在机械设计中，材料的选择直接决定了零件的强度、寿命、加工成本与整体性能。以下从金属材料与非金属材料两大类出发，对常用材料进行系统介绍。

一、金属材料

金属材料是目前机械设计中用量最大、应用最广泛的一类材料，具有良好的导电性、导热性、延展性，且可通过热处理大幅调整性能。按组成可分为黑色金属（铁及铁合金）和有色金属（非铁金属）两大类。

（一）黑色金属

1. 碳素结构钢

碳素结构钢是机械设计中最基础、最经济的钢种，含碳量一般在0.04%～1.7%之间。

Q235A是最常用的普通碳素结构钢，具有高的塑性、韧性和焊接性能，广泛用于一般要求的零件和焊接结构，如拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、支架、机座等。

45钢是最常用的优质中碳调质钢，综合力学性能良好，但淬透性较低。经调质处理后，主要用于制造强度较高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞、轴、齿轮、齿条、蜗杆等。35钢强度适当、塑性较好，是各种标准件和紧固件的常用材料，适于制造曲轴、杠杆、连杆等承受较大载荷的小截面零件。

2. 合金结构钢

当碳素钢的性能无法满足要求时，需在钢中加入铬、锰、镍、硅、钼、钨等合金元素以改善其性能。

40Cr是使用最广泛的合金结构钢之一。经调质处理后具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度和较低的缺口敏感性，淬透性良好。调质后用于制造中速、中载的机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴等；调质并高频表面淬火后，可用于制造表面高硬度、耐磨的齿轮、主轴、曲轴、连杆等；经淬火及中温或低温回火后，可制造重载、耐磨的蜗杆、滑块、套环等零件。65Mn是常用的弹簧钢，适用于制造各种扁圆弹簧、座垫弹簧、离合器簧片、刹车弹簧等。

3. 不锈钢

0Cr18Ni9（304不锈钢） 是最具代表性的不锈耐热钢，无磁性，耐腐蚀性能优良，广泛应用于食品设备、一般化工设备和原子能工业设备等。

4. 铸铁

铸铁含碳量大于2.11%，具有良好的铸造性、耐磨性和切削加工性，生产简单、价格便宜，适合制造形状复杂的零件。按石墨形态可分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。

HT150（灰铸铁） 是最常用的铸铁牌号之一，石墨呈片状存在，具有良好的工艺性能和机械性能，典型应用包括齿轮箱体、机床床身、箱体、液压缸、泵体、阀体、飞轮、气缸盖、带轮、轴承盖等。球墨铸铁的石墨呈球状，强度和韧性显著优于灰铸铁，牌号如QT400-17，可用于制造强度要求更高的零件。

5. 模具钢

Cr12是一种应用广泛的冷作模具钢，属高碳高铬莱氏体钢，具有较好的淬透性和良好的耐磨性，多用于制造受冲击负荷较小的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模等。

（二）有色金属

1. 铝合金

铝合金比重约为2.7 g/cm³，仅为铁的约35%，同时具备良好的导电性、导热性和出色的铸造性与加工性，可在常温及高温下进行轧制、拉丝和冲压。

Al-Cu系合金（硬铝） 强度可达470 MPa，耐热性好，适合制作高负荷零件如飞机材料和结构件，但焊接性较差。Al-Mg系合金具备中等强度的耐腐蚀性、成形性和焊接性，广泛用于船舶、车辆和机械零件。Al-Mg-Si系合金通过T6处理可获得较高耐力，是热处理型耐腐蚀合金，适用于一般机械零件。

2. 铜及铜合金

铜的导电性、导热性极强，且具有反磁性。纯铜（紫铜） 导电性最优，用于电线、散热板等。黄铜（铜锌合金） 是铜合金中强度最大的，延展性好，用于冲孔弯曲零件和仪表盘；添加铅后改良了切削性，适合阀门等需切削加工的零件。

二、非金属材料

非金属材料在机械设计中主要用于密封、减震、绝缘、耐腐蚀、轻量化等场合，许多性能是金属材料无法替代的。

（一）工程塑料

工程塑料指可作为结构材料用于工程结构中的塑料，具有较好的机械性能和加工稳定性，且耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、绝缘性优于通用塑料。

