第4章 常用金属材料
一、内容提要
金属材料可分为黑色金属材料（主要指钢铁）和有色金属材料（又称非铁合金）。金属材料特别是钢铁材料仍将是21世纪最主要的结构材料，非铁合金中的铝、铜、镁、钛及其合金等也越来越发挥其重要应用。
1．工业用钢分类、牌号及常存杂质
工业用钢的常用分类方法如图1.4.1所示。
图1.4.1 工业用钢的常用分类
我国钢的牌号主要由三大部分结合组成：①化学元素符号，用来表示钢中所含化学元素种类，其中用“RE”表示钢中的稀土元素总含量；②汉语拼音字母，用来表示产品的名称、用途、冶炼方法等；③阿拉伯数字，用来表示钢中主要化学元素含量（质量百分数）或产品的主要性能参数或代号。有些钢种的钢号用简化形式标出。
我国工业用钢中，大多数结构钢和工具钢的编号有普遍规律，而特种钢则在某些部分有其自身规则。举例说明：
Q235C：碳素结构钢，Q代表钢的屈服强度，235表示屈服强度值（MPa）, C表示优质钢；
45号：优质碳素结构钢，45表示该钢平均含碳量的万分数（45‱）；
20Cr2Ni4A：渗碳钢，20表示该钢平均含碳量的万分数，Cr表示钢加有该元素，其后数字表示该元素平均含量的百分数，Ni表示钢加有该元素，其后数字表示该元素平均含量的百分数，A表示高级优质钢；
3 Cr2 W8V：热作模钢，3表示该钢平均含碳量的千分数（3‰）, Cr表示钢加有该元素，其后数字表示该元素平均含量的百分数，W表示钢加有该元素，其后数字表示该元素平均含量的百分数，V表示钢加有该元素，因该元素平均含量小于百分之二故不标出；
GCr1 5:G表示滚动轴承钢，Cr表示钢加有该元素，其后数字表示该元素平均含量的千分数。
除了铁、碳和合金元素外，还有一些钢在冶炼时因工艺要求和各种复杂反应带入其他元素（如Si、Mn、S、P、O、H等）、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物）等杂质。
合金元素在钢中的主要作用：①对钢中基本相的影响，如溶入铁素体起固溶强化；形成碳化物使钢的性能显著变化。②对铁碳相图的影响，如 Ni、Co、Mn等扩大奥氏体相区，当含量足够高时使钢在室温下呈单相奥氏体组织等。③对钢中相变过程的影响，如对钢加热时奥氏体化过程的影响；对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响；对淬火钢回火转变过程的影响。
表1-4-1为常用（典型）钢的主要“要素”小结。
表1-4-1 常用（典型）钢的主要“要素”小结
（续）
注：“使用状态下的主要组织”一栏中的符号“C”表示碳化物。
2．各类钢的主要要素
选用钢时，要熟悉钢的种类、大致成分、性能特点、强化方式、应用场合等，这样才能合理科学地选择钢的牌号，以满足零件的使用条件。
3．铸铁
铸铁是碳含量大于2.11%的多元铁碳合金，工业上常用铸铁的碳含量在2.5%～4.0%范围内。铸铁是机械工业中应用量最大的一种金属材料，它比其他金属材料便宜，冶炼工艺简单，其次，铸铁还具有钢材难以具备的性能，如良好的减振性、减摩性以及铸造工艺性和切削加工性，低的缺口敏感性等。
1）铸铁石墨化过程及其影响因素
在铁碳合金中，碳的存在形式主要有化合态（如Fe3C）和游离态（石墨）。由于 Fe3C为亚稳定相，在高温、长时间及含有Si元素等促进碳原子扩散、聚集的条件下，Fe3C会分解出稳定态的石墨（即Fe3C→3Fe+C）；或在较慢冷却速度下，因碳原子充分扩散，而直接从液态铁水或奥氏体中析出石墨，即石墨化。
影响石墨化的因素主要有：一是化学成分，促进石墨化的元素有 C、Si、Al等，这些元素含量越高，越利于石墨析出，阻碍石墨化的元素有 Cr、Mn、W、V等，这些元素含量高则有利于渗碳体析出；二是冷却速度，冷却速度越大，越不利于石墨化的进行。
2）铸铁的分类、（显微）组织、用途等
按碳的存在形式不同，铸铁分为白口铸铁（碳以渗碳体形式存在）和石墨型铸铁（碳主要以石墨形式存在）。白口铸铁因其极硬又脆，应用受到很大限制；通常所说的铸铁是指石墨型铸铁，石墨型铸铁根据石墨的形态分为灰（口）铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。
常用石墨型铸铁的特征见表1-4-2。
表1-4-2 常用铸铁的特征小结
4．有色金属（非铁金属）及其合金
有色金属材料种类繁多，具有很多黑色金属所不具备的特性，已成为现代工业生产中不可缺少的金属材料。
机械工业中应用较多是铝、铜及其合金，高纯度的纯铝（L）和纯铜（T）主要用作导电器材，其次用于配制合金。部分常用铝、铜及其合金的特性见表1-4-3。
表1-4-3 部分常用铝、铜及其合金的特性
其他常见的有色金属材料还有镁及镁合金、钛及钛合金、锌及锌合金等，如钛及其合金具有高的比强度、耐蚀性、高温及低温性能，是一种新型的结构材料，用钛合金可制造人造卫星外壳、火箭发动机壳体、宇宙飞船船舱等，在航空、宇航、造船、机械、化工等方面都有广阔的发展前景。
有色金属材料的编号无普遍规律，但同一类别有其自身的规则。
二、本章重点
（1）熟悉工业用钢的分类和编号方法；
（2）熟悉合金元素对钢的组织和性能的影响规律；
（3）掌握工业用钢、铸铁、有色金属材料的牌号识别及含义；
（4）熟悉铸铁的组织及性能特点；
（5）弄清铸铁的石墨化概念及其影响因素；
（6）掌握常用（典型）工业用钢、铸铁、有色金属的牌号、种类、性能特点、强化方式、应用场合等。