非金属材料

金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属及其合金分为黑色金属材料和有色金属材料两大部分。
（一）黑色金属
黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。
钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。含碳量小于2.11% （重量）的 铁合金称为钢；而含碳量大于2.11% （重量）的铁合金称为生铁。
钢和铸铁中除了含铁、 碳以外，还含有一些其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氧、氮等；另一类是根 据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入这些合金元素就成为合金钢或合金铸铁。
1．钢的分类和用途
钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过1．00%时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。
硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
钢材的力学性能取决于钢材的成分和金相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。
2．铸铁的分类和用途
铸铁是含碳量大于2．11%的铁碳合金。
铸铁是应用最广泛的铸造材料。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。大部分机 械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的 重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁切削性能和铸造性能 优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
2．铸铁的分类和用途
铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，
磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，唯一有害的元素是硫。
铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。
（1）铸铁的分类。
按石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）四大类。
（2）工程中常用铸铁的性能特点
1）灰铸铁。灰铸铁包括普通灰铸铁、奥氏体灰铸铁、冷硬灰铸铁、耐磨灰铸铁、耐热灰铸铁和耐 蚀灰铸铁六种，灰铸铁价格便宜，应用非常广泛。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占 80%以上。
2）球墨铸铁。综合机械性能接近于钢。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻，并具有较好的耐疲劳强度。球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢。在实际工程中常用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。
3）蠕墨铸铁。强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。是一种新的铸铁材料，发展前景乐观。
4） 可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替破钢。这种铸铁有黑心可 锻铸铁、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁三种类型可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和 振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、处理工艺简单等优点。
（二）有色金属材料
有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。不同有色金属具有不同的优良性能，如钛合金的耐蚀性优于不锈钢；铜和铝的导电性明显高于铁合金；镍铬合金的比电阻较高，同时还有高的抗氧化性能和塑性，以及为零的电阻温度系数；铅具有高的抗X射 线和γ射线穿透能力。
2．工程中常用有色金属的性能和特点
（1）铝及铝合金
铝及铝合金在采用各种强化手段后可以达到与普通低合金钢相近的强度，而且其比强度要比普通钢高得多。铝及铝合金在电气工程、一般机械和轻工业中都 有广泛的用途。
铝合金是在铝中加入合金元素获得，具有较高强度，同时保持良好的加工性能。许多 铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。
根据成分及工艺特点，铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金塑性较 好，适于变形加工；铸造铝合金流动性较好，适于铸造生产。
铸造铝合金有四种。Al-Mg铸造铝合金强度高，密度小，有良好的耐蚀性，但铸造性能不佳，耐热性不良。多用于制造承受冲击荷载，以及在腐蚀性介质中工作的外形不太复杂的零件，如氨用泵体等。
（2）铜及铜合金
（3）镍及镍合金
镍及镍合金是用于化学、石油、有色金属冶炼、高温、高压、高浓度或混有不纯物等各种苛刻腐蚀环境的比较理想的金属材料。
（4）钛及钛合金
钛在高温下化学活性极高，在540℃以下使用；钛具有良好的低温性能，可做低温材料；常温下钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和碱溶液等介质中十分稳定。但在任何浓度的氢氟酸中将迅速溶解。
（5）铅及铅合金
铅在大气、淡水、海水中很稳定，铅对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等则有良好的耐蚀性。铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。
（6）镁及镁合金
比强度和比刚度可以与合金结构钢相媲美，镁合金能承受较大的冲击、振动荷载，并有良好的机械加工性能和抛光性能。其缺点是耐蚀性较差、缺口敏感性大及熔铸工艺复杂。

（一）复合材料组成、分类和特点
复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。基体相可以由树脂、金属和陶瓷等构成。基体相起粘结、保护增强相并把外加荷载造成的应力传递到增强相上去的作用，增强相是主要承载相，并起着提高强度（或韧性）的作用。工程上开发应用较多的是纤维增强复合材料。 
复合材料的分类
（1）按基体材料类型可分为树脂基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类
（2）按增强体类型可分为颗粒增强型、纤维增强型和板状增强型复合材料三大类。
（4）按增强纤维类型分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、
复合纤维复合材料和混杂纤维复合材料等。
复合材料特性具体表现在： 
（1）高比强度和高比模量。
（2）耐疲劳性高。
（3）抗断裂能力强。
（4）减振性能好。
（5）高温性能好，抗蠕变能力强。碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合，在空气中能耐1200～1400℃高温，要比所有超高温合金的耐热性高出100℃以上。 
（6）耐腐蚀性好。如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料，在含氯离子的酸性介质中能长期使用，可用来制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器和搅拌器等设备。
（7）较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性和耐蚀性。
（二）复合材料基体
常用的热塑性树脂主要有通用型和工程型树脂两类。
通用型主要品种有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。工程型则可作为结构材料使用，通常在特殊的环境中使用。一般具有优良的机械性能、耐磨性能、尺寸稳定性、耐热性能和耐腐蚀性能。主要品种有聚酰胺、聚甲醛和聚苯醚等。
（三）复合材料增强体
在纤维增强体中，玻璃纤维是应用最为广泛的增强体。 
（四）复合材料应用
（1）玻璃纤维增强聚酰胺复合材料可制造轴承、轴承架和齿轮等精密机械零件，还可以制造电工部件等。玻璃纤维增强聚丙烯复合材料可用来制造干燥器壳体等。
（2）碳纤维增强酚醛树脂-聚四氟乙烯复合材料，常用作各种机器中的齿轮、轴承等受载磨损零件，活塞、密封圈等受摩擦件，也用作化工零件和容器等。碳纤维复合材料用于热核反应装置中。
（3）石墨纤维增强铝基复合材料，制作涡轮发动机压气叶片。
（4）合金纤维增强的镍基合金，用于制造涡轮叶片。
（5）颗粒增强的铝基复合材料，制造的发动机活塞。
（6）塑料-钢复合材料。主要是由聚氯乙烯塑料膜与低碳钢板复合而成，其性能如下：
1）化学稳定性好，耐酸、碱、油及醇类侵蚀，耐水性好；
2）塑料与钢材间的剥离强度≥20MPa；
3）深冲加工时不剥离，冷弯120°不分离开裂（d=0）；
4）绝缘性能和耐磨性能良好；
5）具有低碳钢的冷加工性能；
6）在-10～60℃之间可长期使用，短时间使用可耐120℃。
（7）塑料-青铜-钢材三层复合材料。低碳钢为基体，青铜为中间层，塑料为表层。适用于尺寸精度要求高、无油或少油润滑的轴承、垫片、球座、涡轮叶片轴承、各种机车车辆和矿山机械轴承等。  
（8）塑料-铝合金。耐压、抗破裂性能好、质量轻，具有一定的弹性、耐温性能好、防紫外线、抗热老化能力强、耐腐蚀性优异，常温下不溶于任何溶剂，且隔氧、隔磁、抗静电、抗音频干扰。