第二节 常用金属材料

常用金属材料主要是指碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等，它们具有优良的性能，是工业上的主要材料，在国民经济中起着重要作用。

国家标准GB/T13304—91《钢分类》比较系统、详细地规定了钢的分类及表示方法。

组成金属材料的所有元素最基本的主要是铁Fe和碳C元素。根据金属材料中含碳的多少分类：C＜0.02%为工业纯铁；0.02%&lt；C&lt；2.11%为钢；C&gt；2.11%为铸铁。

对于工业纯铁，由于其机械性能都较差，工业上应用很少，主要是用于冶炼的原料，这里不作讲述。对于钢，根据其组成成分和机械性能不同，分为碳素钢和合金钢。下面先介绍碳素钢的组成成分、机械性能和编号等。

一、碳素钢

碳素钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。在碳素钢中，当含碳量小于1%时，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。但含碳量大于1%时，随着含碳量的增加，钢的硬度增加，但强度开始降低，所以工业上应用的碳素钢含碳量一般不超过1.4%。

碳素钢中除含有铁和碳两种主要元素外，还有硅、锰、磷等杂质。其中硅、锰等元素，随着其含量的增加，对碳钢的机械性能有较明显的改善，是有益的元素；对于硫和磷元素，由于其加入使碳钢会在高温下产生“热脆”和在低温下产生“冷脆”现象，降低碳钢的机械性能，是有害元素。所以钢的质量高低主要按硫、磷的含量而定。可分为普通、优质碳素钢等。

按照用途来分，钢材料可以分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等。

1.碳素结构钢

碳素结构钢是品种最多、使用量最大、用途最广、价格比较低廉的一类钢。凡是用于各种机器零件及各种工程结构的钢都称为结构钢。

普通碳素结构钢的硫、磷含量较高，多用于工程结构（扎制钢板、制造形材、工字钢、钢筋等），少部用于机械零件。碳素结构钢一般在正火状态下使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，也可通过热处理调整其力学性能。

普通碳素钢的牌号表示方法为：Q数字—字母1—字母2，其中“Q”表示屈服强度；“数字”表示屈服强度的大小（单位：MPa；注：1N/m²=1Pa，1MPa=1×10⁶Pa）；字母1表示钢材的质量等级A、B、C、D，其中A级为最高级；字母2表示冶炼钢材时的脱氧方法，F—沸腾钢，Z—镇静钢。例如Q235—B—F。

优质碳素结构钢的硫、磷含量较低，广泛用于较重要的机械零件。其牌号表示方法为：数字—字母1—字母2，其中数字表示钢材的含碳量，单位为0.01%；字母1表示冶炼钢材时的脱氧方法（F或Z）；字母2表示Mn、g、R、H等。优质碳素结构钢如20、30、45、50等，使用前一般都要进行热处理。

碳素钢的分类方法很多，按钢的含碳量分：

低碳钢——含碳量小于等于0.25%；

中碳钢——含碳量在0.25%～0.6%之间；

高碳钢——含碳量大于0.6%。

2.碳素工具钢

工具需要具有较高的硬度和耐磨性，所以碳素工具钢的含碳量较高。一般大于0.7%。碳素工具钢的编号是在“碳”（或“T”）的后面附以数字代表钢中平均含碳量，以0.1%为单位。例如，钢号碳12（或T12）表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。如果是高级优质碳素工具钢，则在数字后面附以“高”（或“A”），如碳12高（或T12A）等。

碳素工具钢的牌号有T7、T8、…、T13（T7A、T8A、…、T13A）等。钢号增大，含碳量增加，钢的硬度和耐磨性也增加，而韧性则下降。因此，T7、T8用于制造中等硬度、高韧性的工具，如冲头、錾子和锻工用具。T8～T11用于制造高硬度、中等韧性的工具，如钻头、丝锥等。T12、T13具有很高的硬度和耐磨性，但韧性差，用于制造量具、锉刀等。

碳素工具钢的耐热性差，当工作温度高于250℃后，硬度将大大降低，因此只适用于制造低速切削工具。

碳素结构钢虽然存在很多应用优点，价格低廉，在工业领域应用广泛，但对于特殊要求，如特殊、复杂结构零件的强度要求、钢材的淬透性等难以满足，必须采用其他性能更好的钢材，如合金钢等。

