浅谈机械工程材料的展望

浅谈机械工程材料的展望××县中等职业技术学校陈××摘要：近年来，随着科学技术的发展，许多新型非金属机械工程材料进入我们的生产和生活，并且在性能和作用上体现出出乎意料的的优越性。机械工程材料有金属材料、高分子材料、复合材料、陶瓷材料。关键词：金属材料高分子材料复合材料陶瓷材料机械工程材料是指用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料。人类最先利用的材料是自然材料中的石头、木头、泥土、兽皮，发明火以后，可以使用陶器和瓷器，青铜是金属材料的最早使用，炼铁和炼钢丰富和发展了机械材料，钢铁是机械材料的主要材料，提高钢铁等金属材料的使用性能和加工性能是19世纪至21世纪材料专家的主要研究内容，非金属材料，如高分子材料和现代陶瓷是21世纪材料工作者的研究目标。一、机械工程材料简史人类在同自然界的斗争中，不断改进用以制造工具的材料。最早是用天然的石头和木材制作工具，以后逐步发现和使用金属。中国使用金属材料的历史悠久，在两千多年前的《考工记》中就有“金之六齐”的记载，这是关于青铜合金成分配比规律最早的阐述。人类虽早在公元前已了解金、银、铜、汞、锡、铁、铅等多种金属，但由于采矿和冶炼技术的限制，在相当长的历史时期内，很多器械仍用木材制造或采用铁木混合结构。直到1856年英国人塞麦发明转炉炼钢法，1856～1864年德国人西门子和法国人马丁发明平炉炼钢以后，大规模炼钢工业兴起，钢铁才成为最主要的机械工程材料。到20世纪30年代，铝（铝合金）、镁（镁合金）等轻金属逐步得到应用。第二次世界大战后，科学技术的进步促进了新型材料的发展，球墨铸铁、合金铸铁、合金钢、耐热钢、不锈钢、镍合金、钛合金和硬质合金等相继形成系列并扩大应用。同时，随着石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起，工程塑料、合成橡胶和胶粘剂等在机械工程材料中的比重逐步提高。另外，宝石、玻璃和特种陶瓷材料等也逐步扩大在机械工程中的应用。二、机械工程材料的分类机械工程材料涉及面很广，按属性可分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑色金属和有色金属。有色金属用量虽只占金属材料的5%，但因具有良好的导热性、导电性，以及优异的化学稳定性和高的比强度等，而在机械工程中占有重要的地位。非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。前者除传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料外，还包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料等。后者除了天然有机材料如木材、橡胶等外，较重要的还有合成树脂。此外，还有由两种或多种不同材料组合而成的复合材料。这种材料由于复合效应，具有比单一材料优越的综合性能，成为一类新型的工程材料。机械工程材料也可按用途分类，如结构材料（结构钢）。工模具材料（工具钢）。耐蚀材料（不锈钢）、耐热材料（耐热钢）、耐磨材料（耐磨钢）和减摩材料等。由于材料与工艺紧密联系，也可结合工艺特点来进行分类，如铸造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。粉末冶金可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，也可直接制造各种精密机械零件，已发展成一类粉末冶金材料。三、机械工程材料的发展方向机械产品的可靠性和先进性，除设计因素外，在很大程度上取决于所选用材料的质量和性能。新型材料的发展是发展新型产品和提高产品质量的物质基础。各种高强度材料的发展，为发展大型结构件和逐步提高材料的使用强度等级，减轻产品自重提供了条件;锤式破碎机结构:锤式破碎机箱体,高性能的高温材料、耐腐蚀材料为开发和利用新能源开辟了新的途径。现代发展起来的新型材料有新型纤维材料、功能性高分子材料、非晶质材料、单晶体材料、精细陶瓷和新合金材料等，对于研制新一代的机械产品有重要意义。如碳纤维比玻璃纤维强度和弹性更高，用于制造飞机和汽车等结构件，能显著减轻自重而节约能源。精细陶瓷如热压氮化硅和部分稳定结晶氧化锆，有足够的强度，比合金材料有更高的耐热性，能大幅度提高热机的效率，是绝热发动机的关键材料。还有不少与能源利用和转换密切有关的功能材料的突破，将会引起机电产品的巨大变革。随着科学技术的发展，尤其是材料测试分析技术的不断提高，如电子显微技术、微区成分分析技术等的应用，材料的内部结构和性能间的关系不断被揭示，对于材料的认识也从宏观领域进入微观领域。在认识各种材料的共性基本规律的基础上，正在探索按指定性能来设计新材料的途径。四、机械工程材料的展望（一）金属材料依然在材料家族占有统治地位金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。金属材料具有力学性能全面，可靠性高，使用安全；有良好的温度使用范围；良好的工艺性能；储量丰富，适合大规模应用。尤其是新型金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。（二）高分子材料在当今世界乃至未来的世纪都充当着举足重轻的角色高分子材料在当今世界乃至未来的世纪都充当着举足重轻的角色，尤其是在在开发新型替代能源方面,在节约资源、能源和保护生态环境方面更是发挥着不可替代的作用。新时代的高分子材料更是与各行各业紧密不可分，科学家将在更多方面探究高分子材料，与时代低碳节能的生活呼应，高分子材料与产品也会越来越适应这时代的主题。天然高分子是生命起源和进化的基础。过去一开始使用天然高分子材料，再后来高分子材料也只是用在很低劣的加工技术合成产品，使用率不高，虽然在各个行业，生活各处应用广泛，当今社会日新月异，无论是对高分子材料还是加工技术都要求很高，高分子材料更像多功能方向发展，技术也要越来越成熟与节能。而且也在回收利用的方面也有很高要求。在现在高分子材料在国民经济中与钢铁、木材、水泥一起并称为四大基础材料，被认为是推动社会生产力房展的新型材料，现在已被用在各行各业的生产。相比传统的金属件，高性能的塑料件具有成本低、重量轻、可塑性强、原材料渠道多样化、可替换性强等诸多优点。目前世界不少轿车的塑料用量已经超过每辆120千克，个别车型还要高，德国高级轿车用量已经达到每辆300千克。国内一些轿车的塑料用量已经达到每辆200千克。可以预见，随着汽车轻量化进程的加速，塑料在汽车中的应用将更加广泛。高分子材料在国防、航天、航天科技领域和医学领域也有重要地位。（三）现代高科技的发展离不开复合材料复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。（四）陶瓷材料在特殊行业和领域有着广泛的应用陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。最常用的氮化物陶瓷为氮化硅和氰化硼。氮化硅陶瓷具有很高的硬度，有自润滑作用，摩擦系数小，耐磨性好，抗氧化能力强，抗热振性大大高于其他陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸以外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融有色金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能及低的热膨胀性。其中，由热压烧结法制成的氮化硅陶瓷的强度、韧性都高，主要用于制造形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。由反应烧结法制成的氮化硅陶瓷工艺性好，硬度较低，用于制造形状复杂、精度要求高的零件以及用于要求耐磨、耐蚀、耐热、绝缘等场合，如泵密封环、热电偶保护套、高温轴承、增压器转子、缸套、活塞环、电磁泵管道和阀门等。氮化硅陶瓷还是制造新型陶瓷发动机的重要材料。