常用的工程材料有金属材料、工程陶瓷材料、工程塑料和复合材料。金属有良***的塑性、导电、导热;工程陶瓷质硬耐磨;工程塑料质轻耐腐蚀。各类材料间性能之所以有如此大的差异,主要由于它们的结合键类型是不同的(如金属为金属键陶瓷为离子键或共价键⋯),材料中的原子在固体中的排列方式也是不同的。金属和陶瓷材料的原子在固体中具有三维规则重复排列结构,所以金属和陶瓷材料均为晶体,塑料是不具有重复的三维排列原子的固体,塑料为非晶体。结合键类型和原子在固体中的排列方式决定了各类工程材料所具有的特性。
(1)金属材料 金属是由公有化的自由电子与各正离子间产生的强烈的静电引力(金属键)将金属原子结合在一起。这种结合是比较强的,故金属具有较高的强度;当一块金属晶体的两鄙分发生相对位移时,金属键不会受到破坏,因前能承受塑性变形而不断裂,所以金属有很***的延展性;由于公有化的自由电子在整个金属中可以自由运动,故金属还具有良***的导电性导热性。
金属的塑性变形是通过金属晶体中的位错(晶体中的一种线型缺陷)运动进行的。对金属的晶体结构采取某种措施以阻止位错运动,就可以使金属得到强化,主要措施为:
1)添加其他元素组成合金(如铁碳合金钢铸铁;铜锌合金、黄铜等)。
2)形变强化(如冷轧钢板及冷拔钢丝等)。
3)细晶强化。
4)沉淀第二相的热处理(如硬铝的时效处理等)。
5)由于温度引起晶体结构的变化(如奥氏体淬火得到马氏体)来进行强化。许多钢可以在不硬状态下进行成形和机械
抛光机加工,然后再经过淬火硬化获得高的强度和硬度。正是由于这种强化机制才使钢得到如此广泛的应用。金属材料具有强度高,塑性、韧性***等***良的综合力学性能。与其他材料相比,其耐磨性、耐热性和耐腐蚀性尚显不足。
(2)工程陶瓷材料 工程陶瓷是由人工制取的高纯度化合物(氧化物碳化物、氮化物等)粉料烧结而成。陶瓷的结合键是离子键或共价键,实际上往往是两种键的混合。这决定了陶瓷材料的特性,破坏这种键需要很高的能量,故陶瓷熔点高、硬度高;有高的室温和高温强度;抗腐蚀性***;在外力作用下难以变形,塑性差,对缺口敏感,易发生脆性断裂。在结合键中电子处于“受束缚”状态,不能在晶体中自由运动,所以工程陶瓷是良***的电绝缘体。
工程陶瓷可通过添加其他元素进行强化,但一般效果不大,某些陶瓷可以用改变晶体结构的方法进行强化,如六方氮化硼较软,而立方氮化硼的硬度接近金刚石,是***良的耐磨材料。
(3)工程塑料 工程塑料是高分子合成材料,它是由重复的长链分子(由一些简单有机物单体聚合而成)组成的物质。重复分子中的原子之间是共价键结合,而长链分子间的结合力是较弱的分子键结合,也有一定的数量的共价键交联结合。这些长链分子在空间任意地或有规则地堆积而构成塑料。这种结合决定了塑料的特性,由于分子键很弱,故其弹性模量很低;没有固定的熔点,软化温度稍高于室温;在室温下使用时也容易发生蠕变(在载荷不变的情况下随时间的延长,变形不断增加的现象)。
除结合键外,分子链的长度即单体的数目(以聚合度n表示)也明显影响塑料的性能,强度随聚合度增大而升高,而加工性能(模压注射成形等)随聚合度增高而降低。商用塑料聚合度一般为10~105。同-种塑料的聚合度随生产方法和加工工艺而异,因此它们的性能在很大范围变化,这一点与金属材料不同,不同工厂生产
抛光机的同一牌号的金属材料,它们的性能基本接近。
工程塑料具有***良的化学稳定性,对酸、碱均有良***的抗腐蚀性,良***的绝缘性,密度小,其不足之处是弹性模量小,热膨胀系数大,易发生蠕变等。
(4)复合材料 复合材料可以由金属、陶瓷或高分子材料中任意两者人工合成,也可以由两种或多种金属、陶瓷或高分子材料来制备,复合的范围很广。复合材料的***大***越性是它们的性能比其组成材料的性能***得多。例如,玻璃和树脂的强度和韧度都不高,可是它们组成的复合材料(玻璃钢)却有很高的强度和韧度。但复合材料的价格高。
金属、陶瓷和塑料在性能上各有特性,各有其适合的应用范围。了解它们的特点对合理选用材料和使用材料是十分重要的。陶瓷硬度高、耐热、耐蚀,可用来制造高温下工作的零件(如涡轮转子)、刀具和某些耐磨的零件,但脆性大不适于制造重要的受力零件。塑料的密度小、有些塑料的摩擦因数小,减摩、耐磨性***,在机械工业中常用于制造轻载传动齿轮、轴承和各种密封等,但塑料的强度、韧度低,目前尚不能制造重要的机械零件。比较起来,金属具有******良的综合力学性能,可用于制造各种重要的机械零件。所以它仍是目前***重要的工程材料。