尼龙（PA） 韧性好、机械强度高、耐磨，但易吸水变形。聚碳酸酯（PC） 透明、冲击强度高，常用于需要透明和抗冲击的场合。聚甲醛（POM） 具有优越的机械性能和尺寸稳定性，摩擦系数低，特别适合制造齿轮、轴承等耐磨传动零件。这些工程塑料在机械领域可用于盖板、手柄、管接头、套筒、密封环、隔膜、电线电缆包覆等。

工程塑料的局限在于耐热温度较低（一般低于150℃）、机械强度低于金属、易变形。

（二）橡胶

橡胶是具有高弹性的线性高分子材料，弹性模量很低，变形量通常可达100%～1000%，一般在-40℃至80℃范围内保持高弹性。除高弹性外，橡胶还具有良好的耐磨、隔音和绝缘性能，在机械设计中主要用于密封（如O形密封圈）、减震（如防振橡胶衬套）和传动（如传动带）等场合。橡胶的性能受温度影响较大，通常需通过硫化处理来稳定其性能。

（三）陶瓷

陶瓷材料具有极高的硬度（如氧化铝陶瓷莫氏硬度为9）、优良的抗磨损性和耐高温、耐腐蚀特性。

在机械设计中，陶瓷主要用于制造刀具（如氧化铝陶瓷刀具、氮化硅陶瓷刀具，加工淬硬钢时寿命可达硬质合金刀具的数十倍）、轴承（混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承）以及模具、拉丝模、挤压模等。此外，结构陶瓷还应用于陶瓷发动机、陶瓷装甲等高温或高磨损工况。

（四）复合材料

复合材料由两种或两种以上化学本质不同的材料通过人工合成形成，具有轻质、高强、可设计性强等优点。碳纤维增强复合材料（CFRP） 是机械设计中应用最广的复合材料之一，其比强度和比刚度远优于钢材和铝合金。

在机械工程中，CFRP已用于直升机减速器机匣的轻量化设计（减重达21.8%）、机器人机械臂的混合结构设计、高压液压缸的复合结构设计以及气垫船轴系等。复合材料的主要优势在于显著减轻结构重量，同时提高刚度和疲劳寿命。

三、材料选择的基本原则

机械设计中材料选择需综合考虑三个维度的因素：

使用性能原则是首要依据，即材料必须满足零件在工作条件下的力学性能（强度、硬度、韧性、疲劳强度）、物理性能和化学性能（耐腐蚀、耐高温等）要求。

工艺性能原则要求材料具有良好的铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性能，以适应既定的制造工艺。

经济性原则是重要约束，应选择性能价格比高的材料。在满足使用要求的前提下，能用铁不用钢，能用型材不用锻件，能正火使用的零件不必调质处理，以降低材料和加工成本。

总体而言，金属材料（尤其是钢铁材料）凭借其优异的综合力学性能和成熟的加工工艺，仍是机械设计中最主要的结构材料；非金属材料则在密封、减震、绝缘、耐磨、轻量化等特定功能需求中发挥着金属材料难以替代的作用。科学选材需要在性能、工艺和成本之间取得最优平衡。

四、对上述的总结（方便快速浏览）

1、黑色金属

材料 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 经济性
Q235A 强度低，屈服≥235 MPa；塑性、韧性好；不耐磨 密度约7.85 g/cm³；铁磁性；导热一般 耐蚀性差，易生锈 铸造、锻造、焊接、切削加工性好；不可热处理强化 低
45钢 调质后综合力学性能好；强度、硬度较高；淬透性低；耐磨一般 密度约7.85 g/cm³；铁磁性；导热一般 耐蚀性差，易锈 切削性尚可；焊接性差；可调质、表面淬火 中
35钢 强度适当，塑性、韧性较好；适合小截面承载件 密度约7.85 g/cm³；铁磁性；导热一般 耐蚀性差 锻造、切削较好；焊接性一般；可正火、调质 中
40Cr 调质后综合力学性能好；疲劳强度高；缺口敏感性低；淬透性较好 密度约7.85 g/cm³；铁磁性；导热一般 耐蚀性差 切削性中等；焊接性差；可调质+高频表面淬火 较高
65Mn 弹性极限高；屈强比高；耐磨、疲劳性能好 密度约7.85 g/cm³；铁磁性；导热一般 耐蚀性差 切削性尚可；焊接性差；淬火+中温回火；需防脱碳、过热 较高
0Cr18Ni9（304） 强度较低；塑性、韧性好；加工硬化明显；无磁 密度约7.93 g/cm³；导热较差；无磁或弱磁 耐蚀、耐热性优良 冷加工、焊接性好；切削性差；不可淬火强化 高
HT150（灰铸铁） 强度低，脆性大；抗压高于抗拉；减震、耐磨较好 密度约7.2～7.4 g/cm³；导热差；减震好；铁磁性较弱 耐蚀性一般，易生锈 铸造性极好；切削性好；焊接性差；不可锻造 低
QT400-17（球墨铸铁） 强度较高，韧性好；疲劳性能较好；耐磨 密度约7.1～7.4 g/cm³；减震好；铁磁性 耐蚀性一般 铸造性好；切削性好；可热处理；焊接性一般 中
Cr12（模具钢） 高硬度、高耐磨；淬透性好；抗压高；韧性一般 密度约7.7 g/cm³；导热差；铁磁性 耐蚀性一般；抗氧化性一般 锻造、热处理要求高；切削性差；磨削较好 较高

