機械材料基礎知識

機械材料用于制造各類機械零件、構件的材料和在機械制造過程

中所應用的工藝材料。人類最先利用的材料是自然材料：石頭、木頭、

泥土、獸皮，發明火以后，可以使用陶器和瓷器，青銅是金屬材料的

最早使用，煉鐵和煉鋼豐富和發展了機械材料，鋼鐵是機械材料的主

要材料，提高鋼鐵等金屬材料的使用性能和加工性能是19世紀20世

紀21世紀材料專家的主要研究內容，非金屬材料，如高分子材料和

現代陶瓷是21世紀材料工作者的研究目標。

一、機械材料定義

機械材料是指用于制造各類機械零件、構件的材料和在機械制造

過程中所應用的工藝材料。

二、機械材料發展史

人類在同自然界的斗爭中，不斷改進用以制造工具的材料。最早

是用天然的石頭和木材制作工具，以后逐步發現和使用金屬。中國使

用金屬材料的歷史悠久，在兩千多年前的《考工記》中就有“金之六

齊”的記載，這是關于青銅合金成分配比規律最早的闡述。人類雖早

在公元前已了解金、銀、銅、汞、錫、鐵、鉛等多種金屬，但由于采

礦和冶煉技術的限制，在相當長的歷史時期內，很多器械仍用木材制

造或采用鐵木混合結構。直到1856年英國發明轉爐煉鋼法，1856?

1864年英國和法國發明平爐煉鋼以后，大規模煉鋼工業興起，鋼鐵

才成為最主要的機械材料。到20世紀30年代，鋁（見鋁合金）、鎂

（見鎂合金）等輕金屬逐步得到應用。第二次世界大戰后，科學技術

的進步促進了新型材料的發展，球墨鑄鐵、合金鑄鐵、合金鋼、耐熱

鋼、不銹鋼、銀合金、鈦合金和硬質合金等相繼形成系列并擴大應用。

同時，隨著石油化學工業的發展，促進了合成材料的興起，工程塑料、

合成橡膠和膠粘劑等在機械材料中的比重逐步提高。另外，寶石、玻

璃和特種陶瓷材料等也逐步擴大在機械工程中的應用。

三、機械材料分類

機械材料涉及面很廣，按屬性可分為金屬材料和非金屬材料兩大

類。金屬材料包括黑色金屬和有色金屬。有色金屬用量雖只占金屬材

料的5%,但因具有良好的導熱性、導電性，以及優異的化學穩定性

和高的比強度等，而在機械工程中占有重要的地位。非金屬材料又可

分為無機非金屬材料和有機高分子材料。前者除傳統的陶瓷、玻璃、

水泥和耐火材料外，還包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料

（見碳和石墨材料）等。后者除了天然有機材料如木材、橡膠等外，

較重要的還有合成樹脂（見工程塑料）。此外，還有由兩種或多種不

同材料組合而成的復合材料。這種材料由于復合效應，具有比單一材

料優越的綜合性能，成為一類新型的工程材料。

機械材料也可按用途分類，如結構材料（結構鋼）。工模具材料

（工具鋼）。耐蝕材料（不銹鋼）、耐熱材料（耐熱鋼）、耐磨材料

（耐磨鋼）和減摩材料等。由于材料與工藝緊密聯系，也可結合工藝

特點來進行分類，如鑄造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。

粉末冶金可以制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料，也可直接制

造各種精密機械零件，已發展成一類粉末冶金材料。

四、機械材料發展展望

機械產品的可靠性和先進性，除設計因素外，在很大程度上取決

于所選用材料的質量和性能。新型材料的發展是發展新型產品和提高

產品質量的物質基礎。各種高強度材料的發展，為發展大型結構件和

逐步提高材料的使用強度等級，減輕產品自重提供了條件;錘式破碎

機結構:錘式破碎機箱體,高性能的高溫材料、耐腐蝕材料為開發和利

用新能源開辟了新的途徑?，F代發展起來的新型材料有新型纖維材

料、功能性高分子材料、非晶質材料、單晶體材料、精細陶瓷和新合

金材料等，對于研制新一代的機械產品有重要意義。如碳纖維比玻璃

纖維強度和彈性更高，用于制造飛機和汽車等結構件，能顯著減輕自

重而節約能源。精細陶瓷如熱壓氮化硅和部分穩定結晶氧化錯，有足

夠的強度，比合金材料有更高的耐熱性，能大幅度提高熱機的效率，

是絕熱發動機的關鍵材料。還有不少與能源利用和轉換密切有關的功

能材料的突破，將會引起機電產品的巨大變革。

隨著科學技術的發展，尤其是材料測試分析技術的不斷提高，如

電子顯微技術、微區成分分析技術等的應用，材料的內部結構和性能

間的關系不斷被揭示，對于材料的認識也從宏觀領域進入微觀領域。

在認識各種材料的共性基本規律的基礎上，正在探索按指定性能來設

計新材料的途徑。

五、機械材料物理性能

區別在于含碳量碳素鋼：

a.低碳鋼(CW0.25%)；

b.中碳鋼(CW0.25P.60%)；

c.高碳鋼(C》0.60%)o

生鐵骯二(2~4.3%)工業純鐵其化學成分主要是鐵，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左右的優質碳素結構鋼。45鋼含碳量%0.45

