1.4 金 属 材 料
铸铁
粉末
冶金材料
铝
及其合金
铜
及其合金
钢
金属材料
常用的金属材料包括 钢、铸铁、铜及其合金、铝及其
合金、粉末冶金材料 等，其中以钢和铸铁应用最为广
泛。
图 1-14 芜湖长江大桥
1.4.1 钢
1.化学成分对钢的力学性能的影响
（ 1）杂质元素的影响,
1) 锰、硅的影响, 有益元素,
Mn和 Si在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。 Mn
能减轻 S的有害作用。 FeS＋ Mn＝ MnS＋ Fe
2) 硫的影响,有害元素,Fe＋ S＝ FeS,FeS与 Fe
易形成低熔点的共晶体，可使钢引起热脆性。
3) 磷的影响,有害元素, 。 P在钢中可溶于铁素体，
使钢强度、硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生
冷脆现象。但 P与 Cu同时存在，可提高钢的耐蚀性和
耐磨性。
(2)合金元素的影响
? 合金元素,是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入
的元素,对钢的力学性能有很大影响。
1) 对钢的强度的影响,
C,Si,Mn产生固溶强化，使钢的强度提高。
C,N,Cr,Al形成碳化物或氮化物，使钢的强度和
硬度提高。
Nb,V,Al,Ti可细化晶粒，提高钢的强度。
2）对钢的韧性的影响,
Nb,V等元素可细化晶粒,从而也显著提高钢的韧性。
C,Si,Mn一般使钢的韧性降低。
2,钢的分类
(1)按化学成分分类,
根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为
1）非合金钢（碳素钢）,分普通碳素结构钢、优质碳
素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于 0.25%为低碳
钢,0.25－ 0.6%为中碳钢，大于 0.6%为高碳钢，。
2）低合金高强度结构钢,
3）合金钢。
钢的分类
化学成分 质量等级 主要性能 使用特性
表 1-2 部分合金元素规定质量分数界限值 (%)
合金元素 非合金钢 低合金钢 合金钢
Cr <0.30 0.30~0.50 ≥0.50
Mn <1.00 1.00~1.40 ≥1.40
Mo <0.05 0.05~0.10 ≥0.10
Ni <0.30 0.30~0.50 ≥0.50
Si <0.50 0.50~0.90 ≥0.90
(2)按主要质量等级分类
1) 普通质量钢, 即对生产过程中控制质量无特殊规
定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。 S,P含量
均小于 0.045%。
2) 优质钢,即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,
并达到比普通质量钢较高的质量要求。 S,P含量均
小于 0.040%。
3）特殊质量钢,即在生产过程中需要严格控制质量
和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和
提高纯洁度等。 S,P含量均小于 0.020%。
按质量等级
普通质量钢 优质钢 特殊质量钢
(3) 按使用特性分类
可分为,
工具钢,
工程结构用钢,
机械结构用钢,
不锈耐蚀钢,
耐热钢 等。
工程
结构用钢
耐热钢 不锈耐蚀钢
机械
结构用钢
工具钢
使用特性
(1)非合金钢
1)碳素结构钢
牌号, 例如 Q235F
,Q” 表示屈服点,
, 235” 表示屈服点值为 235MPa,
,F” 表示脱氧方法（沸腾钢）。
用途, 碳素结构钢 w(C)为 0.06%~0.38%。
主要用来制造 一般工程结构和普通机床零件,
通常轧制成各种 型材、板材和线材 等。
3.钢的牌号和应用
牌号
质
量
等
级
化学成分 (质量分数,%) 力学性能
C Mn
Si S P σs
/MPa
σb
/MPa δ(%) 不大于
Q195 —— 0.06~0.12 0.25~0.50 0.03 0.050 0.045 195 315~430 33
Q215 A 0.09~0.15 0.25~0.55 0.30 0.050 0.045 215 335~450 31
