常用的工程材料有金屬材料、工程陶瓷材料、工程塑料和復(fù)合材料。金屬有良好的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱；工程陶瓷質(zhì)硬耐磨；工程塑料質(zhì)輕耐腐蝕。各類材料間性能之所以有如此大的差異，主要由于它們的結(jié)合鍵類型是不同的(如金屬為金屬鍵，陶瓷為離子鍵或共價鍵…)，材料中的原子在固體中的排列方式也是不同的。金屬和陶瓷材料的原子在固體中具有三維規(guī)則重復(fù)排列結(jié)構(gòu)，所以金屬和陶瓷材料均為晶體，塑料是不具有重復(fù)的三維排列原子的固體，塑料為非晶體。結(jié)合鍵類型和原子在固體中的排列方式?jīng)Q定了各類工程材料所具有的特性。

(1)金屬材料 金屬是由公有化的自由電子與各正離子間產(chǎn)生的強(qiáng)烈的靜電引力(金屬鍵)將金屬原子結(jié)合在一起。這種結(jié)合是比較強(qiáng)的，故金屬具有較高的強(qiáng)度；當(dāng)一塊金屬晶體的兩部分發(fā)生相對位移時，金屬鍵不會受到破壞，因而能承受塑性變形而不斷裂，所以金屬有很好的延展性；由于公有化的自由電子在整個金屬中可以自由運動，故金屬還具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。金屬的塑性變形是通過金屬晶體中的位錯(晶體中的一種線型缺陷)運動進(jìn)行的。對金屬的晶體結(jié)構(gòu)采取某種措施以阻止位錯運動，就可以使金屬得到強(qiáng)化，主要措施為：

1)添加其他元素組成合金(如鐵碳合金-鋼、鑄鐵；銅鋅合金-黃銅等)。

2)形變強(qiáng)化(如冷軋鋼板及冷拔鋼絲等)。

3)細(xì)晶強(qiáng)化。

4)沉淀第二相的熱處理(如硬鋁的時效處理等)。

5)由于溫度引起晶體結(jié)構(gòu)的變化(如奧氏體淬火得到馬氏體)來進(jìn)行強(qiáng)化。許多鋼可以在不硬狀態(tài)下進(jìn)行成形和機(jī)械加工，然后再經(jīng)過淬火硬化獲得高的強(qiáng)度和硬度。正是由于這種強(qiáng)金屬材料具有強(qiáng)度高，塑性、韌性好等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。與其他材料相比，其耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性尚顯不足。

(2)工程陶瓷材料工程陶瓷是由人工制取的高純度化合物(氧化物、碳化物、氮化物等)粉料燒結(jié)而成。陶瓷的結(jié)合鍵是離子鍵或共價鍵，實際上往往是兩種鍵的混合。這決定了陶瓷材料的特性，破壞這種鍵需要很高的能量，故陶瓷熔點高、硬度高；有高的室溫和高溫強(qiáng)度；抗腐蝕性好；在外力作用下難以變形，塑性差，對缺口敏感，易發(fā)生脆性斷裂。在結(jié)合鍵中電子處于“受束縛”狀態(tài)，不能在晶體中自由運動，所以工程陶瓷是良好的電絕緣體。工程陶瓷可通過添加其他元素進(jìn)行強(qiáng)化，但一般效果不大，某些陶瓷可以用改變晶體結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行強(qiáng)化，如六方氮化硼較軟，而立方氮化的硬度接近金剛石，是優(yōu)良的耐磨材料。

(3)工程塑料 工程塑料是高分子合成材料，它是由重復(fù)的長鏈分子(由一些簡單有機(jī)物單體聚合而成)組成的物質(zhì)。重復(fù)分子中的原子之間是共價鍵結(jié)合，而長鏈分子間的結(jié)合力是較弱的分子鍵結(jié)合，也有一定的數(shù)量的共價鍵交聯(lián)結(jié)合。這些長鏈分子在空間任意地或有規(guī)則地堆積而構(gòu)成塑料。這種結(jié)合決定了塑料的特性，由于分子鍵很弱，故其彈性模量很低；沒有固定的熔點，軟化溫度稍高于室溫；在室溫下使用時也容易發(fā)生蠕變(在載荷不變的情況下隨時間的延長，變形不斷增加的現(xiàn)象)。

除結(jié)合鍵外，分子鏈的長度即單體的數(shù)目(以聚合度n表示)也明顯影響塑料的性能，強(qiáng)度隨聚合度增大而升高，而加工性能(模壓，注射成形等)隨聚合度增高而降低。商用塑料聚合度一般為10~10。同一種塑料的聚合度隨生產(chǎn)方法和加工工藝而異，因此它們的性能在很大范圍變化，這一點與金屬材料不同，不同工廠生產(chǎn)的同一牌號的金屬材料，它們的性能基本接近。

工程塑料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，對酸、堿均有良好的抗腐蝕性，良好的絕緣性，密度小，其不足之處是彈性模量小，熱膨脹系數(shù)大，易發(fā)生蠕變等。

(4)復(fù)合材料復(fù)合材料可以由金屬、陶瓷或高分子材料中任意兩者人工合成，也可以由兩種或多種金屬、陶瓷或高分子材料來制備，復(fù)合的范圍很廣。復(fù)合材料的最大優(yōu)越性是它們的性能比其組成材料的性能好得多。例如，玻璃和樹脂的強(qiáng)度和韌度都不高，可是它們組成的復(fù)合材料(玻璃鋼)卻有很高的強(qiáng)度和韌度。但復(fù)合材料的價格高。金屬、陶瓷和塑料在性能上各有特性，各有其適合的應(yīng)用范圍。了解它們的特點對合理選用材料和使用材料是十分重要的。各類材料的性能特點如表1-1所示。陶瓷硬度高、耐熱、耐

蝕，可用來制造高溫下工作的零件(如渦輪轉(zhuǎn)子)、刀具和某些耐磨的零件，但脆性大不適于制造重要的受力零件。塑料的密度小、有些塑料的摩擦因數(shù)小，減摩、耐磨性好，在機(jī)械工業(yè)中常用于制造輕載傳動齒輪、軸承和各種密封等，但塑料的強(qiáng)度、韌度低，目前尚不能制造重要的機(jī)械零件。比較起來，金屬具有最優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，可用于制造各種重要的機(jī)械零件。所以它仍是目前最重要的工程材料。