1.2 常用金属材料

常用金属材料主要指碳钢（非合金钢）、合金钢、铸铁、有色金属（非铁金属合金）等，它们具有优良的性能，是工业领域的主要材料，在国民经济中扮演着重要角色。

1.2.1 工业用钢

钢的性能好，价格低，品种多，规格全，并且可通过热处理改善其力学性能，是工业中用量最大的金属材料。

国家标准GB/T 13304—91《钢分类》是参照国际标准制定的。该标准比较系统、详细地规定了钢的分类及表示方法。钢按化学成分可分为非合金钢（碳钢）、低合金钢和合金钢（国际标准ISO 4948/1分为非合金钢和合金钢）；按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。

1.碳素钢

碳素钢（carbon steel）是指含碳量小于2.11%，含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。其中硅、锰是有益元素，对钢有一定的强化作用，磷、硫是有害元素，分别增加钢的冷脆性和热脆性，应严格控制。

碳素钢有结构钢和工具钢之分。结构钢是制造一般机械零件和工程结构所用的钢，按质量又分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。此外，结构钢还包括铸钢。

（1）普通碳素结构钢（简称普通碳钢）

普通碳钢中含碳量在0.06%～0.38%之间，有害元素磷、硫含量较高，不需经过热处理，价格便宜，在满足性能要求的情况下，应优先采用。这类钢大多轧制成板材、型材（圆、方、扁、工、槽、角钢等）及异型材（如轻轨等），用于房屋、桥梁、船舶等建筑结构或一些受力不大的机械零件。

普通碳钢牌号的表示方法是用屈服极限“屈”字拼音首字母Q和屈服极限数值等组成。例如，Q235表示屈服极限数值为235MPa的普通碳钢。

（2）优质碳素结构钢（简称优质碳钢）

优质碳钢中磷、硫及非金属夹杂物的含量较少，常用于制造需要经过热处理的各种较重要的机械零件。牌号用两位数字表示，该数字为平均含碳量的万分数。如45钢表示平均含碳量为0.45%。

优质碳钢中08F、10F含碳量低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冷冲压零件和焊接件，属于冷冲压钢。15、20、25钢属于渗碳钢，这类钢强度低，塑性、韧性较高，切削加工性和焊接性能很好，可制造各种受力不大但要求高韧性的零件，还可用做冷冲压件和焊接件。渗碳钢经渗碳淬火后，表面硬度可达60HRC以上，耐磨性好，而心部仍具有很好的韧性，常用于制造表面要求硬度高、耐磨，并承受冲击载荷的零件。30、35、40、45、50、55钢属于调质钢，经热处理后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性、韧性都较高的零件，如齿轮、套筒、轴类零件。60、65、70、75、80、85钢属于高碳钢，经过热处理可获得高的弹性极限和硬度，常用于制造弹簧、手工工具及耐磨零件等。

（3）铸钢

在重型机械、运输机械、冶金设备、国防工业中，许多形状复杂的零件很难用锻压等方法成型，用铸铁又不能满足性能要求，此时通常采用铸钢件，如变速箱体、轧钢机架、水泵体等。铸钢（cast steel）多采用碳素铸钢，当有特殊要求时也可采用合金铸钢。GB/T 11352-1989规定铸钢的牌号用“ZG”表示，后面的两组数字分别表示屈服极限和抗拉强度值，如ZG310-570。

（4）碳素工具钢

碳素工具钢的牌号用“T” 表示，后面的数字为平均含碳量的千分数。若为高级优质钢，则后面加注“A”，如T10A。此类钢含碳量在0.7%以上，经淬火和低温回火后有很高的硬度和耐磨性。一般T7、T8用于制造中等硬度、韧性稍高的工具，如冲头、錾子、木工工具等；T9、T10、T11用于制造高硬度、中等韧性的工具，如手用锯条、丝锥、板牙等，也可用做要求不高的模具；T12、T13具有高的硬度和耐磨性，但韧性低，用于制作量具、锉刀、钻头、刮刀等。

2.合金钢

为改善和提高钢的性能，在碳钢中加入一定量的合金元素便成为合金钢（alloy steel）。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、铜、钒、钛、稀土元素等。合金钢只有经过热处理，才能使合金元素发挥作用，使其力学性能和特殊性能得到显著提高。合金钢的品种繁多，按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。