Q255 A 0.18~0.28 0.40~0.70 0.30 0.050 0.045 255 410~550 24
Q275 —— 0.28~0.38 0.50~0.80 0.35 0.050 0.045 275 490~630 20
表 1-3 碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能
2)优质碳素结构钢
牌号, 是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平
均碳的质量分数（万分数）。
例如 45钢
表示平均 w(C)为 0.45%的优质碳素结构钢。
若为沸腾钢，则在牌号后加,F”符号，如 08F。
若含锰量较高，则在数字后加,Mn”符号。
用途, 主要用来制造比较重要的机械零件,
如轴、连杆、弹簧等。
20钢金相组织示意图
牌
号
化学成分
（质量分数,%） 力学性能（不小于） 应用举例
C Si Mn
σs/
MP
a
σb/
MPa
δ
(%)
ψ
(%)
HBS
(热轧）
08F 0.05~ 0.11 ≤0.03 0.25~ 0.50 295 175 35 60 131
要求冷成形性和焊接
性良好的零件，如冲
压件、焊接件等。
20 0.17~ 0.23 0.17~ 0.37
0.35~
0.65
410 245 25 55 156 同上，且用于要求内 韧外硬的渗碳件。
60 0.57~ 0.65 0.17~ 0.37 0.50~ 0.80 675 400 15 35 255
经淬火和中温回火具
有较高弹性的各类弹
簧等。
表 1-4 优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例
3）碳素工具钢
牌号, 是用规定符号 T（碳
字的汉语拼音字首）和数
字表示。
例如 T10A
,10”表示平均 w(C)为 1.0%,
, A”表示高级优质。
用途, 用于制造不受冲击,
高硬度、耐磨的工具,
如锉刀、手锯条、拉丝模等。
T12钢的金相组织
图 1-15 丝锥
牌号
化学成分（质量分数，
%）
试样淬火
HRC
（不小于）
应用举例
C Si Mn
T8 0.75~ 0.84
≤0.35
≤0.40
（ 780~
800℃,
水淬） 62
承受冲击，要求较高硬
度的工具。如压缩空气
工具等。
T9A 0.85~ 0.94
≤0.40
（ 760~
780℃,
水淬） 62
韧性中等，硬度高的工
具。如冲头、木工工具，
凿岩工具。
T10 0.95~ 1.04
不受剧烈冲击、高硬度、
耐磨的工具。如冲头、
手锯条等。
T12A 1.15~ 1.24
不受冲击、要求高硬度、
高耐磨的工具。如锉刀、
量具等。
表 1-5 碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用
(2)低合金高强度结构钢
牌号,例如 Q390A
,Q”表示屈服点,
, 390”表示屈服点值为 390MPa,
, A”表示质量等级为 A 级。
用途, 低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理,
综合力学性能良好,
用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。
(3) 合金钢
1）合金结构钢
牌号, 例如 60Si2Mn,
,60”表示平均 w(C)=0.6%,
, Si2,表示平均 w(Si)=2%,
, Mn,表示平均 w(Mn)<1.5%。
用途, 合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢,
常用来制造 重要的零件,如 齿轮、轴类、弹簧 等。
例：渗碳钢,20CrMnTi；
调质钢,40CrMn；
弹簧钢,60Si2Mn。
2）合金工具钢
牌号,
例 1,低合金工具钢, 9SiCr
,9” 表示平均 w(C)=0.9%,
, Si”表示平均 w (Si) <1.5%,
, Cr”表示平均 w(Cr)<1.5%。
用途,合金工具钢的力学性能
优于碳素工具钢,
广泛用于制造各种刃具、量具、
模具等。
如钻头、绞刀、量块和冲模等。
图 1-16 硬质合金冲模
例 2：高合金工具钢
高速钢,W18Cr4V
平均 w(C)为 0.7－ 0.8%,
