1.4 常用金属材料
机器制造中用得最多的材料是金属材料，其中以钢和铸铁用量最大。本节介绍常用的钢材和铝、铜有色合金，铸铁在第2章中介绍。
1.4.1 钢
1.钢的分类与编号
（1）钢的分类 钢的分类很多，常用的有按化学成分和用途分类。
1）按化学成分分类，将钢分成碳素钢和合金钢两大类。其中碳素钢按含碳量（质量分数）的高低又分成工业纯铁（wC≤0.04%）、低碳钢（0.04%＜wC≤0.25%）、中碳钢（0.25%＜wC＜0.6%）、高碳钢（wC≥0.6%）四类；而合金钢按合金元素含量的高低又分成低合金钢（合金元素的质量分数＜5%）、中合金钢（合金元素的质量分数为5%～10%）和高合金钢（合金元素的质量分数＞10%）三类。
2）按用途分类，将钢分成结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。其中，结构钢是制造各种机器零件及工程构件的用钢，它包括调质钢、超高强度钢、弹簧钢、轴承钢及工程构件用钢等；工具钢包括各种刃具钢、量具钢、模具钢等；特殊性能钢有不锈钢和耐热钢等。
（2）钢的编号
1）普通碳素结构钢。其牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度的数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分组成，例如Q235AF。
普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表1-5。
表1-5 普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能（GB/T 700—2006）
（续）
2）优质碳素结构钢。钢的杂质含量wP≤0.035%～0.04%，wS≤0.03%～0.04%时属于优质钢。优质碳素结构钢的牌号采用两位数字表示，这两位数字表示该钢中碳的质量分数的平均万分数。如45钢表示碳的质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的牌号、成分、性能及其用途见表1-6。
表1-6 优质碳素结构钢的牌号、成分、性能及其用途（GB/T 699—2015）
3）碳素工具钢。其牌号由字母T和数字组成。T表示碳素工具钢，数字表示碳的质量分数的平均千分数，如T10表示碳的质量分数为1%的碳素工具钢。这类钢都是优质钢。当杂质含量wP＜0.03%，wS＜0.02%时，该钢为高级优质钢，在牌号的数字后加A表示，如T10A。碳素工具钢的牌号、性能及用途见表1-7。
表1-7 碳素工具钢的牌号、性能及用途（GB/T 1298—2008）
4）合金结构钢。其牌号采用两位数字+元素符合+数字表示。前面两位数字表示钢中碳的质量分数的平均万分数，元素符号后的数字表示该元素质量分数的百分数。如果合金元素的质量分数为1%左右则不标其含量，如20Cr、18Cr2Ni4W、30CrMnSi、40Cr等。常用合金结构钢的牌号、性能及用途见表1-8。
表1-8 常用合金结构钢的牌号、性能及用途
注：低合金结构钢系热轧的试样测的力学性能值。
5）合金工具钢和特殊性能钢。其编号形式与合金结构钢相似，只是碳的质量分数的表示方法不同。当碳的质量分数大于或等于1.0%时，碳的质量分数不标出；当碳的质量分数小于1.0%时，以其千分数表示，如9SiCr、W18Cr4V等。常用合金工具钢的牌号、性能及用途见表1-9。
表1-9 常用合金工具钢的牌号、性能及用途
2.结构钢
结构钢可分成工程构件用钢和机械制造用钢两类。其中，工程构件用钢一般用普通碳素结构钢和低合金钢。这类钢的强度较低，塑性、韧性和焊接性较好，价格低廉，一般在热轧态下使用，必要时进行正火处理以提高强度。机械制造用钢多用优质碳素结构钢和合金结构钢，按其组织和性能特点可分为以下几种主要类型。
（1）调质钢 调质钢制造零件要求有较高的强度和良好的塑性、韧性。碳的质量分数在0.3%～0.6%的钢经淬火、高温回火等到回火索氏体组织，可较好地满足性能要求。为保证淬透性，钢中常含有Cr、Mn、Ni、Mo等合金元素。常用钢种有45、40Cr、35CrMo、40CrNiMo等。
（2）表面硬化钢 这类钢制造零件除了要求有较高的强度和良好的塑性、韧性外，还要求表面硬度高、耐磨性好。这类钢按表面硬化方式的不同划分为以下几种：
1）渗碳钢。这类钢中碳的质量分数低（0.15%~0.25%），以保证工件心部获得低碳马氏体，有较高的强度和韧性，而表层经渗碳后，硬度高且耐磨，热处理方式为渗碳后淬火加低温回火。常用钢种有15Cr、20Cr、20CrMnTi等。
2）渗氮钢。渗氮钢中碳的质量分数中等（0.3%～0.5%）。渗氮前经调质处理，工件心部为回火索氏体，有良好的强度和韧性。渗氮后，表层为硬而耐磨、耐蚀的渗氮层，心部组织与性能仍保持渗氮前状态。常用钢种有38CrMoAl、30CrMnSi、40Cr、42CrMo等。
