金属材料及其适用范围的分析介绍

工业上把金属材料分为两大类:一类是黑色金属，黑色金属包括工业用钢和铸铁；另一类就是有色金属，有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其它们的合金。

1.工业用钢

工业用钢是金属材料中使用最广泛、用量最大的，在现代机械生产中占有及其重要的地位。按照国标，碳钢是指以铁为主要元素、碳的质量分数一般在2%以下，并含有硅、锰、硫、磷等其他元素的金属材料。合金钢是在碳钢的基础上有意加入一种或几种合金元素而得到的以铁为基的铁碳合金，从而改善碳钢的使用性能和工艺性能或得到某种特殊的性能。碳钢成分简单，加工制造廉价，有较好的力学性能和加工性能，被广泛应用。合金钢由于加入合金元素的作用，从而使其具有特殊的性能，可在重要或某些特殊场合得到应用，但合金钢价格要比碳钢高。

工业用钢种类繁多，分类方法也很多，可以按照钢的化学成分、用途、质量等级、冶炼方法等进行分类。工业用钢按照用途大致可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。

(1)结构钢

①碳素结构钢:碳素结构钢主要用来制造要求不高的各种工程构件和机器零部件。这类碳钢中碳的质量分数一般为0.06%～0.38%，对性能要求，硫、磷等杂质的含量限制较宽，价格便宜，应用广泛。碳素结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。

②优质碳素结构钢:优质碳素结构钢在热处理后，主要用于制造比较重要的机械零件。这类钢含硫、磷等有害杂质比较少，塑性、韧性都要比碳素结构钢好。常用的优质碳素结构钢有08F、08、10、15、30、40、45、50、55、65、65Mn、70等。

③普通低合金结构钢:普通低合金结构钢是指在冶炼过程中加入合金元素不超过5%的钢材，这类钢的含碳量比较低，一般为0.18%～0.20%，以少量的Mn为主加元素。普通低合金钢具有较高的屈服强度、良好的塑性、韧性以及焊接性能，用来制作大型结构，可以节约钢材，广泛地应用于制造桥梁、船舶、建筑、锅炉、车辆、输油输气管道、高压容器等。常用的普通低合金钢有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500等。

④渗碳钢:渗碳钢是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢，这类钢主要是低碳碳素结构钢和低碳合金结构钢，碳素渗碳钢中碳的质量分数一般在0.1%～0.2%，而合金渗碳钢中碳的质量分数为0.10%～0.25%，主要用于制造表面要求承受高接触应力、高耐磨性和冲击载荷的机器零件。这类零件通常要求表面具有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和接触疲劳破坏，而心部具有较高的韧性，以承受冲击载荷，如汽车的变速齿轮、活塞销等。常用的渗碳钢有20Mn、20Mn2、20Cr、40Cr、40Mn、20CrMnTi、40CrMn等。

⑤调质钢:调质钢是指经过淬火加高温回火的调质处理后，得到的具有优良综合力学性能的钢，这类钢主要是中碳碳素结构钢和中碳合金结构钢，钢中碳的质量分数一般在0.25%～0.50%。经过调质处理后，钢的组织为回火索氏体，组织均匀性好。这类钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性。主要用于具有良好综合力学性能的重要零件，如发动机炼钢、曲轴、机床主轴等。常用的调质钢有45、40Mn、40Cr、40Mn2、40MnB、30CrMnSi等。

⑥弹簧钢:弹簧钢就是用来制造弹簧的钢材，这类钢的碳质量分数一般在0.6%～0.9%之间。弹簧是通用性基础零件，广泛地应用于各种机械和仪表中。弹簧的基本功能是利用材料的弹性和弹簧的结构特点，长期来进行功能转换的，因此弹簧钢必须要有高的抗拉强度、高的屈服强度、高的疲劳极限、高的弹性极限和高的屈强比，从而保证弹簧有足够的弹性变形能力。除此之外，弹簧钢还要有较好的塑性和韧性、一定的淬透性和不易脱碳，以便于加工。常用的弹簧钢有55Si2Mn、60Si2Mn等。

⑦滚动轴承钢:滚动轴承在工作时，实际承受载荷的面积很小，这就会产生很大的交变接触应力和极大的摩擦力，因此滚动轴承的主要失效形式有接触疲劳、磨损和腐蚀。这就要求滚动轴承钢有较高的接触疲劳强度、硬度和耐磨性，还要有足够的韧性和良好的淬透性以及稳定性。

滚动轴承钢一般是指高碳铬钢，它的碳质量分数一般在0.95%～1.15%。常用的滚动轴承钢有GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMn等。

(2)工具钢　工具钢是指用来制造各种加工工具、模具、量具和其他工具的钢。工具钢大多都具有高硬度、高耐磨性的性能，工具钢只有具有足够的硬度才能进行切削加工，而高耐磨性则是保证工具有足够的使用寿命。

①碳素工具钢:碳素工具钢中碳的质量分数比较高，一般为0.65%～1.35%。经过淬火、回火处理后钢的硬度比较高、耐磨性好，韧性、塑性比较差且无热硬性，而且淬透性低，综合力学性能比较差。所以一般用于制造各种低速切削的刀具、量具和模具。常用的碳素工具钢有T7、T8、T8Mn、T10、T11、T12等。