的優質碳素結構鋼。T10A含碳量%1的工具鋼，ZG200-400指的是他

的屈服強度為200,抗拉強度為400,單位為(MP)的鑄鋼?；诣T鐵HT200

表ø30試樣的最低抗拉強度200MPao

六、機械材料性能

復合材料，是以一種材料為基體，另一種材料為增強體組合而成

的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材

料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基

體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦

及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。

增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、

石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。

退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的

保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平

衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織

準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果

同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也

有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液

等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼

件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當溫度

進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、

淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密

切，常常配合使用，缺一不可。

七、機械材料動力機械的發展

17世紀后期，隨著機械的改進，煤和金屬礦石需求量的增加，

只依靠人力和畜力已不能適應生產提高的要求，于是在18世紀初出

現了大氣式蒸汽機，用以驅動礦井排水泵。1765年，分開凝汽器蒸

汽機的發明，降低了燃料消耗率。1781年，回轉動力蒸汽機的發明,

擴大了蒸汽機的應用范圍。蒸汽機的發明和發展，促進礦業和工業生

產、鐵路和搬運機械動力化。幾乎成為19世紀唯一的動力源。但蒸

汽機及其鍋爐、凝汽器和冷卻水系統等體積龐大、笨重，應用不便。

19世紀末，電力供應系統和電動機開始發展和推廣。20世紀初，電

動機已在工業生產中取代了蒸汽機，成為驅動各種工作機械的基本動

力。發電站初期應用蒸汽機為原動機；20世紀初，出現了高效率、

高轉速、大功率的汽輪機，也出現了適應各種水力資源的大、小功率

的水輪機。19世紀后期發明的內燃機經過逐年改進，成為輕而小、

效率高、易于操縱并可隨時啟動的原動機。內燃機最初用于驅動沒有

電力供應的陸上工作機械，以后又用于汽車、移動機械（如拖拉機、

挖掘機械等）和輪船，20世紀中期開始用于鐵路機車。內燃機和以

后發明的燃氣輪機和噴氣發動機，還是飛機、航天器等成功發展的基

礎技術因素之一。

八、機械加工技術

工業革命以前，機械大都是由木工手工制成的木結構，金屬（主

要是鋼和鐵）僅用以制造儀器、鐘表、鎖、泵和木結構機械上的小型

零件。金屬加工主要靠機匠的精工細作以達到需要的精度。隨著蒸汽

機的廣泛使用以及隨之出現的礦山、冶金、輪船和機車等大型機械的

發展，需要成形加工和切削加工的金屬零件越來越多，所用金屬材料

由銅、鐵發展到以鋼為主。機械加工（包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處

理等技術及其設備以及切削加工技術和機床、刀具、量具等）迅速發

展，從而保證了發展生產所需要的各種機械裝備供應。同口寸，隨著生

產批量的增大和精密加工技術的發展，也促進了大量生產方法（零件

互換性生產、專業分工和協作、流水加工線和流水裝配線等）的形成。

九、基礎理論的發展

18世紀以前，機械匠師全憑個人經驗、直覺和手藝進行機械制

作，與科學幾乎無關。直到18?19世紀才逐漸形成圍繞機械工程的

基礎理論。動力機械最先與科學相結合，如蒸汽機的發明和瓦特應用

理論，在蒸汽機實踐的基礎上建立起一門新的學科一一熱力學等。19

世紀初，研究機械中機構結構和運動等的機構學第一次列為的課程。

從19世紀后半期起已開始設計計算考慮材料的疲勞。隨后斷裂力學、

實驗應力分析、有限元法、數理統計、電子計算機等相繼被用在設計

計算中。

十、服務領域

機械工程的服務領域很廣，凡使用機械、工具，以至能源和材料

生產的部門，無不需要機械工程的服務?，F代機械工程有5大服務領

域：

①、研制和提供能量轉換機械，包括將熱能、化學能、原子能、

電能、流體壓力能和天然機械能轉換為適合于應用的機械能的各種動

力機械，以及將機械能轉換為所需要的其他能量的能量變換機械。

②、研制和提供用以生產各種產品的機械，包括農、林、牧、漁

業機械和礦山機械以及各種重工業機械和輕工業機械等。

③、研制和提供從事各種服務的機械，如物料搬運機械，交通運

輸機械，醫療機械，辦公機械，通風、采暖和空調設備以及除塵、凈

化、消聲等環境保護設備等。

④、研制和提供家庭和個人生活用的機械，如洗衣機、電冰箱、

鐘表、照相機、運動器械和娛樂器械等。

⑤、研制和提供各種機械武器。

十一、材料選用

材料選用是機械設計中的重要環節之一，是完成設計的第一步

驟。材料選擇的原則主要有：使用性能原則、工藝性能原則和成本原

則。除此以外，有兩個新的原則也會逐漸成為選材的重要原則：可靠

性原則及資源、能源和環保原則。其中使用性能原則即正確選用材料

占有最重要的地位，它是保證零件正常工作和使用壽命所必需的，不

然就會發生零件失效或早期失效。這個原則是作為選材過程中選材的

切入點。

選擇材料可概括為五個步驟：

①分析零件對所選材料的性能要求及失效分析，包括分析零件的

工作條件，零件的強度、剛度、穩定性計算等。

②對可供選擇的材料進行篩選，現代工程材料分為金屬材料、陶

瓷材料、高分子材料和復合材料四大類。把所有的工程材料都當作選

擇對象，根據材料的性能要求進行篩選。

③對可供選擇的材料進行評價，在很多場合，使用系統分級和定

量的方法進行評價選擇更好。

④最佳材料的決定。

⑤零件所選材料的實際驗證。

十二、展望

機械工業是為國民經濟提供裝備的基礎工業，將隨著科學技術的

發展而產生變化。機電一體化，機電一體化技術和機電一體化產品的

統稱，是在機電產品中引入微電子元器件和技術之后形成的。機電一

體化技術又稱機械微電子技術，是機械工程、微電子技