第1章

金属材料一般常识

金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称，包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等，具有不透明、有金属光泽、有良好的导热导电性和力学性能等特性的物质。

1.1　金属材料的一般分类

1.1.1　按颜色

按照传统习惯，通常把金属材料分为黑色金属材料和非铁金属材料。

①黑色金属材料　指铁、铁合金和钢，常称为钢铁材料，包括含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。其中，铸铁和钢均为铁碳合金，其区别是含碳量和内部组织结构不同。

a.熟铁或纯铁　含碳量小于0.0218%的铁碳合金，熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广。

b.钢　含碳量在0.0218%～2.11%的铁碳合金；依所含成分则可分为碳钢、低合金钢和高合金钢等，性能优良，用途广泛。

c.生铁或铸铁　含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金。含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。含硅、锰、镍或其他元素量特别高的生铁，叫铁合金，常用作炼钢的原料。

②非铁金属材料　包括除铁、铬和锰以外的所有金属及其合金，如Cu、Al、Sn、Pb、Mg、Zn以及过渡金属Ni、Co、Cr、Mo、W、V、Nb等。通常可分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，非铁合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。其中用得最多的是铝及铝合金和铜及铜合金。

③特种金属材料　包括各种新型不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

本手册主要介绍常用的黑色金属和非铁金属材料，并增加了粉末冶金和金属基复合材料的有关内容，以适应实际生产的需要。

1.1.2　按化学成分

①纯金属材料　指主要由一种金属元素所组成、杂质很少的金属材料，比如纯铜。金属纯度通常分为工业纯和化学纯两种。

②合金材料　指由一种基体金属元素和一种以上的金属元素和/或非金属元素所组成的金属材料。由于合金元素的加入可提高和改善基体纯金属的性能，所以金属材料多以合金材料形式应用。

1.1.3　按用途及使用特性

黑色金属材料按用途及使用特性可分为生铁和钢，非铁金属的分类见第9～11章。

生铁按用途分为炼钢生铁和铸造生铁两种。后者按用途又可分为普通铸造用生铁、球墨铸铁用生铁、铸造用低合金耐磨生铁等。

钢材按用途及使用特性分类见表1.2。

1.1.4　按冶炼方法和脱氧程度

根据冶炼方法和设备的不同，钢可分为转炉钢和电炉钢两大类（平炉钢已被淘汰）。

①转炉钢　转炉的炉体可以转动，用钢板作外壳，里面用耐火材料作内衬。转炉炼钢时不需要再额外加热，因为铁水本来就是高温的，它内部还在继续着放热的氧化反应。这种反应来自铁水中硅、碳以及吹入氧气。因为不需要再用燃料加热，故而降低了能源消耗，所以被普遍应用于炼钢。

②电炉钢　是指在电炉中以废钢、合金料为原料，或以初炼钢制成的电极为原料，用电加热方法使炉中原料熔化、精炼制成的钢。电炉钢用电炉冶炼的主要是合金钢。按照电加热方式和炼钢炉型的不同，电炉钢可分为电弧炉钢、非真空感应炉钢、真空感应炉钢、电渣炉钢、真空电弧炉钢（亦称真空自耗炉钢）、电子束炉钢等。

1.1.5　按金相组织分类

1.1.6　按材料形状

工业上使用的金属材料按形状，可分为板材、带材、棒材、丝材、管材和型材等多种。

1.2　金属材料的物理性能

金属材料的物理性能是指在重力、温度、电磁场等物理因素作用下，材料所表现的性能或固有属性。

1.2.1　一般性能

①色泽　当白光照射到不透明的物体表面时，一部分波长的光被物体吸收，一部分波长的光被反射出来，被反射的光波是什么颜色的，人们肉眼见到的就是什么颜色。

绝大多数金属都呈现银白色光泽（但金呈黄色、铜呈赤红、铯呈浅黄、铋为淡红、铅为淡蓝）。应该注意的是，金属的光泽只在整块时才能表现出来，粉末状时，除个别金属（如镁、铝）外，大部分金属都呈灰色或黑色。

②密度　物质单位体积的质量称为密度，常用单位是g/cm ³ 或kg/m ³ 。根据相对密度的大小，可将金属分为轻金属（相对密度小于4.5，如Al、Mg等及其合金）和重金属（相对密度大于4.5，如Cu、Fe、Pb、Zn、Sn等及其合金）。

