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(jià)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)一塊金屬晶體的兩鄙分發(fā)生相對(duì)位移時(shí),金屬鍵不會(huì)受到破壞,因前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(gè)金屬中可以自由運(yùn)動(dòng),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(guò)金屬晶體中的位錯(cuò)(晶體中的一種線型缺陷)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。對(duì)金屬的晶體結(jié)構(gòu)采取某種措施以阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),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(shí)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(lái)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)械拋光機(jī)加工,然后再經(jīng)過(guò)淬火硬化獲得高的強(qiáng)度和硬度。正是由于這種強(qiáng)化機(jī)制才使鋼得到如此廣泛的應(yīng)用。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(jià)鍵,實(shí)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(diǎn)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(duì)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(yùn)動(dòng),所以工程陶瓷是良好的電絕緣體。
 

　　工程陶瓷可通過(guò)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,而立方氮化硼的硬度接近金剛石,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(zhǎng)鏈分子(由一些簡(jiǎn)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(jià)鍵結(jié)合,而長(zhǎng)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(jià)鍵交聯(lián)結(jié)合。這些長(zhǎng)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(diǎn),軟化溫度稍高于室溫;在室溫下使用時(shí)也容易發(fā)生蠕變(在載荷不變的情況下隨時(shí)間的延長(zhǎng),變形不斷增加的現(xiàn)象)。
 

　　除結(jié)合鍵外,分子鏈的長(zhǎng)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10~105。同-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(diǎn)與金屬材料不同,不同工廠生產(chǎn)拋光機(jī)的同一牌號(hào)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(duì)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(lái)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(jià)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(diǎn)對(duì)合理選用材料和使用材料是十分重要的。陶瓷硬度高、耐熱、耐蝕,可用來(lái)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(dòng)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(lái),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。