,W18”表示平均 w(W)=18%,
, Cr4”表示平均 w(Cr)=4%,
,V”表示平均 w(V) ＜ 1.5%。
用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。
(4)铸钢
即在凝固过程中 不经历共晶转变 的用于生产铸件的
铁基合金。
性能特点,铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁,
用途,主要用于制造承受 重载荷及冲击载荷 的构件。
如锻锤机架、齿轮、轧辊等。
在各类铸造合金中,
铸钢的应用仅次于铸铁。
主要 分为,铸造碳钢和
铸造合金钢。
图 1-17 铸钢件
1)铸造碳钢
牌号, 例如 ZG230－ 450
450—б b≥ 450MPa；
230—б s（ σ 0.2） ≥ 230MPa；
ZG —,铸钢, 汉语拼音首字母。
性能特点,
有一定的强度和较好的塑
性、韧性，焊接性能良好，
切削加工性尚好。
用途,
作砧座、轴承盖、齿轮等。
图 1-18 各种铸钢件
牌号
化学成分（质
量分数,%）
力学性能（最小
值）
主要特点及应用
C Si Mn
σs
(σ0.2)
/MPa
Σb
/MPa
δ
(%)
ZG200
－ 400
0.20 0.50 0.80 200 400 25
塑性、韧性较好，强度、
硬度较低，焊接性良好，
但铸造性能差，用于受力
不大，韧性要求较高的零
件。如机座、机架等。
ZG340
－ 640 0.60 0.60 0.90 340 640 10
强度、硬度较高，塑性、
韧性较差，焊接性和铸造
性能均差，用于受力较大
的耐磨零件。如齿轮、棘
轮、车轮等。
表 1-6 铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用
2)铸造合金钢
即为改善性能而添加的合金元素含量
超过 铸造碳钢范围的铸钢。
牌号, 例如 ZG30MnSi1 30—— W（ C） 为 0.3%左右 。
Si—— W（ Si ） 为 0.9~1.4%
Mn—— W（ Mn） 为 0.9~1.4%
主要特点,耐磨性高 。
用途,用于受力较大的耐磨零件,
如链轮, 齿轮, 承力支架等 。
1.4.2 铸 铁
? 铸铁, 在凝固过程中 经
历共晶转变,用于生产
铸件的铁基合金的总称。
性能特点,
良好的铸造性能、切削
加工性能、耐磨性和减震
性，且熔炼工艺与设备比
较简单，成本低廉。
用途, 铸铁件占铸件总
产量的 80%左右。
如 机床床身、箱体 等。
w(Si)1.0%~
3.0%
w(Mn)0.5%~
1.3%
w(P) ≤0.3% w(S) ≤0.15%
w(C) 2.5%~
4.0% 铸铁的
化学成分
1.铁碳合金双重相图
铸铁中，碳的存在
形式有渗碳体 （ Fe3C）
和游离状态的石墨 （ G）
两种。
铁碳合金实际上存在
两种相图,
（ 1） Fe－ Fe3C相图,
（ 2） Fe－ G相图。 图 1-19 铁碳双重相图
2.铸铁的石墨化过程 (三个过程 )
第一阶段,高温石墨化阶段,
, 一次结晶析出石墨 G”
1154℃, L4.26 → A2.08+G(共晶 )
第二阶段,中间石墨化阶段,
, 二次结晶析出 G”
1154-738℃, A → G
第三阶段,低温石墨化阶段,
, 共析反应析出 G”
738℃, A0.68 →F+G (共析 )
铸铁的石墨化过
程包括铸铁凝固时
碳以石墨形态析出
的过程和铸铁中碳
化物分解为石墨的
过程。
以共晶合金为
例，如果全部按照
F e - C (石墨)相图进行
结晶，则铸铁的石
墨化过程可分为三
个阶段：
第一阶段石墨化：
温度在1 1 5 4 ℃时液
铸铁的组织,
铸铁按石墨化程度的不
同可获得三种不同基体的
组织,
（ 1）珠光体 +石墨,
（ 2）珠光体 +铁素体 +石墨,
（ 3）铁素体 +石墨。
铁素体
+石墨
铁素体
+珠光体
+石墨
珠光体 +
石墨
铸铁组织
3.影响铸铁石墨化的因素
影响铸铁石墨化的因素主要有 化学成分 和 冷却速度 。
（ 1）化学成分
碳和硅 分别是 形成石墨 和 强烈促进 石墨化的元素,
铸铁中碳、硅含量越高，石墨越容易析出。
硫 强烈 阻碍 石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向,
