常用金属材料简介

硬度
≤170HBW
（铸铁经高频淬火，表面硬度可以达到HRC50~60）
抗拉强度/Mpa
≥100 ≥250 ≥350 ≥350 ≥500 ≥600 ≥900
HBW180~225 HBW220~290 ≤160HBW HBW150~230 HBW190~270 HBW280~360
45
调质硬度HRC20~30
常用金属材料简介
作者：Shine
常用的金属材料有哪些？
金属材料 黑色金属
有色金属
碳钢
铸铁 合金钢
。。。
铝、镁合金 铜合金
。。。
碳钢
碳钢指的是含碳量在2.11%以下的铁碳合金，根据含碳量的多少可分为 低碳钢（0.1~0.25%）、中碳钢（0.25~0.6%）和高碳钢（0.6~1.7%）。 几种常用碳钢的化学成分：
低
差
差
大
球墨铸铁
球状
较高
较好
良好
较小
略差
需要说明的是使用铸铁制造的曲轴、连杆，力学性能要比使用锻钢锻造成型的曲 轴要差的得多，仅用于少数抵挡、小排量的微车，如五菱N系列的微车，奇瑞QQ等。
铸铁的强度和硬度大致处于什么范围呢？
牌号 HT100 HT250 HT350 QT350 QT500 QT600 QT900 力学性能
≥600
铸铁的切削加工性能如何？
铸铁中的石墨本身的强度和塑性几乎为零，石墨就像金属基体中的 孔洞和裂缝，破坏了基体的连续性，这使得铸铁的强度和硬度都较低， 因此切削力较小，且断屑容易。此外，由于石墨具有润滑作用，对刀具 来说是一种”润滑剂“，可以减少刀具的磨损，进而提高刀具寿命。 和碳钢一样，铸铁的切削加工性能会随着强度和硬度的提高而下降。 如：HT350的切削加工性能是要比HT100差的。
不同成分碳钢的应用领域
高碳钢拥较高的强度和硬度，高的弹性极限和疲劳极限，但焊接性能和冷塑 性变形能力差。 常用于制造对硬度和耐磨性要求较高的锤、撬棍、销等，高碳 钢还曾用于制造钻头、 丝攻、铰刀等切削工具，但因切削效率不高，难以加工 高硬度、高强度材料逐渐被其它材料取代。
材料的强度、硬度和塑韧性对切削加工性能有着怎样的影响？
不锈钢的切削加工性能
不同的不锈钢的切削性能有很大的差异： • 奥氏体不锈钢虽然强度和硬度不高，但加工硬化严重，导热系数低， 塑、韧性好，不易断屑，切削性能较差。 • 马氏体型不锈钢一般在淬火、回火状态下使用，淬、回火后强度和硬 度均较高，如果在该状态下进行切削加工则较为困难。但如果在退火 状态下进行加工则切削加工性能和一般的碳钢相当。 • 铁素体型的切削加工性能均会随着含碳量的增加而变差，这点与碳钢 很相似。总体而言铁素体不锈钢切削加工性能较好。
铁素体（F）
渗碳体（Fe3C）
60~80
700~800
30~50
极小
T8钢× 7000倍退火组织示意图
160~500 5~20 珠光体（ P） 需要说明的是珠光体的力学性能随热处理工艺的 不同会有较大的差异。
什么是铁素体、渗碳体和珠光体？为什么力学性能会有如此差异？
α-Fe原子排列示意图 铁素体就（F）是碳在α-Fe中的间隙固溶体
牌号 C 35 35CrMo 0.37~0.44 0.32~0.40 Si 0.17~0.37 0.17~0.37 Mn 0.50~0.80 0.40~0.70 Cr ≤0.25 0.80~1.10 化学成分/% Mo 0.15~0.25 Ni ≤0.30 ≤0.30 P ≤0.035 ≤0.035 S ≤0.035 ≤0.035 Cu ≤0.25 ≤0.30
与碳钢相比，低合金钢通过加入Cr、Mn、Mo、Ti、Ni、Nb、W、V 等合金元素，大幅提高了材料的强度和硬度，而塑、韧性通常会略有下 降。 因此，切削加工性较碳钢要差些。
不锈钢
根据组织的状态不锈钢可以分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体 不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
几种常用的不锈钢
304（0Cr18Ni9）【304L(00Cr19Ni10)】 主要用于不锈钢餐具、浴室厨房用具以及某些对抗腐蚀性能要求较高的零件。 主要力学性能见下表： 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/% 断面收缩率/% 硬度/HB