3）弹簧钢。这类钢要求有高的弹性极限和高的疲劳强度。钢中碳的质量分数在0.5%～0.85%之间。经淬火、中温回火后得到回火托氏体组织。常用钢种有70、65Mn、50CrV、62Si2Mn等。
3.工具钢
工具钢要求具有高的硬度和耐磨性以及足够的强度和韧性。这类钢中碳的质量分数均很高，通常为0.6%～1.3%。按合金元素的含量，工具钢可分为：
（1）碳素工具钢 经淬火、低温回火后，其组织为高碳回火马氏体加球状碳化物。碳素工具钢有很高的硬度和良好的耐磨性，价格低廉，淬透性差，工作温度低，主要适用于低速切削的刀具和尺寸较小的简单模具。
（2）低合金工具钢 其热处理方式和组织与碳素工具钢相同。由于合金元素的加入，提高了淬透性和工作温度，低合金工具钢适于较高速度切削的刀具和形状复杂的模具。常用钢种有9SiCr和CrWMn等。
（3）高合金工具钢 由于合金元素的加入，淬透性很高，工作温度也大大提高。按性能特点，高合金工具钢又可分为：
1）高速钢。高速钢在高温时，仍有很高的硬度，适于高速切削。其最终热处理采用淬火加多次高温回火，组织为回火马氏体和碳化物。常用钢种有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等。
2）高铬模具钢。其淬透性高，适于制作形状复杂大截面模具。常用钢种有Cr12和Cr12MoV等。
1.4.2 有色金属及其合金
1.铝及铝合金
纯铝是银白色金属，相对密度为2.7，大约是铜的1/3，熔点为657℃。纯铝为面心立方晶格，强度（抗拉强度Rm=80~100Pa）和硬度低，有良好的塑性，具有优良的导电、导热性能，在大气中有良好的耐蚀性。纯铝主要用来制作电线、电缆及配制铝合金等。工业纯铝的牌号为1070A、1060、1050A等，顺序数字的编号越大，其纯度越低。
铝中加入锰、铜、镁、锌、硅等合金元素形成铝合金，可以有效提高其力学性能，而仍保持密度小、耐腐蚀的优点，是制作轻质结构件和机械零件的重要材料。
二元铝合金状态图一般都具有图1-22所示的共晶状态图形状。按图1-22可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。铝合金的分类见表1-10。
表1-10 铝合金的分类
（续）
（1）变形铝合金 如图1-16所示，成分位于状态图B点以左的合金1，加热时能形成单相的α固溶体，塑性好，适于压力加工。这类合金又可分为：
图1-16 铝合金分类示意图
1）不能热处理强化的变形铝合金。如图1-16所示，成分位于状态图D点以左的合金3，在固态加热冷却时不发生相变。这类合金由于具有良好的耐蚀性，故称为防锈铝。
2）可热处理强化的变形铝合金。如图1-16所示，成分位于状态图B点与D点之间的合金4，通过热处理能显著提高力学性能。这类铝合金包括硬铝和锻铝，如2A01、2A11、2A13等。热处理加热时，它们形成单相固溶体，在淬火快速冷却时，过剩相来不及析出，在室温下获得不稳定的过饱和α固溶体，这种处理方法称为固溶处理。经固溶处理后，铝合金的强度虽比淬火前的平衡态有所提高，但仍较低，若在适当温度加热保温数小时后，合金的强度可显著提高，这个过程称为时效强化。室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。时效过程是饱和固溶体分解发生沉淀硬化的过程。
（2）铸造铝合金 如图1-16所示，成分位于状态图B点以右的合金2，由于离共晶点较近，液态流动性较好，适于铸造生产。按照主要合金元素的不同，铸造合金可分为Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn四类，见表1-10。
铸造铝硅合金又称为硅铝明，具有良好的力学性能、耐蚀性和铸造性能，是应用最广泛的铸造合金。硅铝明的含硅量一般较高，铸造后几乎全部得到共晶组织，若在浇注前向合金溶液中加入2%～3%（质量分数）的钠、钾盐进行变质处理，能显著细化合金组织，提高合金的强度和塑性。若合金中加入铜、镁等合金元素，则还能进行淬火时效处理，显著提高铝硅合金的强度。
2.铜合金
纯铜有很好的导电、导热性和良好的耐蚀性，主要用于制作电工导体。由于纯铜的强度低，不宜直接用作结构材料，有的也用于机械零件。
铜合金分三类。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜，以镍为主要合金元素的称为白铜，以除了锌和镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金称为青铜。
黄铜具有较高的强度和塑性，有良好的铸造性能和压力加工性能，还有较好的耐蚀性。
青铜根据主要合金元素的不同分为锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜、铅青铜等。青铜的强度较高、耐磨性和耐蚀性较好，主要用于轴承合金。