常用的工程材料有金屬材料、工程陶瓷材料、工程塑料和復合材料。金屬有良好的塑性、導電、導熱；工程陶瓷質硬耐磨；工程塑料質輕耐腐蝕。各類材料間性能之所以有如此大的差異，主要由于它們的結合鍵類型是不同的(如金屬為金屬鍵，陶瓷為離子鍵或共價鍵…)，材料中的原子在固體中的排列方式也是不同的。金屬和陶瓷材料的原子在固體中具有三維規則重復排列結構，所以金屬和陶瓷材料均為晶體，塑料是不具有重復的三維排列原子的固體，塑料為非晶體。結合鍵類型和原子在固體中的排列方式決定了各類工程材料所具有的特性。
(1)金屬材料 金屬是由公有化的自由電子與各正離子間產生的強烈的靜電引力(金屬鍵)將金屬原子結合在一起。這種結合是比較強的，故金屬具有較高的強度；當一塊金屬晶體的兩部分發生相對位移時，金屬鍵不會受到破壞，因而能承受塑性變形而不斷裂，所以金屬有很好的延展性；由于公有化的自由電子在整個金屬中可以自由運動，故金屬還具有良好的導電性、導熱性。金屬的塑性變形是通過金屬晶體中的位錯(晶體中的一種線型缺陷)運動進行的。對金屬的晶體結構采取某種措施以阻止位錯運動，就可以使金屬得到強化，主要措施為：
1)添加其他元素組成合金(如鐵碳合金-鋼、鑄鐵；銅鋅合金-黃銅等)。
2)形變強化(如冷軋鋼板及冷拔鋼絲等)。
3)細晶強化。
4)沉淀第二相的熱處理(如硬鋁的時效處理等)。
5)由于溫度引起晶體結構的變化(如奧氏體淬火得到馬氏體)來進行強化。許多鋼可以在不硬狀態下進行成形和機械加工，然后再經過淬火硬化獲得高的強度和硬度。正是由于這種強金屬材料具有強度高，塑性、韌性好等優良的綜合力學性能。與其他材料相比，其耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性尚顯不足。
(2)工程陶瓷材料工程陶瓷是由人工制取的高純度化合物(氧化物、碳化物、氮化物等)粉料燒結而成。陶瓷的結合鍵是離子鍵或共價鍵，實際上往往是兩種鍵的混合。這決定了陶瓷材料的特性，破壞這種鍵需要很高的能量，故陶瓷熔點高、硬度高；有高的室溫和高溫強度；抗腐蝕性好；在外力作用下難以變形，塑性差，對缺口敏感，易發生脆性斷裂。在結合鍵中電子處于“受束縛”狀態，不能在晶體中自由運動，所以工程陶瓷是良好的電絕緣體。工程陶瓷可通過添加其他元素進行強化，但一般效果不大，某些陶瓷可以用改變晶體結構的方法進行強化，如六方氮化硼較軟，而立方氮化的硬度接近金剛石，是優良的耐磨材料。
(3)工程塑料 工程塑料是高分子合成材料，它是由重復的長鏈分子(由一些簡單有機物單體聚合而成)組成的物質。重復分子中的原子之間是共價鍵結合，而長鏈分子間的結合力是較弱的分子鍵結合，也有一定的數量的共價鍵交聯結合。這些長鏈分子在空間任意地或有規則地堆積而構成塑料。這種結合決定了塑料的特性，由于分子鍵很弱，故其彈性模量很低；沒有固定的熔點，軟化溫度稍高于室溫；在室溫下使用時也容易發生蠕變(在載荷不變的情況下隨時間的延長，變形不斷增加的現象)。
除結合鍵外，分子鏈的長度即單體的數目(以聚合度n表示)也明顯影響塑料的性能，強度隨聚合度增大而升高，而加工性能(模壓，注射成形等)隨聚合度增高而降低。商用塑料聚合度一般為10~10。同一種塑料的聚合度隨生產方法和加工工藝而異，因此它們的性能在很大范圍變化，這一點與金屬材料不同，不同工廠生產的同一牌號的金屬材料，它們的性能基本接近。
工程塑料具有優良的化學穩定性，對酸、堿均有良好的抗腐蝕性，良好的絕緣性，密度小，其不足之處是彈性模量小，熱膨脹系數大，易發生蠕變等。
(4)復合材料復合材料可以由金屬、陶瓷或高分子材料中任意兩者人工合成，也可以由兩種或多種金屬、陶瓷或高分子材料來制備，復合的范圍很廣。復合材料的最大優越性是它們的性能比其組成材料的性能好得多。例如，玻璃和樹脂的強度和韌度都不高，可是它們組成的復合材料(玻璃鋼)卻有很高的強度和韌度。但復合材料的價格高。金屬、陶瓷和塑料在性能上各有特性，各有其適合的應用范圍。了解它們的特點對合理選用材料和使用材料是十分重要的。各類材料的性能特點如表1-1所示。陶瓷硬度高、耐熱、耐
蝕，可用來制造高溫下工作的零件(如渦輪轉子)、刀具和某些耐磨的零件，但脆性大不適于制造重要的受力零件。塑料的密度小、有些塑料的摩擦因數小，減摩、耐磨性好，在機械工業中常用于制造輕載傳動齒輪、軸承和各種密封等，但塑料的強度、韌度低，目前尚不能制造重要的機械零件。比較起來，金屬具有最優良的綜合力學性能，可用于制造各種重要的機械零件。所以它仍是目前最重要的工程材料。