1.2.2　热性能

①熔点　材料在缓慢加热时由固态转变为液态，并有一定潜热吸收或放出时的转变温度称为熔点，常用单位是℃或K。熔点低的金属（如Pb、Sn等）可以用来制造钎焊的钎料、保险丝和铅字等；熔点高的金属（如Fe、Ni、Cr、Mo等）可以用来制造高温零件等。

②线胀系数　固态物质的温度改变1℃时，其长度的变化与它在0℃时的长度之比，用 α 表示。

③体胀系数　由于温度变化1℃时所引起体积的变化量与其0℃时体积之比，用 β 表示。体胀系数约是其线胀系数的3倍。

④比热容　比热容是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能，通常用符号 C 表示，常用单位是J/（kg·K）或J/（kg·℃）。

⑤热导率　材料传导热量的能力，常用单位是W/（m·K）。热导率越大，导热性越好。纯金属的导热性比合金好，银、铜的导热性最好，铝次之；非金属中，碳（金刚石）的导热性最好。

1.2.3　电性能

①导电性　材料传导电流的能力称为导电性，电阻率越小，其导电性越好。纯金属中银的导电性最好，其次是铜、铝。工程中为减少电能损耗常采用纯铜或纯铝作为输电导体；采用导电性差的材料作为加热元件。

②电阻率　是表示各种物质电阻特性的物理量，即长度为1m、横截面积是1mm ² 的某种材料在常温（20℃）下导线的电阻，它与温度有关，与导体的长度、横截面积等因素无关。电阻率在国际单位制中的单位是Ω·m，常用单位为Ω·cm。

③电阻温度系数　是表示温度改变1℃时电阻值的相对变化值，单位为ppm/℃（即10 ^-6 ℃ ^-1 ）。

1.2.4　磁性能

①磁性　磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。如把铁靠近磁铁时，这些原磁体在磁铁的作用下，整齐地排列起来，使靠近磁铁的一端具有与磁铁极性相反的极性而相互吸引。而铜、铝等金属没有原磁体结构，所以不能被磁铁所吸引。具有显著磁性的材料称为磁性材料。

②磁导率　是表示磁性强弱的物理量，是磁场中的线圈流过电流后，产生磁通的阻力或者是其在磁场中导通磁力线的能力，常用符号 μ 表示，常用单位是H/m。

③铁损　铁损包括磁滞损耗和涡流损耗以及剩余损耗，单位为W/kg。前者是指铁磁材料作为磁介质，在一定励磁磁场下产生的固有损耗；涡流损耗是指感应电流在铁芯电阻上产生的损耗；后者是指除上述两者以外的损耗（由于所占比例较小，可忽略不计）。

④矫顽力　使磁化至技术饱和的永磁体的磁感应强度降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力，它表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其他退磁效应的能力，其单位与磁场强度单位相同，为A/m。

1.2.5　一些金属元素的部分物理性能

由于金属材料的种类繁多，表1.5仅列出一些金属元素的部分物理性能。

1.3　金属材料的力学性能

1.3.1　术语

①应力　试验期间任一时刻的作用力 F _m 除以试样原始横截面积 S ₀ 之商，单位为MPa（N/mm ² ），包括正应力、切应力、轴向应力和横向应力等。

②弹性模量　低于比例极限的应力与相应应变的比值，一般用符号“ E ”表示。

③剪切模量　切应力与切应变成线性比例关系范围内切应力与切应变之比，一般用符号“ G ”表示。

④泊松比　低于材料比例极限的轴向应力所产生的横向应变与相应轴向应变的负比值，一般用符号“ μ ”表示。

⑤最大扭矩　屈服阶段之后所能承受的最大扭矩，对于无明显屈服（连续屈服）的金属材料，为试验期间的最大扭矩。

1.3.2　强度

强度是金属在一定温度条件下承受外力作用时，抵抗变形和断裂的极限能力，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、屈服强度等。

①抗拉强度 R _m 表示金属在静拉伸条件下的最大承载能力（对于脆性材料，它反映了材料的断裂抗力），单位为MPa（N/mm ² ）。以下未注明单位时同此。

②抗压强度 R _mc 指材料在压裂前所能承受的最大应力值。对于脆性材料，指试样压至破坏过程中的最大压缩应力；对于在压缩中不以粉碎性破裂而失效的塑性材料，抗压强度则取决于规定应变和试样几何形状。