铝合金及其切削加工性能
铝合金强度和硬度相对较低，导热性好，且铸造铝合金的塑性较低， 因此铝合金对刀具磨损较小，刀刃处温度不高，切削加工性能较好，切 削速度较高。 但铝合金熔点较低，温度升高后塑性增大，容易粘刀，容易影响工 件表面粗糙度。
如何将不同材料的切削加工性能进行比较？
以正火状态45号钢的T=60min时的切削速度为基准，写作（V60）j， 然后把其他各种材料的T=60min时的切削速度同它相比，这个比值称为 相对加工性，即：
相对加工性Kr=V60/（V60）j
碳钢中加入Mo元素对材料力学性能的影响： 可以是材料的晶粒细化，并提高热强性，进而提高材料的使用温度。 35号钢屈服强度315Mpa，35CrMo的屈服强度为835Mpa。
几种常用的低合金钢
20CrMnTi 多用于制造齿轮 化学成分如下表（与20钢对比）：
牌号 C 20
20CrMnຫໍສະໝຸດ Baidui
化学成分/% Si 0.17~0.37 0.17~0.37 Mn 0.35~0.65 0.80~1.10 Cr ≤0.25 1.00~1.30 Ti 0.04~0.10 Ni ≤0.30 ≤0.30 P ≤0.035 ≤0.035 S ≤0.035 ≤0.035 Cu ≤0.25 ≤0.30
铸铁
铸铁是指含碳量大于2.0%的铁碳合金，工业用铸铁一般含碳量为 2%～4%。铸铁中还含有较多的硅（0.6%~3%）、锰、硫、磷等元素。 铸铁按断口颜色可以分为灰口铸铁、白口铸铁。灰口铸铁经球化处理可 获得球墨铸铁，蠕化处理可获得蠕墨铸铁，白口铸铁经退火处理可获得 可锻铸铁。其中灰口铸铁和球墨铸铁使用最为广泛。
Fe3C结构示意图 Fe3C是一种金属化合物
珠光体（P）实际就是铁素体（F） 和渗碳体（Fe3Ｃ）的机械混合物。
不同成分碳钢的应用领域
低碳钢强度、硬度较低，但有着较好的塑、韧性，冷成形性良好，常用于钣 金件。如：汽车车身、电脑主机箱、空调外壳、机械设备的外壳等。
不同成分碳钢的应用领域
中碳钢拥有较好的综合力学性能，在碳钢中应用范围最广，适合制造机械零 部件和作为建筑材料使用。
0.17~0.23 0.17~0.23
碳钢中加入Ti元素对材料力学性能的影响： 可以细化晶粒，强化晶界，改善焊接性。 20号钢硬度一般≤156HB，而20CrMnTi 的硬度则略小于217HB；
20号钢的屈服强度略大于245Mpa，而20CrMnTi的屈服强度则高达835MPa。
与碳钢相比低合金钢的切削加工性能如何？
灰口铸铁和球墨铸铁有什么区别？
灰口铸铁显微组织
球墨铸铁显微组织
在电子显微镜 下灰口铸铁中 石墨的形态
在电子显微镜 下球墨铸铁中 石墨的形态
灰口铸铁和球墨铸铁有什么区别？
特性 石墨存在 形式 材料 灰口铸铁 片状
强度
塑性
韧性
脆性
消振 性 好
主要用途
强度要求不高的零件， 如各类箱体、底座等
强韧性要求高且形状复 杂的零件，如曲轴、连 杆等。
• 材料的硬度和强度越高，塑性越大，其切削温度越高，刀具越容易磨 损，切削加工性越差。
碳钢的切削加工性能
• 低碳钢硬度低，塑韧性高，变形大，断屑难，容易粘屑，加工表面粗 糙，加工性较差；
• 中碳钢性能适中，加工性良好；
• 高碳钢硬度高，塑性低，切削力大，温度高，刀具耐用度低，加工性 差。
合金钢
在普通碳素钢基础上添加其它合金元素就构成了合金钢。根据添加合金元素 的多少可以将合金钢分为低合金钢（合金元素总含量≤5%）、中合金钢（5%~10%） 和高合金钢（≥10%）。
0.25 0.25 0.25
0.035 0.035 0.035
0.035 0.035 0.035
碳钢
几种常用碳钢力学性能对比：
力学性能 牌号 硬度 未热处理≤170HB 热轧钢≤229HB 退火钢≤197HB 调质硬度HRC22~34 未热处理≤285HB 淬火硬度可≥62HRC 抗拉强度 /Mpa ≥450 屈服强度 /Mpa ≥275 伸长率 /% ≥23 断面收缩率 /% ≥55
几种常用的不锈钢