1）合金结构钢

按其用途和热处理特点分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。除滚动轴承钢外，其余合金结构钢的牌号以钢中含碳量和所含合金元素的种类（元素符号）及含量表示，牌号的首部数字表示平均含碳量的万分数；合金元素符号后面的数字表示该合金元素平均含量的百分数，含量低于1.5%时其后数字可省略。滚动轴承钢是制造滚动轴承的专用钢，其牌号以“滚”或“G”和“元素符号+数字”表示，含碳量不标出，符号Cr后数字表示含铬量的千分数。例如，GCr15表示含Cr量为1.5%。

（1）合金渗碳钢

渗碳钢是指经渗碳淬火、回火后使用的钢，用于制造表面承受强烈摩擦，并承受动载荷的零件。这类零件要求材料表面具有高硬度，而心部具有较高强度和韧性。常用的合金渗碳钢有20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20MnVB、20Cr2Ni4等。

（2）合金调质钢

调质钢是指经调质处理（淬火加高温回火）后使用的钢，主要用于制造受力情况比较复杂的零件，如机器中传递动力的轴、连杆、齿轮等。这类零件要求具有良好的综合力学性能。常用的合金调质钢有40Cr、40MnVB、35CrMo、30CrMnSi、40CrMnMo、40CrNiMoA、30CrMnTi等。

（3）合金弹簧钢

弹簧在动载荷、交变应力的条件下工作，因此要求制作弹簧的材料具有高强度、高的疲劳极限，足够的塑性、韧性。

弹簧钢是专用结构钢，主要制造各种弹簧和弹性元件。弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。常用碳素弹簧钢有55Mn和65Mn；常用合金弹簧钢有50CrVA和60Si2Mn。

（4）滚动轴承钢

滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的内外圈及滚动体的专用钢，也可作为工具钢使用，用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。它具有高的接触疲劳强度、高的硬度、耐磨性、足够的韧性和淬透性。常用的滚动轴承钢有GCr9、GCrl5等。

2）合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素制成的，由于合金元素的加入，提高了热硬性、耐磨性，改善了热处理性能。合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，但含碳量用一位数字表示，即平均含碳量的千分数，当平均含碳量大于等于1%时，可省略。合金工具钢均属高级优质钢，牌号后不标“A”。

合金工具钢常用来制造各种刀具、量具和模具等，对应地有刃具钢、量具钢和模具钢之分。

3）特殊性能钢

特殊性能钢（especial property steel）是指在钢中加入某些合金元素达到一定程度后，钢的组织和性能将发生某种特殊变化，从而获得具有特殊性能的合金钢。例如，不锈钢、耐热钢及耐磨钢、超高强度钢、低温用钢、电工用钢等均属于这一类钢。

1.2.2 铸铁

铸铁（cast iron）是含碳量大于2.11%的铁碳合金。工业上常用的铸铁含碳量一般为2.5%～4%，与碳素钢相比，所含的碳和杂质较多，力学性能较差，不能锻造。但它具有优良的铸造性、减振性、耐磨性和切削加工性，而且成本低廉，生产设备和工艺简单，是机械制造中应用最多的金属材料。

根据碳在铸铁中存在形式的不同，常用铸铁有白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。

1.白口铸铁

白口铸铁中碳以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色，故称为白口铸铁。其性能硬而脆，极难切削加工。除制造一些要求表面有高硬度和耐磨的铸件，如冷铸车轮、轧辊等外，一般不用来制造机械零件，主要用做炼钢的原料。

2.灰铸铁

灰铸铁中的碳多以片状石墨形式存在，断口呈灰色，故称为灰铸铁。其性能硬而脆，它是铸铁中用量最大的一种，常用于制作受力不大，冲击载荷小，需要减振和耐磨的零件，如机床床身、机座、箱壳、阀体等。灰铸铁牌号由“HT”及数字组成，数字表示最低抗拉强度。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。常用的灰铸铁有HT150、HT200、HT350等。

3.可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁经可锻化退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。与灰铸铁相比，可锻铸铁具有较高的强度和一定的塑性、韧性，故称为可锻铸铁，实际上并不可锻。它常用来制造汽车、拖拉机的薄壳零件、低压阀门和各种管接头等。国家标准GB 9440—88和GB 5612—85规定，可锻铸铁分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁，其牌号分别由“KTH”、“KTZ”、“KTB”和两组数字组成。第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低伸长率。常用的可锻铸铁有KTH330-08、KTH370-12、KTZ650-02等。

