機械工程材料

人類在同自然界的鬥爭中，不斷改進用以製造工具的材料。最早是用天然的石頭和木材製作工具，以後逐步發現和使用金屬。中國使用金屬材料的歷史悠久，在兩千多年前的《考工記》中就有“金之六齊”的記載，這是關於青銅合金成分配比規律最早的闡述。人類雖早在公元前已了解金、銀、銅、汞、錫、鐵、鉛等多種金屬，但由於採礦和冶鍊技術的限制，在相當長的歷史時期內，很多器械仍用木材製造或採用鐵木混合結構。

1856年英國人H.貝塞麥發明轉爐鍊鋼法，1856～1864年英國人K.W.西門子和法國人P.┵.馬丁發明平爐鍊鋼以後，大規模鍊鋼工業興起，鋼鐵才成為最主要的機械工程材料。到20世紀30年代，鋁（見鋁合金）、鎂（見鎂合金）等輕金屬逐步得到應用。第二次世界大戰後，科學技術的進步促進了新型材料的發展，球墨鑄鐵、合金鑄鐵、合金鋼、耐熱鋼、不鏽鋼、鎳合金、鈦合金和硬質合金等相繼形成系列並擴大應用。同時，隨著石油化學工業的發展，促進了合成材料的興起，工程塑料、合成橡膠和膠粘劑等在機械工程材料中的比重逐步提高。另外，寶石、玻璃和特種陶瓷材料等也逐步擴大在機械工程中的應用。

石器時代人類製造和使用的各種石斧、石錘和木質、皮質的簡單工具是後來出現的機械的先驅。幾千年前，人類已創製了用於穀物脫殼和粉碎的臼和磨，用於提水的桔槔和轆轤，裝有輪子的車，航行於江河的船及槳、櫓、舵等。所用的動力由人力發展到畜力、風力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等發展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷。製造陶瓷器皿的陶車，已是具有動力、傳動和工作3個部分的完整機械。鼓風器對人類社會發展起了重要作用。強大的鼓風器使冶金爐獲得足夠高的爐溫，得從礦石中煉取金屬。西周時期，中國就已有了冶鑄用的鼓風器。15～16世紀以前，機械工程發展緩慢。17世紀以後，資本主義商品經濟在英、法等國迅速發展，許多人致力於改進各產業所需要的工作機械和研製新的動力機械——蒸汽機。18世紀後期，蒸汽機的應用從採礦業推廣到紡織、麵粉和冶金等行業。製作機械的主要材料逐漸從木材改為金屬。機械製造工業開始形成，並逐漸成為重要產業。機械工程從分散性的、主要依賴匠師個人才智和手藝的技藝發展成為有理論指導的、系統的和獨立的工程技術。機械工程是促成18～19世紀的工業革命和資本主義機械大生產的主要技術因素。

機械工程材料涉及面很廣，按屬性可分為金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬材料包括黑色金屬和有色金屬。有色金屬用量雖只佔金屬材料的5%，但因具有良好的導熱性、導電性，以及優異的化學穩定性和高的比強度等，而在機械工程中佔有重要的地位。非金屬材料又可分為無機非金屬材料和有機高分子材料。前者除傳統的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料外，還包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料（見碳和石墨材料）等。後者除了天然有機材料如木材、橡膠等外，較重要的還有合成樹脂（見工程塑料）。此外，還有由兩種或多種不同材料組合而成的複合材料。這種材料由於複合效應，具有比單一材料優越的綜合性能，成為一類新型的工程材料。

機械工程材料也可按用途分類，如結構材料（結構鋼）。工模具材料（工具鋼）。耐蝕材料（不鏽鋼）、耐熱材料（耐熱鋼）、耐磨材料（耐磨鋼）和減摩材料等。由於材料與工藝緊密聯繫，也可結合工藝特點來進行分類，如鑄造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。粉末冶金可以製取用普通熔煉方法難以製取的特殊材料，也可直接製造各種精密機械零件，已發展成一類粉末冶金材料。

