第三节 工程材料
材料是人类一切生产活动和生活活动的物质基础，是人类发展和进步的标志。在当今社会，材料、能源和信息已成为现代科学技术的三大支柱。
工程材料是指制造工程结构和机器零件使用的材料总称。工程材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料。常用的工程材料归纳为：
一、金属材料
金属材料是现代制造中应用最广泛的工程材料，特别是钢铁材料的应用更为广泛。
1.金属材料的性能
金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料制成的零件或产品在使用过程中所表现出来的性能。它包括物理性能、化学性能和机械性能。工艺性能是指金属材料在加工过程中所表现出的难易程度。
金属材料的物理、化学性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、导磁性及耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。它与零件或产品的用途密切相关，对制造工艺也有影响。
金属材料的机械（力学）性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、刚度、硬度、韧性和疲劳强度等。它是机械产品及零部件选材、设计的基本依据，对机械产品及零部件的性能、质量、加工的工艺性及成本有着重要影响。硬度是机械制造现场最经常使用的机械性能指标，用它可大致评价其他机械性能指标，且操作简单、成本低、不破坏产品零件。硬度值常用布氏硬度HB （HBS和HBW）和洛氏硬度HRC表示。
金属材料的工艺性能一般包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。它决定着金属材料的加工制造工艺方法、设备工装、生产效率及成本效益，有时甚至会影响产品零件的设计。
2.常用的钢铁材料
钢和铸铁是以铁、碳为主要成分的合金，又称铁碳合金。含碳量小于或等于2.11%的铁碳合金称为钢；含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。
碳素结构钢主要用于制造各种工程构件如桥梁、船舶、建筑用钢和机械零件如齿轮、轴、螺栓等。这类钢属于低碳钢（含碳量小于0.25%）和中碳钢（含碳量为0.25%～0.6%）。常用的牌号有Q215、 Q235钢和40、 45钢。
碳素工具钢主要用于制造各种刀具、模具、量具等。这类钢属于高碳钢（含碳量大于0.6%）。常用的牌号有T8、 T10、 T10A和T12等。
合金结构钢主要用于制造承受载荷较大或截面尺寸大的重要机械零件。常用的牌号有低合金结构钢（Q345、 Q390）、调质钢（40Cr、 35 CrMo）、弹簧钢（65Mn、60Si2Mn）和滚动轴承钢（GCr15、 GCr15SiMn）等。
合金工具钢主要用于制造各种刀具、模具、量具等。常用的牌号有刃具钢（9SiCr、 CrWMn、 W18Cr4V）、模具钢（Cr12、、 Cr12MoV、 5CrMnMo）和用于制造量具的CrWMn、 GCr15等。
特殊性能钢具有特殊的物理、化学性能，用于制造有特殊性能要求的零件。常用的牌号有不锈钢（1Cr18Ni9、 2Cr13）、耐热钢（15CrMo、 4Cr9Si2）等。
灰铸铁广泛用于制造各种承受压力和要求消振性好的床身、底座、箱体等。常用的牌号有HT150、 HT200、 HT300等。
球墨铸铁可代替碳素结构钢用于制造一些载荷较大、受力复杂的重要零件，如曲轴、连杆齿轮等。常用的牌号有QT400—18、 QT500—7、 QT600—3、 QT800—2等。
二、非金属材料
非金属材料包括金属材料以外的几乎所有的材料，工程上常用的是高分子材料和陶瓷材料。
高分子材料在机械工业上应用广泛的是塑料和橡胶。塑料广泛用于工、农业和日常生活的各个方面，常制作工程结构、机器零件、工业容器和设备等，如齿轮、轴承、仪表外壳、把手、阀门和化工容器。橡胶广泛用于制作轮胎、动静态密封件（如旋转轴密封、管道接口密封件）、减震防震件（如机座减震垫片、汽车底盘橡胶弹簧）、传动件（如三角胶带、传动滚子）、运输胶带、管道、制动件和电线、电缆、电工绝缘材料等。
陶瓷是无机非金属材料，当前常用的制造工艺是粉末冶金法。陶瓷在机械工业中主要用于制造有耐高温、高耐磨、耐蚀等性能要求的零件，如内燃机火花塞、发动机的叶片、切削高硬度材料的刃具等，也可用作绝缘材料、半导体材料和压电材料。
三、复合材料
复合材料是将两种或两种以上物理、化学性质及力学性能不同的材料，用人工的方法使其均匀结合而成的一种性能优良的材料。材料复合后，可改善和克服单一材料的弱点，充分发挥其优点，并能得到单一材料难以达到的性能和功能，因此它愈来愈引起人们的关注，应用也愈来愈广泛，成为一类新型的工程材料。
复合材料一般是由强度低、韧性好的材料作基体， 由强度高、脆性大的材料作增强相组成的。常用的增强材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属颗粒、陶瓷颗粒、金属板片等，常用的基体材料有树脂（塑料）、橡胶、金属、陶瓷等。如玻璃钢是由玻璃纤维与树脂（塑料）复合成的；硬质合金是由金属碳化物粉末与金属粉末复合成的；双金属片是由黄铜片与铁片复合成的。
目前发展最快、应用最广的是纤维复合材料。