4.球墨铸铁

球墨铸铁中石墨呈球状，球状石墨对基体组织的割裂作用和应力集中都大为减小，因而有较高的力学性能，抗拉强度甚至高于碳钢。它主要用于制造受力复杂，承受载荷大的零件，如曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮等。球墨铸铁的牌号由“QT”和两组数字组成。数字含义同可锻铸铁。如QT400-18表示最低抗拉强度为400MPa，伸长率为18%的球墨铸铁。常用的球墨铸铁有QT400-18、QT600-3、QT900-2等。

5.合金铸铁

在铸铁熔炼时有意加入一些合金元素如Mn、Cr、W、Cu和Mo等，制成合金铸铁（或称为特殊性能铸铁）。例如，在铸铁中加入磷、铬、钼、铜等元素，可得到具有较高耐磨性的耐磨铸铁；加入硅、铝、铬等合金元素，可得到耐热铸铁；加入铬、钼、铜、镍、硅等元素，可得到耐蚀铸铁。它们主要用于内燃机活塞环、水泵叶轮等耐磨、耐热、耐蚀的零件。

1.2.3 非铁金属及其合金

在工程上通常将钢铁材料以外的金属或合金统称为非铁金属或有色金属（nonferrous metal）。非铁金属具有某些特殊的物理、化学和力学性能，如钼、镁、钛等合金密度小，强度高，具有优异的耐腐蚀性能；铜具有优良的导电、导热、抗蚀、抗磁等性能。因此，非铁金属及其合金也是现代工业生产中不可缺少的重要工程材料。

1.铝及其合金

纯铝的特点是密度小，导电、导热性好，塑性好，抗大气腐蚀性好，但强度和硬度低。工业纯铝主要用于制造电线、电缆、散热器，强度要求不高的耐蚀器皿、用具等。

铝与硅、铜、锰、镁等合金元素组成的铝合金强度高，密度小，而且可通过热处理进一步提高强度，是轻质结构件的重要材料。铝合金按其工艺性能分为适合于压力加工的变形铝合金和适合于铸造的铸造铝合金两大类。

（1）变形铝合金

变形铝合金主要特性及用途如表1-1所示。

防锈铝合金主要是Al-Mg系和Al-Mn系合金，具有很好的抗蚀性，强度适中，塑性好。

硬铝是Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系合金，通过热处理可使强度达到低碳钢甚至中碳钢的水平。但耐蚀性比纯铝差，更不耐海洋大气的腐蚀，所以有些硬铝的板材在表面包一层纯铝后使用。主要用做航空工业中的一般受力件。

超硬铝合金属于Al-Cu-Mg-Zn系，在硬铝的基础上加锌而成，其强度高于硬铝，但耐蚀性较差。主要用做受力大的重要零件，如飞机大梁、加强框、起落架、螺旋桨叶片等。

锻造铝合金大多属于Al-Cu-Mg-Si系，力学性能与硬铝相近，但由于其热塑性较好，主要用于用压力加工方法如锻压、冲压成型的零件。

（2）铸造铝合金

铸造铝合金的塑性较差，一般不进行压力加工，只用于铸造成型。按照主要合金元素的不同，铸造铝合金分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四类。牌号用“ZL”加三位数字表示，其中，第一位数字表示合金类别，如1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系；后两位数字表示合金的顺序号。如ZL102表示2号硅铝系铸造铝合金。

Al-Si 系铸造铝合金具有良好的铸造性能和力学性能，是工业上应用最广的铸造铝合金，可用做内燃机活塞、汽缸体、汽缸套、风扇叶片、形状复杂的薄壁零件以及电动机、仪表的外壳等。