機械產品的可靠性和先進性，除設計因素外，在很大程度上取決於所選用材料的質量和性能。新型材料的發展是發展新型產品和提高產品質量的物質基礎。各種高強度材料的發展，為發展大型結構件和逐步提高材料的使用強度等級，減輕產品自重提供了條件；錘式破碎機結構：錘式破碎機箱體，高性能的高溫材料、耐腐蝕材料為開發和利用新能源開闢了新的途徑。現代發展起來的新型材料有新型纖維材料、功能性高分子材料、非晶質材料、單晶體材料、精細陶瓷和新合金材料等，對於研製新一代的機械產品有重要意義。如碳纖維比玻璃纖維強度和彈性更高，用於製造飛機和汽車等結構件，能顯著減輕自重而節約能源。精細陶瓷如熱壓氮化硅和部分穩定結晶氧化鋯，有足夠的強度，比合金材料有更高的耐熱性，能大幅度提高熱機的效率，是絕熱發動機的關鍵材料。還有不少與能源利用和轉換密切有關的功能材料的突破，將會引起機電產品的巨大變革。

隨著科學技術的發展，尤其是材料測試分析技術的不斷提高，如電子顯微技術、微區成分分析技術等的應用，材料的內部結構和性能間的關係不斷被揭示，對於材料的認識也從宏觀領域進入微觀領域。在認識各種材料的共性基本規律的基礎上，正在探索按指定性能來設計新材料的途徑。

區別在於含碳量碳素鋼：a.低碳鋼（C≤0.25%）；b.中碳鋼（C≤0.25~0.60%）；c.高碳鋼（C》0.60%）。

生鐵%c=（2~4.3%）工業純鐵其化學成分主要是鐵，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。

Q235A屈服值，在235左右的優質碳素結構鋼。45鋼含碳量%0.45的優質碳素結構鋼。T10A含碳量%1的工具鋼，ZG200-400指的是他的屈服強度為200,抗拉強度為400,單位為(MP）的鑄鋼。灰鑄鐵HT200表ø30試樣的最低抗拉強度200MPa。

複合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使複合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。複合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。

退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸採用不同的保溫時間，然後進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用於改善材料的切削性能，也有時用於對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高於室溫而低於710℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關係密切，常常配合使用，缺一不可。

機械工程：mechanical engineering，以有關的自然科學和技術科學為理論基礎，結合生產實踐中的技術經驗，研究和解決在開發、設計、製造、安裝、運用和修理各種機械中的全部理論和實際問題的應用學科。機械是現代社會進行生產和服務的五大要素（人、資金、能源、材料和機械）之一，並參與能量和材料的生產。

17世紀後期，隨著機械的改進，煤和金屬礦石需求量的增加，只依靠人力和畜力已不能適應生產提高的要求，於是在18世紀初出現了T.紐科門的大氣式蒸汽機，用以驅動礦井排水泵。1765年，J.瓦特發明了有分開凝汽器的蒸汽機，降低了燃料消耗率。1781年，瓦特又創製出提供迴轉動力的蒸汽機，擴大了蒸汽機的應用範圍。蒸汽機的發明和發展，促進礦業和工業生產、鐵路和搬運機械動力化。幾乎成為19世紀唯一的動力源。但蒸汽機及其鍋爐、凝汽器和冷卻水系統等體積龐大、笨重，應用不便。19世紀末，電力供應系統和電動機開始發展和推廣。20世紀初，電動機已在工業生產中取代了蒸汽機，成為驅動各種工作機械的基本動力。發電站初期應用蒸汽機為原動機；20世紀初，出現了高效率、高轉速、大功率的汽輪機，也出現了適應各種水力資源的大、小功率的水輪機。19世紀後期發明的內燃機經過逐年改進，成為輕而小、效率高、易於操縱並可隨時啟動的原動機。內燃機最初用於驅動沒有電力供應的陸上工作機械，以後又用於汽車、移動機械（如拖拉機、挖掘機械等）和輪船，20世紀中期開始用於鐵路機車。內燃機和以後發明的燃氣輪機和噴氣發動機，還是飛機、航天器等成功發展的基礎技術因素之一。

工業革命以前，機械大都是由木工手工製成的木結構，金屬（主要是鋼和鐵）僅用以製造儀器、鐘錶、鎖、泵和木結構機械上的小型零件。金屬加工主要靠機匠的精工細作以達到需要的精度。隨著蒸汽機的廣泛使用以及隨之出現的礦山、冶金、輪船和機車等大型機械的發展，需要成形加工和切削加工的金屬零件越來越多，所用金屬材料由銅、鐵發展到以鋼為主。機械加工（包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等技術及其設備以及切削加工技術和機床、刀具、量具等）迅速發展，從而保證了發展生產所需要的各種機械裝備供應。同時，隨著生產批量的增大和精密加工技術的發展，也促進了大量生產方法（零件互換性生產、專業分工和協作、流水加工線和流水裝配線等）的形成。

