内燃机和以

后发明的燃气轮机和喷气发动机，还是飞机、航天器等成功发展的基

础技术因素之一。

八、机械加工技术

工业革命以前，机械大都是由木工手工制成的木结构，金属（主

要是钢和铁）仅用以制造仪器、钟表、锁、泵和木结构机械上的小型

零件。金属加工主要靠机匠的精工细作以达到需要的精度。随着蒸汽

机的广泛使用以及随之出现的矿山、冶金、轮船和机车等大型机械的

发展，需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，所用金属材料

由铜、铁发展到以钢为主。机械加工（包括铸造、锻压、焊接、热处

理等技术及其设备以及切削加工技术和机床、刀具、量具等）迅速发

展，从而保证了发展生产所需要的各种机械装备供应。同口寸，随着生

产批量的增大和精密加工技术的发展，也促进了大量生产方法（零件

互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等）的形成。

九、基础理论的发展

18世纪以前，机械匠师全凭个人经验、直觉和手艺进行机械制

作，与科学几乎无关。直到18〜19世纪才逐渐形成围绕机械工程的

基础理论。动力机械最先与科学相结合，如蒸汽机的发明和瓦特应用

理论，在蒸汽机实践的基础上建立起一门新的学科一一热力学等。19

世纪初，研究机械中机构结构和运动等的机构学第一次列为的课程。

从19世纪后半期起已开始设计计算考虑材料的疲劳。随后断裂力学、

实验应力分析、有限元法、数理统计、电子计算机等相继被用在设计

计算中。

十、服务领域

机械工程的服务领域很广，凡使用机械、工具，以至能源和材料

生产的部门，无不需要机械工程的服务。现代机械工程有5大服务领

域：

①、研制和提供能量转换机械，包括将热能、化学能、原子能、

电能、流体压力能和天然机械能转换为适合于应用的机械能的各种动

力机械，以及将机械能转换为所需要的其他能量的能量变换机械。

②、研制和提供用以生产各种产品的机械，包括农、林、牧、渔

业机械和矿山机械以及各种重工业机械和轻工业机械等。

③、研制和提供从事各种服务的机械，如物料搬运机械，交通运

输机械，医疗机械，办公机械，通风、采暖和空调设备以及除尘、净

化、消声等环境保护设备等。

④、研制和提供家庭和个人生活用的机械，如洗衣机、电冰箱、

钟表、照相机、运动器械和娱乐器械等。

⑤、研制和提供各种机械武器。

十一、材料选用

材料选用是机械设计中的重要环节之一，是完成设计的第一步

骤。材料选择的原则主要有：使用性能原则、工艺性能原则和成本原

则。除此以外，有两个新的原则也会逐渐成为选材的重要原则：可靠

性原则及资源、能源和环保原则。其中使用性能原则即正确选用材料

占有最重要的地位，它是保证零件正常工作和使用寿命所必需的，不

然就会发生零件失效或早期失效。这个原则是作为选材过程中选材的

切入点。

选择材料可概括为五个步骤：

①分析零件对所选材料的性能要求及失效分析，包括分析零件的

工作条件，零件的强度、刚度、稳定性计算等。

②对可供选择的材料进行筛选，现代工程材料分为金属材料、陶

瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。把所有的工程材料都当作选

择对象，根据材料的性能要求进行筛选。

③对可供选择的材料进行评价，在很多场合，使用系统分级和定

量的方法进行评价选择更好。

④最佳材料的决定。

⑤零件所选材料的实际验证。

十二、展望

机械工业是为国民经济提供装备的基础工业，将随着科学技术的

发展而产生变化。机电一体化，机电一体化技术和机电一体化产品的

统称，是在机电产品中引入微电子元器件和技术之后形成的。机电一

体化技术又称机械微电子技术，是机械工程、微电子技