Al-Cu 系铸造铝合金强度高，加入镍、锰可进一步提高耐热性，用于制作高强度和高温条件下工作的零件。

Al-Mg 系铸造铝合金有良好的耐蚀性，可用做腐蚀介质条件下工作的铸件，如氨用泵体、泵盖及海轮配件等。

Al-Zn系铸造铝合金有较高强度，价格便宜，用于制造医疗器械、仪表等。

2.铜与铜合金

纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化铜膜后，外观为紫红色，俗称紫铜。由于纯铜用电解方法制造，又称为电解铜。纯铜具有很高的导电性、导热性和耐蚀性，塑性很好，又有一定的强度，易于压力加工。纯铜经冷塑性变形后，强度提高，但塑性下降。根据杂质含量不同，工业纯铜分为三种：T1、T2、T3。纯度为99.95%～99.7%，编号越大，纯度越低。由于纯铜强度低，不易用做结构零件，广泛地用于制造电线、电缆、电刷、铜管以及作为配置合金的原料。

铜合金按化学成分分为黄铜、青铜和白铜三大类。在机械生产中常用的是黄铜和青铜。

（1）黄铜

黄铜（brass）是指以铜和锌为主的合金。不含其他合金元素的黄铜为普通黄铜；含有其他合金元素的黄铜为特殊黄铜，如铅黄铜等。

压力加工用普通黄铜的牌号用“H+数字”表示，数字表示平均含铜量的百分数，如H70表示平均wCu=70%，含锌量约为30%的普通黄铜。常用普通黄铜有H80、H70、H62，其中，H80呈金黄色，可用做装饰品，有金色黄铜之称，有较好的力学性能和冷、热压力加工性能，在大气和海水中有较高的耐蚀性。H70强度高，塑性好，冷成形性能好，可用深冲压的方法制造弹壳、散热器、垫片等零件，有弹壳黄铜之称。因其铜锌质量之比为7∶3，也称为三七黄铜。H62有较高的强度，热状态下塑性良好，切削性能好，故又称为快削黄铜。此外，还具有易焊接、耐腐蚀和价格较便宜等优点，工业上应用较多，如用做散热器、油管、垫片、螺钉等。

特殊黄铜是在铜锌合金的基础上加入Al、Mn、Sn、Pb、Fe、Ni、Si等元素后形成的铜合金。这些合金元素的加入都能提高黄铜的强度，其中Sn、Al、Ni、Mn等还能提高其耐蚀性，铝能改善切削加工性和提高耐磨性。

特殊黄铜分为压力加工用和铸造用两种。压力加工用黄铜的牌号用“H+主加元素化学符号+数字”表示，数字依次表示铜和主加元素平均含量的百分数。如HPb59-1表示平均含Cu量为59%，含Pb量为1%，其余为锌的铅黄铜。

铸造用特殊黄铜的牌号与铸造用普通黄铜相同，在牌号后面依次加上加入元素的化学符号及平均含量的百分数。如ZCuZn40Pb2，表示平均含Zn量为40%，含Pb量为2%，其余为铜的铸造黄铜。

（2）青铜

青铜（bronze）原指铜锡合金，又叫锡青铜。但目前工业上应用的大量不含锡而含Al、Si、Pb、Be、Mn等的铜合金，统称为青铜或无锡青铜。

青铜分为压力加工和铸造用两种。压力加工青铜的牌号用“Q+主加元素符号+数字”表示，数字表示加入元素平均含量的百分数。如QSn4-3，表示平均含Sn量为4%，含Zn量为3%，其余为铜的锡青铜。铸造青铜的牌号用“ZCu+主加元素符号+数字”表示，如ZCuSn3Zn8Pb6Ni1，表示平均含Sn量为3%，含Zn量为8%，含Pb量为6%，含Ni量为1%，其余为铜的铸造锡青铜。

锡青铜是由铜和锡为主组成的铜合金，锡青铜具有良好的强度、硬度、耐蚀性和铸造性。它是有色合金中铸造收缩率最小的合金，适于铸造形状复杂，尺寸要求较严的零件，因而成为自古至今制作艺术品的合金。锡青铜的耐腐蚀性比纯铜和黄铜都高，耐磨性也很好，多用来制作耐磨零件（轴瓦、轴套、蜗轮）和与酸、碱、蒸汽等接触的零件。

与锡青铜和黄铜相比，铝青铜具有更高的强度，更好的耐蚀性、耐磨性，具有良好的流动性，可得到致密的铸件，是无锡青铜中用途最广泛的一种。铝青铜作为价格昂贵的锡青铜的代用品，常用来铸造承受重载的耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴套、船舶等零件。最常用的铸造铝青铜是ZCuAl10Fe3。