②低合金工具钢:低合金工具钢的碳质量分数一般为0.75%～1.50%。低合金工具钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性、淬透性，还有一定的强度、塑性、韧性和热硬性，综合力学性能优于碳素工具钢，弥补了碳素工具钢性能不足。所以低合金工具钢可以用于制造尺寸较大、形状复杂、性能要求较高的各种道具。常用的低合金工具钢有9CrSi、9Mn2V、CrWMn等。

③高速工具钢:高速工具钢用于制造高速切削的刀具，钢中合金的含量比较高，是一种具有优良热硬性的工具钢。高速工具钢中碳的质量分数高达0.7%～1.5%，因为具有良好的热硬性，所以当切削温度高达600°时刀具的硬度仍无明显下降，它是金属切削刀具的主要材料。高速工具钢又被称为“锋钢”“风钢”。

高速工具钢除了具有高的热硬性，还具有高淬透性、高硬度和高耐磨性，可以在高速切削时保持切削刃锋利，所以高速工具钢常用于制造尺寸大、形状复杂、工作温度高、耐磨性和韧性很好的高速切削刀具。常用的高速工具钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

④模具钢:模具钢是指用于制造各种模具的钢，模具钢根据使用性质分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢中碳的质量分数大多在1.0%以上，有时甚至高达2.0%，而热作模具钢中碳的质量分数一般为0.5%～0.6%。冷作模具钢一般都有高硬度、高耐磨性、高强度、高淬透性以及良好的韧性性能，热作模具钢的使用性能是要求具有高温强度、高温硬度、高的热塑变抗力，也就是高温稳定性，除此之外，还要有良好的热硬性、导热性和抗热疲劳性等。常用的冷作模具钢有Cr12、Cr12MoV等，常用的热作模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MnSiV等。

⑤量具钢:量具钢是指用来制造各种测量工具的钢，如游标卡尺、千分尺、量块等。这类钢属于高碳钢，碳质量分数一般在0.9%～1.5%，以保证量具钢的高硬度和高耐磨性。量具钢除了要具有高硬度和高耐磨性的性能外，还应具有高的尺寸稳定性，热变形小，保证量具形状和尺寸的稳定，以及良好的韧性和加工工艺性。常用的量具钢有20钢、T10A、T11A、20Cr、CrWMn、GCr15、40Cr13、95Cr18等。

(3)特殊性能钢　特殊性能钢是指具有特殊物理性能和化学性能的钢，机械制造中常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。

①不锈钢:不锈钢是指在腐蚀性介质中不被腐蚀或腐蚀极慢的钢。不锈钢的碳含量范围很宽，质量分数为0.03%～0.95%之间，从耐腐蚀的角度考虑，含碳量越低越好，所以大多数的不锈钢中碳的质量分数一般在0.1%～0.2%。常用的不锈钢有12Cr13、20Cr13、12Cr18Ni9、06Cr18Ni9、10Cr17等。

②耐热钢:耐热钢是指在高温下工作，具有耐热性的钢。耐热钢有两种:热稳定钢和热强钢。热稳定钢是指在高温下有较好的抗氧化或抗高温介质腐蚀的钢；热强钢是指在高温下有较高强度，能够抵抗蠕变和断裂的钢。耐热钢中碳的质量分数一般为0.1%～0.2%。常用的耐热钢有15CrMo、12Cr1MoV、12Cr13Mo、20Cr13、12Cr18Ni9Ti、06Cr19Ni10等。(www.xing528.com)

③耐磨钢:耐磨钢是指用于制造高耐磨性，在强烈冲击载荷作用下能产生硬化的钢。最重要的耐磨钢是高锰钢。耐磨钢的含碳量和含锰量都很高，碳的质量分数一般为1.00%～1.30%，锰的质量分数一般为11 %～14%，高锰钢容易产生加工硬化，只有在经过固溶处理全部变成奥氏体组织时才能呈现出良好的韧性和耐磨性。常用的耐磨钢有ZG120Mn13、ZG120M13Cr2等。

2.铸铁

铸铁是指碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，还含有硅、锰、硫、磷等杂质元素，有时还含有一些其他合金元素及杂质。铸铁和钢的主要区别就在于铸铁的含碳量、硅量、硫、磷等杂质较高。

铸铁的基体组织和石墨的数量、形状、大小及分布特点是决定铸铁力学性能的主要因素。铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比钢的差，但铸铁的切削加工性能、铸造性能好，且由于石墨的存在，使得铸件有很好的减摩性和耐磨性，同时铸铁还有很好的减震性能。铸铁加工简单，生产成本低廉，因此铸铁被广泛地应用于制造机械设备、冶金、交通、建筑等部门。