③抗剪强度 R _τ 指材料在剪断前所能承受的最大应力值。

④抗弯强度 R _bb 指材料在弯断前所能承受的最大应力值，即弯曲试验中试样破坏时拉伸侧表面的最大正应力。

⑤抗扭强度 τ _b 指材料在扭断前所能承受的最大剪切应力值。

⑥屈服强度 R _e 指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。

上屈服强度 R _eH ：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，对应上屈服力 F _eH ；

下屈服强度 R _eL ：试样在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力，对应下屈服力 F _eL 。

⑦规定非比例延伸强度 R _p 指非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率，例如 R _p0.2 ，表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。

⑧疲劳强度 σ _N 很多机械零件在交变应力作用下工作一段时间后会发生断裂，而交变应力大小和断裂循环次数之间的有一定的关系。在实际工作中，常把循环次数达到某一数值（常用钢材的循环基数为10 ⁷ ，非铁金属和某些超高强度钢的循环基数为10 ⁸ ）时不发生断裂的最高应力称为疲劳强度。

1.3.3　塑性

塑性表示金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力，通常以伸长率 A 和试样断面收缩率 Z 表示。

①断后伸长率 A 材料受拉力作用断裂时，试棒伸长的长度（ L _u - L ₀ ）与原来长度 L ₀ 的百分比（%）。

GB/T 228.1—2010规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距 L ₀ 与原始横截面积 S ₀ 的关系是 L ₀ = k 。比例系数 k =5.65时称为短比例试样（国际上使用的比例系数）， k =11.3时称为长比例试样。对于后者，其断后伸长率应标成 A _11.3 。

对于非比例试样，符号 A 应附以下脚注说明所使用的原始标距，mm。例如， A _80mm 表示原始标距（ L ₀ ）为80mm的断后伸长率。

②断面收缩率 Z 材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积（ S ₀ - S _u ）与原始断面积 S ₀ 的百分比（%）。断后伸长率和断面收缩率越大，表示材料的延性越好。

GB/T 228.1—2010《金属材料　拉伸试验　第1部分：室温试验方法》中的力学性能名称和符号与GB/T 228—2002标准有所不同，但是与GB/T 228—1987相比差异很大。为了大家在参考其他资料时方便，现将金属材料力学性能名称和符号新旧对照列于表1.6。

①在GB/T 228—2002中称为“规定塑性延伸强度”。

1.3.4　硬度

硬度是材料抵抗变形，特别是压痕或划痕形成的永久变形的能力。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

①布氏硬度HB　布氏硬度有HBS和HBW两种表示方法。

HBS表示压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下的材料，如软钢、灰铸铁和非铁金属等。

HBW表示压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下的材料。

布氏硬度的表示方法：HBS或HBW之前的数字为硬度值，后面按顺序用数字表示试验条件：压头的球体直径/试验载荷/试验载荷保持的时间（10～15s不标注）。

例如：170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N（1000kgf）的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。而530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N（750kgf）的试验载荷作用下，保持10～15s时测得的布氏硬度值为530。

②洛氏硬度HR　材料抵抗通过硬质合金或钢球压头，或对应某一标尺的金刚石圆锥体压头，施加试验力所产生永久压痕变形的度量，其值没有单位。洛氏硬度有三种：HRA（金刚石圆锥压头），适用范围为20～88；HRB（ ϕ 1.588mm钢球压头），适用范围为20～100；HRC（金刚石圆锥压头），适用范围为20～70。

③维氏硬度HV　材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头，施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位［HV=0.102×试验力（N）/永久压痕的表面积（mm ² ）］。

这种方法可用于测定很薄金属材料的表面层硬度，测量范围为5～1000。例如640HV30/20表示用30kgf（294.2N）保持20s，测定的维氏硬度值为640（MPa）。它具有布氏、洛氏法的主要优点，而克服了它们的基本缺点，但不如洛氏法简便。

1.3.5　韧性

韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，有断裂韧性与冲击韧性之分。

①断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关，而和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所做的功表示。

②冲击韧性表示金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，用摆锤弯曲冲击试验测定。将质量为 m 的摆锤提升到 h ₁ 高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断，并升到 h ₂ 高度，冲断试样所消耗的功为 A _k = mg （ h ₁ - h ₂ ），J。金属的冲击韧性 α _k 就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功，即 α _k = A _k / A （J/cm ² ）（ A 为试样缺口处原始截面积，cm ² ）。