316（0Cr18Ni12Mo2）【316L（00Cr17Ni14Mo2）】 在304不锈钢的基础上提高了Ni含量，并加入了约2%的Mo，大幅提升了抗氯化 物腐蚀的能力，主要用于食品工业和外科手术器材。 410（1Cr13） 制作抗弱腐蚀介质并承受载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母 等。 马氏体型不锈钢，淬、回火后抗拉强度≥540MPa，屈服强度≥345MPa，低于 300℃回火硬度可以达到338HBS。 430（1Cr17） 常用于热水罐、供热水系统、卫生器具、家庭用耐用器具、自行车飞轮等。 铁素体型不锈钢，抗拉强度≥450MPa，屈服强度≥205MPa，硬度一般≤183HB。
几种常用的低合金钢
16Mn（现已归入Q345） 广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。 GB/T1591对Q345A的化学成分的要求如下： C≤0.20%，Mn ≤1.70%，Si≤0.50%，P≤0.035%，S≤0.035%。 在碳钢中加入Mn元素对材料力学性能的影响： 可以大幅提高材料的强度、硬度和耐磨性，对材料的塑、韧性影响较小。 但也会降低材料的焊接性和耐腐蚀性。 含碳量相近的15号钢屈服强度仅略大于225Mpa，而加入Mn元素后材料 的屈服强度超过了345Mpa。
25
45
≥600
≥355
≥17
≥40
随着含碳量的增加，碳钢的硬度和强度增加，塑韧性下降。
80
≥1080
≥930
≥6
≥30
材料的力学性能是由它的组织结构决定的，碳钢组织结构随化学成分和热处 理制度的不同而不同。
碳钢显微组织对比
08钢×100倍退火组织
45钢×400倍退火组织 组织 硬度/HB
T8钢×1000倍退火组织 塑性变形能力/%
≤0.25
0.80~1.10
≤0.30
≤0.030
≤0.25
≤0.030
碳钢中加入Cr元素对材料力学性能的影响： 显著提高强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，同时降低塑性和韧性。 通过加入Cr元素，屈服强度由40号钢的335Mpa提高到了785Mpa。
几种常用的低合金钢
35CrMo 用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如轧钢机人字齿 轮、曲轴、锤杆、连杆、紧固件，汽轮发动机主轴、车轴，发动机传动零件等。 化学成分如下表（与35钢对比）：
≥ 520 ≥205 ≥40 ≥60 ≤187 从304不锈钢力学性能参数来看，强度和硬度都不算高，有很好的塑、韧性。 屈服强度和硬度比20号钢还略低，抗拉强度也仅仅只是与45号钢相当。
几种常用的不锈钢
但304不锈钢有着很强的加工硬化倾向，这就意味着在进行切削加工时实际切 削力要远大于抗拉强度相近的45号钢，并且这种加工硬化的特性还会加剧刀具后 面的磨损。 此外304含Ni量较高，这使得材料的热传导系数较低，因此该种不锈钢的导热 能力较差，因此切削热无法迅速传导出去，致使刀尖温度过高，影响刀具寿命。 并且304的塑、韧性较好，容易粘刀，不容易断屑，这些特性使得304成为一 种很难加工的材料。 所以为了改善304的切削加工性能，牌号为303的不锈钢应运而生。303在304 的基础上加入了少量的S、P，显著的提升了304的切削加工性能。但降低了材料 的抗拉强度和耐腐蚀性，并大幅降低材料的冲击韧性。
几种常用的低合金钢
40Cr
40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一 ，可用于制造汽车转向节、后半轴、齿轮、 曲轴、连杆、机床蜗杆等。 化学成分如下表（与40钢对比）：
牌号 40 40Cr 化学成分/% C 0.37~0.44 0.37~0.44 Si 0.17~0.37 0.17~0.37 Mn 0.50~0.80 0.50~0.80 Cr Ni P ≤0.035 ≤0.035 S ≤0.035 ≤0.035 Cu
化学成分，% 牌号 C 25 45 80
0.22~0.29 0.42~0.50 0.77~0.85
Si
0.17~0.37 0.17~0.37 0.17~0.37
Mn
0.50~0.80 0.50~0.80 0.50~0.80
Cr
Ni
Cu 不大于
S
P
0.25 0.25 0.25
0.30 0.30 0.30