常用金属材料分类、牌号和用途

金属材料分钢铁材料和非铁金属材料两种。

1.钢铁材料

钢铁材料是以铁元素为基体的铁碳合金。一般情况下，碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为钢。钢铁材料主要包括碳素钢、合金钢、铸铁和铸钢。

（1）钢 钢的分类方法很多，既可按钢的冶炼方法、钢材品质和化学成分进行分类，也可按照金相组织和用途的不同进行分类，一般可按图10-1所示进行钢的分类。

1）碳素钢。碳素钢分为碳素结构钢和碳素工具钢。

①碳素结构钢分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢等。普通碳素结构钢用Q表示，后面数字表示材料的屈服强度R_eL数值，用A、B、C、D表示质量等级，F表示沸腾钢，而镇静钢不标注。例如“Q235A”表示普通碳素结构钢，R_eL=235MPa，A级镇静钢。常用普通碳素结构钢的主要成分、性能特性与应用见表10-1。

图10-1 钢的分类

表10-1 常用碳素结构钢的主要成分、性能特性与应用

①Q255牌号在GB/T 700—2006中取消。

优质碳素结构钢用两位阿拉伯数字以平均万分数表示碳的质量分数，沸腾钢后加F，镇静钢不加注字母，如“45”表示优质碳素结构钢，碳的质量分数为0.45%，镇静钢。表10-2为常用的优质碳素结构钢性能指标、主要特性与应用。

表10-2 常用的优质碳素结构钢性能指标、主要特性与应用

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②碳素工具钢用“T”表示，后面的阿拉伯数字为以平均千分数表示碳的质量分数，优质碳素工具钢在牌号尾部加A。例如：T8表示碳素工具钢，含碳的质量分数为0.8%；T10A表示优质碳素工具钢，含碳的质量分数为1.0%。碳素工具钢经常用于制造简单的冲模工作零件或不受振动、硬度很高的刀具等。

2）合金钢。钢中除了磷、硫等常存杂质外，有时还需专门加入某些元素（如铬、钼、钨、钒、钛等），使其具有一定的特殊性能，这种钢叫做合金钢。合金钢的表示方法是：前面的阿拉伯数字是以平均万分数表示的碳的质量分数（但是合金工具钢的平均碳的质量分数大于或等于1.0%时不予标出，小于1.0%时以名义千分数表示碳的质量分数；高速工具钢等的含碳量一般也不予标出），合金元素的含量标在该元素符号之后，以百分数表示该元素的质量分数，但要将小数化为整数，如果合金元素的平均质量分数小于1.5%，则不标出其含量。例如：12Cr2Ni4表示合金钢的主要成分（质量分数）C为0.12%、Cr为2%、Ni为4%。

合金钢按用途可分为：用于制造机械零件和工程结构的合金结构钢，用于制造各种加工工具的合金工具钢，具有某种特殊物理、化学性能的特殊性能钢等三种；按所含合金元素总含量可分为：低合金钢（合金元素总含量的质量分数<5%）、中合金钢（合金元素总含量的质量分数5%～10%）、高合金钢（合金元素总含量的质量分数>10%）。

①合金结构钢。合金结构钢可分为低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢等。

低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素形成的，主要用于各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆和高压容器等。这类钢大多数是在热轧空冷状态下使用，焊接成构件后不再进行热处理，经常用来冷弯、冷卷和焊接。

合金渗碳钢的含碳量为0.10%～0.20%（质量分数），一般采取渗碳、淬火、低温回火后获得，其特点是工作表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有良好的塑性和韧性，主要用于制造承受强烈冲击载荷和摩擦、磨损的机械零件，如20CrMnTi可制造汽车和拖拉机上的变速齿轮和传动轴。

合金调质钢的含碳量一般为0.25%～0.50%（质量分数），常加入铬、硅、锰、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，并提高硬度。一般经调质（淬火后高温回火）处理后获得，其特点是具有良好的综合力学性能。主要用于制造形状较复杂、尺寸较大、承受载荷较大的重要零件，如汽车、拖拉机和机床等所使用的齿轮、主轴、连杆和高强度螺栓等。40Cr钢是最常用的合金调质钢，其强度比40钢高20%。合金调质钢的热处理工艺为调质，若要求零件表面具有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学处理。

合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%～0.75%（质量分数），是在碳素弹簧钢的基础上加入合金元素后形成的钢。其特点是具有高的弹性和疲劳极限、足够的塑性和韧性以及良好的表面质量，主要用于制造机车、汽车板簧等截面较大的弹性零件，如经常用来制造8～15mm以下小型弹簧的65Mn钢。

轴承钢用来制造各种轴承的滚珠、滚柱和内外套圈，也可用来制造各种工具和耐磨零件。应用最广的是高碳铬钢，含碳量为0.95%～1.05%（质量分数），含铬量为0.40%～1.65%（质量分数），如GCr15主要用于制造中小型滚珠轴承。(www.xing528.com)

超高强度钢是指屈服强度大于1300N/mm²、抗拉强度大于1400N/mm²的钢。这种钢是在合金调质钢的基础上加入多种合金元素而发展起来的，主要用于航空和航天工业，如35Si2MnMoVA钢，其抗拉强度可达1700N/mm²，用于制造飞机起落架、框架等。

②合金工具钢。合金工具钢按用途可分为刀具钢、模具钢和量具钢。

合金刀具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刀具钢要求高硬度、耐磨、热硬性高（在高温下保持高硬度的能力），有足够的强度和韧性。合金刀具钢又分为低合金刀具钢和高速工具钢。低合金刀具钢是在碳素工具钢基础上加入少量铬、锰、硅等合金元素的钢。加入合金元素的目的是提高钢的淬透性，增加钢的强度、硬度和耐磨性。低合金刀具钢的预备热处理是球化退火，最终热处理为淬火后低温回火。