18世紀以前，機械匠師全憑個人經驗、直覺和手藝進行機械製作，與科學幾乎無關。直到18～19世紀才逐漸形成圍繞機械工程的基礎理論。動力機械最先與科學相結合，如蒸汽機的發明人T.薩弗里和瓦特應用物理學家D.帕潘和J.布萊克的理論，物理學家S.卡諾、W.J.M.蘭金和開爾文在蒸汽機實踐的基礎上建立起一門新的學科——熱力學等。19世紀初，研究機械中機構結構和運動等的機構學第一次列為高等工程學院（巴黎的工藝學院）的課程。從19世紀後半期起已開始設計計算考慮材料的疲勞。隨後斷裂力學、實驗應力分析、有限元法、數理統計、電子計算機等相繼被用在設計計算中。

機械工程的服務領域很廣，凡使用機械、工具，以至能源和材料生產的部門，無不需要機械工程的服務。現代機械工程有5大服務領域：

①、研製和提供能量轉換機械，包括將熱能、化學能、原子能、電能、流體壓力能和天然機械能轉換為適合於應用的機械能的各種動力機械，以及將機械能轉換為所需要的其他能量的能量變換機械。

②、研製和提供用以生產各種產品的機械，包括農、林、牧、漁業機械和礦山機械以及各種重工業機械和輕工業機械等。

③、研製和提供從事各種服務的機械，如物料搬運機械，交通運輸機械，醫療機械，辦公機械，通風、採暖和空調設備以及除塵、凈化、消聲等環境保護設備等。

④、研製和提供家庭和個人生活用的機械，如洗衣機、電冰箱、鐘錶、照相機、運動器械和娛樂器械等。

⑤、研製和提供各種機械武器。

材料選用是機械設計中的重要環節之一，是完成設計的第一步驟。材料選擇的原則主要有：使用性能原則、工藝性能原則和成本原則。除此以外，有兩個新的原則也會逐漸成為選材的重要原則：可靠性原則及資源、能源和環保原則。其中使用性能原則即正確選用材料佔有最重要的地位，它是保證零件正常工作和使用壽命所必需的，不然就會發生零件失效或早期失效。這個原則是作為選材過程中選材的切入點。

選擇材料可概括為五個步驟：①分析零件對所選材料的性能要求及失效分析，包括分析零件的工作條件，零件的強度、剛度、穩定性計算等。②對可供選擇的材料進行篩選，現代工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和複合材料四大類。把所有的工程材料都當作選擇對象，根據材料的性能要求進行篩選。③對可供選擇的材料進行評價，在很多場合，使用系統分級和定量的方法進行評價選擇更好。④最佳材料的決定。⑤零件所選材料的實際驗證。

機械工業是為國民經濟提供裝備的基礎工業，將隨著科學技術的發展而產生變化。機電一體化，機電一體化技術和機電一體化產品的統稱，是在機電產品中引入微電子元器件和技術之後形成的。機電一體化技術又稱機械微電子技術，是機械工程、微電子技術、信息處理技術等多種技術融合成的一種系統技術。機電一體化產品是運用機電一體化技術設計、生產的一種帶有軟、硬體系統的多功能的單機或成套裝置，通常由機械本體、微電子裝置、感測器和執行機構等組成。機電一體化技術涉及的學科有機械工程（如機構學、機械加工和精密技術等）、電工與電子技術（如電磁學、計算機技術和電子電路等）、共性技術（如系統技術、控制技術和感測器技術等）。機電一體化產品主要有商品生產用（如機器人、自動生產線和工廠等）、商品流通用（如數控包裝機械及系統、微機控制交通運輸機具和數控工程機械設備等）、商品貯存銷售用（如自動倉庫、自動稱量和銷售及現金處理系統等）、社會服務性（如自動化辦公機械和醫療及環保等自動化設施等）和家庭、科研、農林牧漁、航空航天及國防等用的機電一體化產品。機電一體化使機械工業的技術結構、產品結構、功能和構成、生產方式和管理體系等發生巨大變化。

機械工程與人類生存環境工程技術的發展在提高人類物質文明和生活水平的同時，也對自然環境起破壞作用。20世紀中期以來，最突出的問題是資源，尤其是能源的大量消耗和對環境的污染。未來，機械新產品的研製將以降低資源耗費，發展純凈的再生能源，治理、減輕以至消除環境污染作為重要任務。