冲击试验中常用到冲击吸收能量，是指规定形状和尺寸的试样，在摆锤刀刃冲击试验力一次作用下折断时所吸收的能量。U形缺口时用KU _x 表示，V形缺口时用KV _x 表示（其中“ x ”表示刀刃宽度，可为2mm或8mm），单位为J。

1.3.6　弹性

弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤销后能恢复原来大小和形状的性质。在固体力学中弹性是指当应力被移除后，材料恢复到变形前的状态。线性弹性材料的形变与外加的载荷成正比。在一定的限度以内，物体所受的外力撤销后，能够恢复原来的大小和形状；在限度以外则不能恢复原状，这个限度叫弹性极限。

1.4　金属材料的化学性能

金属材料在室温或高温下抵抗各种介质化学侵蚀的能力称为金属材料的化学性能。

①抗腐蚀性是金属材料抵抗各种介质（大气、酸、碱、盐）浸蚀的能力。

②抗氧化性是金属材料抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力。如果金属与空气中的氧进行化合而形成致密氧化层，那么金属就得到了保护，抗氧化性就好，反之亦然。

③热稳定性是金属材料在高温下的化学稳定性，对于在高温下工作的零部件尤为重要。

1.5　金属材料的工艺性能

金属的工艺性能是指金属的可机加工性，如可切削性、可铸性、可锻性、可冲压性、可焊性和可热处理性等。

①可切削性　指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。其指标有加工后工件的表面粗糙度、允许的切削速度以及刀具的磨损程度等。

②可铸性　指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能，主要包括流动性，收缩性和偏析。

③可锻性　指金属材料在压力加工（锤锻、轧制、拉伸、挤压等）时，能改变形状而不产生裂纹的性能。

④可冲压性　金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。

⑤可焊性　主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括焊接后材料的结合性能和使用性能。

⑥可热处理性　热处理是通过对金属加热、保温和冷却，改变固态金属的组织，以得到所需要的组织结构和性能的一种工艺。它只改变材料的使用性能和工艺性能，而不改变零件的形状和尺寸。有常规热处理和化学热处理两大类。可热处理性的主要项目有淬透性、二次硬化和回火脆性等。

1.6　黑色金属材料的热处理

1.6.1　金相组织

金相组织是反映金属或合金在某种化学成分和外界条件时内部结构的资料。

1.6.2　铁碳合金相图

铁碳合金相图，是表示不同成分的铁碳合金在极缓慢加热（或极缓慢冷却）情况下，不同温度时所具有的状态或组织的图形，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。

1.6.3　相图中的特征点

A ：纯铁的熔点，1538℃， C =0.0%；

B ：发生包晶反应时液相的成分，1495℃， C =0.53%；

C ：共晶点，1148℃， C =4.3%；

D ：渗碳体的熔点，1227℃， C =6.69%；

E ：C在γ-Fe中的最大溶解度，1148℃， C =2.11%；

F ：共晶渗碳体的成分，1148℃， C =6.69%；

G ：纯铁的α-Fe γ-Fe同素异构转变点，912℃， C =0.0%；

H ：C在δ-Fe中的最大溶解度，1495℃， C =0.09%；

J ：包晶点，1495℃， C =0.17%；

K ：渗碳体，727℃， C =6.69%；

N ：纯铁的δ-Fe γ-Fe同素异构转变点，1394℃， C =0.0%；

Q ：碳在α-Fe中的最大溶解度，室温， C =0.0008%；

P ：碳在α-Fe中的最大溶解度，727℃， C =0.218%；

S ：共析点，727℃， C =0.77%。

1.6.4　主要特征线

ACD 线：液相线，在此线的上方所有的铁碳合金均为液体，称为液相区，用 L 表示。线上的点对应不同成分合金的结晶开始温度。 AC 线以下结晶出奥氏体，在 CD 线以下结晶出渗碳体。

AECF 线：固相线，在此线的下方所有的铁碳合金均为固体，线上的点对应不同成分合金的结晶终了温度。

在 ACD 线与 AECF 线之间是结晶区，即过渡区。此区域液相与固相并存。 AEC 区内为液相合金和固相奥氏体， CDF 区内为液相合金与固相渗碳体。

GS 线：从 A 中析出 F 的开始线，又称 A ₃ 线。奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。