③高速工具钢。高速工具钢是用于制造高速切削工具，含有钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速工具钢导热性差，淬火温度高，所以淬火加热时必须进行一次预热（800～850℃）或两次预热（500～600℃，800～850℃）。高速工具钢的淬透性很高，但冷却太慢时会降低钢的热硬性，所以常在油中淬火。

合金模具钢可分为冷模具钢和热模具钢。这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。9SiCr、CrWMn、9Mn2V、GCr15钢常用来制造复杂的小型冷冲模具，Cr12、Cr12MoV钢则经常用来制造大型冷冲模具，5CrMnMo和5CrNiMo钢经常用来制造热锻模，3Cr2W8V钢用来制造挤压模和压铸模。

合金量具钢主要用来制造高精度的量具（如量块、塞规等），要求尺寸非常稳定以及有很高的硬度和耐磨性，一般选用高碳的低合金钢或滚动轴承钢来制造，如CrWMn、CrMn、GCr15钢等。

④特殊性能钢。具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊性能钢，钣金件用特殊性能钢常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。

GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》将不锈钢和耐热钢的牌号按冶金学分类列表，可分为奥氏体型、奥氏体-铁素体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型。

常用的12Cr13、20Cr13和30Cr13等马氏体型不锈钢主要用来制作医疗器械。

常用的06Cr19Ni10、12Cr18Ni9等奥氏体型不锈钢主要用来制作在强腐蚀介质中工作的设备，如吸收塔、贮槽、管道及容器等。

常用的40Cr10Si2Mo、45Cr14Ni14W2Mo等耐热钢在高温下具有高的抗氧化性能和较高的强度，其中45Cr14Ni14W2Mo奥氏体型耐热钢可以制造在600℃以下工作的零件，如汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。

耐磨钢具有良好的韧性和耐磨性，主要用于制造承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗和铁轨分道岔等。高锰钢是目前最重要的耐磨钢，含碳量为0.9%～1.4%（质量分数），含锰量为11%～14%（质量分数）。这种钢机械加工比较困难，基本上都是铸造成形。常用的高锰钢有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3和ZGMn13-4等牌号。

（2）铸铁 铸铁和钢相比，虽然力学性能较低，但有良好的铸造和切削加工性能，且生产成本低廉，具有耐压、耐磨和减振等性能，所以在机械制造业中获得广泛应用，如铸铁在汽车、拖拉机制造中占30%～50%，在机床制造中占60%～90%。在铸铁中，碳可以以渗碳体形式存在，也可以以石墨的形式存在。根据碳的存在形式，铸铁可分为白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁；若根据铸铁中石墨的形态，铸铁则可以分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。

灰铸铁牌号的前两个字母用“HT”（“灰铁”两字汉语拼音的首字母）表示，其后的数字表示抗拉强度，如抗拉强度为100MPa的灰铸铁可用HT100表示；球墨铸铁牌号的前两个字母用“QT”（“球铁”两字汉语拼音的首字母）表示，后面的两组数字依次代表抗拉强度和断后伸长率，如QT400-18表示抗拉强度为400MPa、断后伸长率为18%的球墨铸铁；可锻铸铁牌号的前两个字母用“KT”（“可铁”两字汉语拼音的首字母）表示，后面的两组数字依次代表抗拉强度和断后伸长率，其中“KTH”表示黑心可锻铸铁，“KTB”表示白心可锻铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁，如KTZ450-06表示抗拉强度为450MPa、断后伸长率为6%的珠光体可锻铸铁。

灰铸铁价格便宜，在各类铸铁中产量约占80%以上。灰铸铁（铸铁中的碳以片状石墨的形式存在）可以通过热处理改变基体组织，但不能改变其石墨形态和分布，因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大；球墨铸铁（铸铁中的碳以球状石墨的形式存在）具有良好的力学性能和加工工艺性能，并能通过热处理使其力学性能在较大范围内变化，因此它可以代替碳素铸钢、合金铸钢和可锻铸铁，制造一些受力复杂，对材料强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件；可锻铸铁俗称马铁，可通过石墨化或氧化脱碳处理，改变其组织或成分后获得较高韧性，因而可锻铸铁比灰铸铁有较高的强度，并且具有一定的塑性和韧性，可以代替部分锻钢使用。

（3）铸钢 铸钢的性能比铸铁更好。一些形状复杂的零件很难用锻压来成形，但用铸铁又不能满足机件的性能要求，因此常选用铸钢来制造。铸钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的重型机械零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤砧座等。其含碳量一般为0.20%～0.60%（质量发数），若含碳量过高，则钢的塑性差且易产生裂纹。铸钢牌号的前两个字母用“ZG”（“铸钢”两字汉语拼音的首字母）表示，后面的两组数字依次代表屈服强度值和抗拉强度值，如ZG 200-400，表示屈服强度为200MPa，抗拉强度为400MPa的铸钢。

2.非铁金属材料

除钢铁之外的铝、镁、铜、钛等金属及其合金统称为非铁金属材料。在金属材料中，非铁金属材料占有重要地位，其中铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金等具有密度小、比强度高、耐热、耐蚀和导电等特性，且明显优于普通钢，甚至超过某些高强度钢，所以成为钣金构件中不可缺少的金属材料。

表10-3给出了常用非铁金属材料的力学性能、主要特性及与应用。

表10-3 常用非铁金属材料的力学性能、主要特性与应用

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