二、合金钢

为了满足某种性能要求，炼钢时特意加入一定数量的合金元素如Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等，这种钢称为合金钢。合金钢比碳素钢具有较高的强度、韧性和某些特殊性能，为了充分发挥合金元素的作用，合金钢一般都要经过热处理后才能使用。由于合金钢价格比较昂贵，常用于制造重要的机械零件和工具，以及要求具有特殊性能的零件。

合金钢的种类很多。按用途可分为：合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢（如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等）。

1.合金结构钢

这类钢包括普通低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。

合金结构钢的编号方法采用“数字+化学元素+数字”的表示方法：前面的数字代表钢中平均含碳量，以0.01%为单位；化学元素用汉字（或化学符号）表示；后面的数字代表该合金元素的平均含量，以1%为单位。当合金元素的平均含量少于1.5%时，编号中标明元素，一般不标明含量；当平均含量等于1.5%～2.5%、2.5%～3.5%、3.5%～4.5%、…，则相应以2、3、4、…表示。例如：含有0.37%～0.45%C、0.80%～1.10%Cr的铬钢，以40铬（或40Cr）表示；含有0.56%～0.64%C、1.50%～2.00%Si、0.60%～0.90%Mn的硅锰钢，以60硅2锰（或60Si2Mn）表示。若硫、磷含量较低的高级优质合金钢，则在符号的最后加“A”（或“高”）字。例如20Cr2Ni4A。

合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入一定量的合金元素而冶炼成的，具有较高的强度和较好韧性，经淬火处理后，有可能使零件截面上得到均匀一致的、良好的综合机械性能，从而保证零件能长期可靠使用。合金结构钢用于制造重要的工程结构和机器零件。

2.合金工具钢

合金工具钢按用途可分为：刃具钢、量具钢、模具钢。合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，区别在于平均含碳量等于或大于1%时不标出，小于%时则在钢号前用一位数字表示含碳量的0.1%。如9SiCr的平均含碳量为0.9%。

合金工具钢淬火容易淬透，变性小，工作温度在350℃以下能保持高的硬度和耐磨性。合金工具钢用于制造形状复杂、精度要求较高的模具和低速刀具。

3.特殊性能钢

特殊性能钢有不锈钢、耐热钢等。不锈钢是指具有抵抗空气、水、酸、碱等介质腐蚀能力的钢。不锈钢含有较多的铬、镍等合金元素，含碳量较低。常用的不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢。铬不锈钢的主要牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，用于制造汽轮机叶片、医疗器材和量具等。铬镍不锈钢的主要牌号有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等，通称18—9型不锈钢。此类不锈钢的耐腐蚀性、塑性、韧性均较Cr13钢好，无磁性，具有良好的可焊性，因此应用广泛。

三、铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。铸铁中硅、锰、硫、磷等杂质也比碳素钢中多。虽然铸铁的抗拉强度、塑性和韧性不如钢，无法进行锻造，但它具有优良的铸造性、减磨性和切削加工性等，而且熔炼简便，成本低廉，所以铸铁作为优良的铸铁材料，在工业中得到广泛应用。

1.白口铸铁

白口铸铁其中碳几乎全部以化合态存在，断口呈银白色，故称白口铸铁。其性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上很少用它来制造机械零件。

2.灰口铸铁

灰口铸铁其中碳主要以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。它是机械制造中应用最多的一种铸铁。其牌号由HT或（灰、铁两字的汉语拼音字首）和两组数字组成（如HT15—33等）。前一组数字表示最低抗拉强度，后一组数字表示最低抗弯强度。这类铸铁有一定强度，耐磨、耐压、减振性能均佳。

3.可锻铸铁

可锻铸铁中石墨呈团絮状。这种铸铁强度较高，韧性好。“可锻”仅说明可锻铸铁比灰口铸铁有良好的塑性，实际上不能锻造。其牌号由KT（“可铁”两字的汉语拼音字首）和两组数字组成（如KT35—10等）。前一组数字表示最低抗拉强度，后一组数字表示最低延伸率。可锻铸铁适用于制造一些截面薄、形状复杂、工作中受到振动而要求较高强度的零件。

4.球墨铸铁

球墨铸铁中石墨呈球状。其铸铁强度高，并有较好的塑性和韧性，具有自润滑和吸振性能。在一定程度上可以代替碳素钢来制造某些受力复杂、承受载荷大的零件，如曲轴、凸轮轴等。其牌号由QT（“球铁”两字的汉语拼音字首）和两组数字组成（如QT60-2等），前一组数字表示最低抗拉强度，后一组数字表示最低延伸率。