2、有色金属材料

材料 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 经济性
铝合金 Al-Cu 系（硬铝） 强度可达约470 MPa；耐热较好；塑性中等 密度约2.7～2.8 g/cm³；导热、导电好；无磁 耐蚀性较差，常需包铝或阳极氧化 可热处理强化；切削较好；焊接性差 中高
铝合金 Al-Mg 系 中等强度；塑性好；耐蚀、焊接性好；可加工硬化 密度约2.6～2.7 g/cm³；导热、导电好；无磁 耐蚀性优良，尤其耐海水 一般不可热处理强化；冷加工强化；焊接性好 中高
铝合金 Al-Mg-Si 系 中等强度；T6处理后强度较高；塑性好 密度约2.7 g/cm³；导热、导电好；无磁 耐蚀性好 可热处理强化；挤压、焊接、切削性好 中高
纯铜（紫铜） 强度低；塑性极高；导电、导热极好 密度约8.9 g/cm³；导电导热极优；反磁性 耐蚀性好；易氧化变暗 冷热加工性好；焊接好；切削性差 高
黄铜（铜锌合金） 强度高于纯铜；延展性好；耐磨 密度约8.4～8.7 g/cm³；导电导热较好；无磁 耐蚀性一般；有脱锌、应力腐蚀倾向 铸造、冷热加工好；加铅后切削性好；焊接一般 较高

3、非金属材料

材料 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 经济性
尼龙 PA 韧性好；强度高；耐磨、自润滑 密度约1.0～1.15 g/cm³；绝缘；导热低；耐温一般＜100～120℃ 耐油、耐溶剂一般；耐酸碱一般；易吸水变形 注塑、挤出好；可切削；成型前需干燥 中
聚碳酸酯 PC 冲击强度高；刚性好；耐蠕变；透明 密度约1.2 g/cm³；绝缘；透明；导热低；耐温约120℃ 耐稀酸；不耐强碱和部分溶剂；易应力开裂 注塑、挤出好；可切削；需干燥 中高
聚甲醛 POM 强度、刚性高；尺寸稳定；摩擦系数低；耐磨、耐疲劳 密度约1.4 g/cm³；绝缘；导热低；耐温约100～120℃ 耐化学性较好；耐溶剂一般 注塑好；切削好；成型收缩较大 中高
橡胶 高弹性；低模量；变形可达100%～1000%；耐磨、减震、隔音 密度约0.9～1.5 g/cm³；绝缘；导热低；一般耐温-40～80℃ 耐老化性差；耐油性视种类而定 硫化成型；可粘接；切削性一般 低中
陶瓷 硬度极高；抗压高；脆性大；抗热震性差 密度约3～4 g/cm³；绝缘；耐高温；导热差或各向异性 耐腐蚀、抗氧化性极好 难加工，主要靠烧结、磨削；成本高 高
碳纤维增强复合材料 CFRP 比强度、比刚度高；疲劳性能好；轻质；各向异性；层间剪切弱 密度约1.5～1.6 g/cm³；碳纤维导电；导热各向异性；耐温受树脂限制 耐腐蚀较好；树脂可能老化 铺层、模压、缠绕成型；加工难；连接需特殊工艺 很高

总体规律：黑色金属强度高、成本低、工艺成熟，但耐蚀和轻量化不足；有色金属轻质、导电导热好，但价格较高；非金属材料在密封、减震、绝缘、耐磨、耐腐蚀和轻量化方面优势突出，但耐热、强度或加工性往往存在局限。