铸铁的分类方法繁多，可根据铸铁中所含石墨形态的不同进行分类，常用的铸铁可分为以下几种。

(1)灰铸铁　灰铸铁中的碳大部分或者全部是以片状石墨形式存在的，因断裂时断口呈灰色所以称为灰铸铁。灰铸铁的碳质量分数大多在2.7%～3.8%，灰铸铁的组织是由片状石墨和金属基体组成的，这类铸铁具有一定的力学性能和良好的可加工性，虽然其力学性能不高，但铸造性能优良，价格低廉，还具有减振、耐磨、缺口敏感性小等特点，是机械工业上应用最多的铸铁。

(2)球墨铸铁　球墨铸铁是指在浇注铁液之前向其中加入球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理，处理后得到的大部分石墨呈球状的铸铁。球墨铸铁中碳的质量分数较高，一般在4.5%～4.7%，由于球墨铸铁中的石墨呈球状，对金属基体的削弱比较小，强度接近于碳钢。所以球墨铸铁有较高的强度，良好的塑性、韧性和铸造性能，综合力学性能要比灰铸铁好得多。由于球墨铸铁有比较好的力学性能，所以球墨铸铁在汽车、机床、机械工业、管道等方面得到广泛的应用。有时还可代替碳钢制造受力复杂、强度、韧性、耐磨性要求高的机械零件。

(3)蠕墨铸铁　与球墨铸铁相似，蠕墨铸铁是指经过蠕化处理和孕育处理得到的大部分石墨呈蠕虫状的铸铁。这类铸铁的化学成分一般为:WC＝3.5%～3.9%，WSi＝2.2%～2.8%，WMn＝0.4%～0.8%，WS≤0.1%，WP≥0.1%。蠕墨铸铁中的石墨状态介于片状和球状之间，所以蠕墨铸铁的力学性能介于片状和球状铸铁之间，抗拉强度、屈服强度、弯曲疲劳强度等要比灰铸铁好；铸造性能、减振性和导热性要优于球墨铸铁。因此球墨铸铁一般用于制造承受热循环载荷的零件以及结构复杂、强度要求高的铸件。

(4)可锻铸铁　可锻铸铁是由白口铸铁经过长时间高温石墨化退火得到一种具有较高强度和韧性的铸铁。可锻铸铁中的碳大多数是以团絮状石墨形式存在的，可以减轻对基体的破坏作用，可锻铸铁中碳的质量分数为2.4%～2.8%。与灰铸铁相比，可锻铸铁有较高的强度，还有一定塑性、韧性，特别是冲击韧性，所以可锻铸铁又称为韧性铸铁、玛钢。可锻铸铁常用于制造形状复杂，承受冲击载荷的铸件。如机车、拖拉机的前后车轮壳、管接头等。

(5)合金铸铁　合金铸铁是指在铸铁中加入数量不等的合金元素而具有特殊性能的铸铁。合金元素能够强化铸铁组织中的铁基体，获得高强度铸铁，还可以使铸铁获得特殊的耐热、耐磨、耐热等性能。合金铸铁广泛地应用于制造机床导轨、气缸套、活塞环、炉底板、换热器、离心泵、冷凝器等。

常用铸铁的名称、牌号、组织、热处理和用途见表2－2。

表2－2　常用铸铁的名称、牌号、组织、热处理和用途

(续表)

3.有色金属及其合金

有色金属及其合金是指除黑色金属以外的金属及其合金，又被称为非铁材料。有色金属的种类很多，虽然产量和用量没有黑色金属多，但有色金属具有许多黑色金属所不具备的特性，这使其在机械工业上占有十分重要的地位。常用的有色金属为铝、铜、镁、钛及其合金、轴承合金等。

(1)工业纯铝　纯铝是一种呈银白色的金属，有金属光泽，熔点低，为660.4℃，密度低，为2.702×103kg/m3，具有面心立方晶格。纯铝强度、硬度低，塑性好，具有良好的导电性和导热性，在空气和淡水中有良好的耐腐蚀性。纯铝可以用来制造电线、电缆等各种导电制品和导热元件，广泛地应用于电力、食品、飞机制造业，是航空制造业的重要原材料。

(2)工业纯铜　纯铜是玫瑰红色金属，在空气中表面形成氧化膜后呈紫红色，所以又被称为紫铜。纯铜的熔点为1083℃，密度为8.96×103 kg/m3，具有面心立方晶格。纯铜具有优良的导电性、导热性、抗磁性、焊接性能和良好的耐腐蚀性。纯铜的塑性好，强度和硬度都很低，可通过冷塑变形来提高铜的强度，退火处理可消除铜的加工硬化。纯铜被广泛地应用于制造导电、导热、抗磁和耐腐蚀性材料。

(3)有色金属合金　常用的有色金属合金就是指铝合金、铜合金、镁合金、钛合金以及轴承合金等。铝合金根据合金成分和加工方法，可以分为变形铝合金和铸造铝合金；铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜、白铜；镁合金按成型工艺也可分为变形镁合金和铸造镁合金；钛合金按退火组织可分为α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金；常用的轴承合金根据化学成分的不同，可分为锡基轴承合金、铅基轴承合金和铜基轴承合金。常用的有色金属合金的牌号、性能和用途见表2－3。

表2－3　常见有色金属合金牌号、性能和用途