1-1 机械材料的种类及分类

构成机器的材料统称为机器材料。机械材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料,如图1所示。金属材料分为钢和有色金属材料,非金属材料又分为无机材料和有机材料,进一步细分。

有色金属的主要成分是铝和铜及其合金,无机材料以陶瓷为主,有机材料以塑料为主。最近,也经常使用复合材料,它是多种材料的组合。

图1 机器材料分类

金属材料具有较好的可加工性和较高的强度,是最适合制造机械零件的材料。陶瓷和塑料用于机器零件的主要原因是它们比金属材料轻,如图 2 所示各种材料的密度。一些金属材料重量轻,如铝和钛,但在耐磨性和抗压强度方面与陶瓷相差甚远。此外,由于塑料比陶瓷轻,因此有望成为减轻产品和零件重量的材料。

图 2 各种材料的密度

但是,陶瓷易受冲击,塑料的机械强度和耐热性较差,因此作为机械零件使用受到很多限制。此外,如图3所示,显示了各种材料的热膨胀系数,陶瓷相对于使用过程中的温度变化的尺寸变化小于金属材料的尺寸变化,这对于作为机械部件是有利的。根据产品或部件的使用环境,可能不适用。此外,如图4所示,与金属材料和陶瓷相比,塑料的导热性非常差,因此容易因环境而变热,这是缺点之一。

图 3 各种材料的线膨胀系数

图 4 各种材料的热导率

精细陶瓷是由原料陶瓷颗粒精制而成,用于提高陶瓷的抗冲击性。精细陶瓷包括氧化物基氧化铝(Al 2 O 3)、氧化锆(ZrO 2)和非氧化物基氮化硅(Si 3 N 4)。

虽然当产品的轻量化是最优先考虑时使用塑料是最有效的,但由于如上所述的耐热性和机械强度问题,很难将其应用于机械部件。为了改善这些问题,开发了工程塑料(工程塑料),氟树脂(PTFE)、聚碳酸酯(PC)等应用案例不断增加。

 在提高机械性能(弹性模量等)方面,已开发出玻璃纤维和碳纤维增强的复合材料,并在小型船体和房屋设备等广泛领域得到应用。玻璃纤维增强塑料称为GFRP(Gass Fiber Reinforced Plasutics),碳纤维增强塑料称为CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plasutics),其需求量肯定会增加。

还开发了基于金属(主要是铝)的碳纤维和陶瓷颗粒的复合材料。碳纤维增强金属被称为CFRM(Carbon Fiber Reinforced Metal),这种情况下增强的目的是增加强度。另外,作为陶瓷粒子,使用Al 2 O 3等氧化物和SiC等碳化物,这种情况下的强化目的是提高耐磨性和耐热性。

作为选择金属材料、陶瓷和塑料的指南,表1总结了使用它们时比较的重要特性,因此请参考它们。

表1 金属材料、陶瓷、塑料的特性比较



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