ES 线： C 在 A 中溶解度曲线，又称 A _cm 线。在 AGSE 区内为单相奥氏体。

ECF ：共晶线，温度为1148℃。

PSK 线：共析线，又称 A ₁ 线，温度为727℃。

1.6.5　热处理状态代号

1.6.6　常规热处理

常规热处理采用物理方法改变材料的力学性能。

1.6.7　化学热处理

化学热处理是将金属工件置于一定温度的活性介质中保温，渗入一种或几种元素，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

此外，化学热处理还有渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗及碳（氮）化钛覆盖等。

1.6.8　真空热处理

真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的热处理技术，其真空环境低于一个大气压（包括从低真空到超高真空）。与常规热处理相比，可实现工件无氧化、无脱碳、表面光洁，并有脱脂等作用，可大大提高热处理质量。

1.7　合金元素在钢铁材料中的作用

1.7.1　合金元素在合金钢中的作用

1.7.2　合金元素对钢工艺性的影响

1.7.3　微量元素对铸钢组织及性能的影响

1.7.4　合金元素在铸铁中的作用

1.7.5　合金元素在非铁合金中的作用

（1）在铝合金中的作用

（2）在镁合金中的作用

（3）在钛合金中的作用

1.8　钢铁及合金材料的统一数字代号（GB/T 17616—2013）

为了便于钢铁及合金产品的设计、生产、使用、标准化和现代化计算机管理，我国于1998年就颁布了GB/T 17616《钢铁及合金牌号统一数字代号体系》，代号ISC（iron and steel code的缩写），主要按钢铁及合金的基本成分、特性和用途，同时照顾到我国现有的习惯分类方法以及各类产品牌号实际数量情况。由于各类钢铁及合金材料的发展和新型材料的出现，2013年又对原版标准作了一些必要的修改。这种表示方法与钢铁牌号同时有效。

统一数字代号由固定的6位符号组成，左边首位用大写的拉丁字母作前缀，后接五位阿拉伯数字，字母和数字之间不留间隙。每一个统一数字代号只对应于一个产品牌号，其结构形式如下：

1.9　金属材料的交货状态

1.10　金属材料的涂色标记

生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，常做一定的标记，如涂色、打印、挂牌等。金属材料的涂色标志是表示钢号、钢种的，涂在材料一端的端面或端部。具体的涂色标记见表1.23～表1.25。

1.11　金属材料硬度、强度及其换算

1.11.1　碳钢和合金钢的硬度与强度换算值（GB/T 1172—1999）

1.11.2　低碳钢的硬度与强度换算值

1.11.3　铜合金的硬度与强度换算值（GB/T 3771—1983）

1.12　常用计量单位

注：亿和万仅用于我国文字和口语中。

1.13　技术标准代号和编号

1.13.1　我国标准的代号和编号

《中华人民共和国标准化法》将标准划分为四个层次：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。各层次之间有一定的依从关系和内在联系。

①国家标准　代号为GB和GB/T，其含义分别为强制性国家标准和推荐性国家标准，它是四级标准体系中的主体，其他各级标准不得与之相抵触。

每一种技术标准都有其相应的代号和编号，代号一律用大写的汉语拼音字母（一般为两个字母）表示其类别，编号由两组阿拉伯数字组成，第一组为顺序编号，第二组表示其批准年份，两组之间用横线分开。如“GB 3197—2001”中“GB”代表“国标”，“3197”为该标准的批准顺序号，“2001”为颁布实施的年份；“GB/T 17452—1998”，“GB/T”代表“推荐性国标”，“17452”为编号，发布的年号为1998年。

②行业标准　行业标准用各行业名称的汉语拼音缩写表示，部分行业的标准代号见表1.34。

③地方标准　地方标准的编号，由地方标准代号、地方标准顺序号和年号三部分组成。也分强制性标准和推荐性标准，其代号由汉语拼音字母“DB”加上省、自治区、直辖市行政区划代码前两位数再加斜线组成。部分省、自治区、直辖市代码见表1.35。

④企业标准　Q+企业代号

此外，还有“国家标准化指导性技术文件”，其代号为“GB/Z”，供使用者参考。

1.13.2　部分国外标准代号