锰 虽然 阻碍 石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利
于 减弱 硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成,
强化基体，故铸铁中必须含一定量的锰。
磷 是 微弱促进 石墨化的元素,
但会增加铸铁的冷脆性。
（ 2)冷却速度
1） 慢冷,利于石墨析出并长大，形成灰口,
2） 快冷,石墨来不及析出,
碳以 Fe3C存在, 形成白口 。
注, 要获得所需的组织和性能的铸件, 应根据
铸件的 壁厚, 控制铸件中 碳和硅的含量, 配
合以适当的 含锰量, 并严格控制硫, 磷的含
量 。
（ 3）变质处理（孕育处理）
? 变质处理,在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育
剂），如 Si－ Fe,Si－ Ca合金，以增加石墨的结晶
核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高
强度铸铁。
? 变质铸铁 （孕育铸铁）
即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。
性能特点,强度较高，塑性、韧性得到改善。
4.铸铁的分类、牌号及应用
按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以
将铸铁分为 白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨
铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁 等类型。
铸铁
按石墨形态 按碳的存在形式
白口铸铁 麻口铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁
铸铁中常见的石墨形态 （ 示意图 ）
铸铁中常见的石墨形态
(1) 片状
（ 2）球状
（ 3）团絮状
（ 4）蠕虫状
(1)白口铸铁
白口铸铁, 碳以游离碳化
物的形式析出的铸铁，断
口呈白色。白口铸铁硬而
脆，难以加工，很少用来
制造零件，有时利用其硬
而耐磨的特点制造某些耐
磨零件，如球磨机的衬板、
磨球等。
（ 2）麻口铸铁
麻口铸铁, 碳部分以游离碳
化物形式析出，部分以石
墨形式析出的铸铁，断口
呈灰白色相间。
图 1-21 灰口铸铁
图 1-20 白口铸铁
（ 3）灰铸铁
灰铸铁,又称片墨铸铁,
碳主要以 片状石墨 形成或析出的铸铁。
1)灰铸铁的性能
①力学性能 较差（相比碳钢）。
②工艺性能
铸造性能良好，切削加工性能良好,
不能进行锻造，焊接性和热处理性能也差。
③其它使用性能
耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。
2)灰铸铁的牌号及应用
牌号,例如 HT200
,200”,
抗拉强度 бb≥ 200MPa,
, HT”,
灰铁的汉语拼音首字母 。
应用,
用于制造机座, 支架,
缝纫机零件, 车床床身等 。
图 1-22 灰铸铁件
类
别
牌号 铸件壁
厚 /cm
基体
组织
最小抗拉强
度 σb/MPa
HBS 应用举例
普
通
灰
铸
铁
HT100
2.5~10
10~20
20~30
30~50
F
130
100
90
80
110~167
93~140
87~131
82~122
负荷很小的
不重要零件。
如重锤、防护
罩、盖板等
普
通
灰
铸
铁
HT150
2.5~10
10~20
20~30
30~50
F+P
175
145
130
120
136~205
119~179
110~167
105~157
承受中等负荷
件。如机座、
支架、箱体、
轴承座、缝纫
机零件等
表 1-7 灰铸铁部分牌号、力学性能和应用
类
别
牌号 铸件
壁厚
/cm
基体
组织
最小抗拉强
度 σb/MPa
HBS 应用举例
孕
育
铸
铁
HT250
4~10
10~20
20~30
30~50
P
270
240
220
200
174~262
164~247
157~236
150~225
负荷较大
的铸件，尤其
是厚壁件。如
机体、阀体液
压缸等。
HT300
10~20
20~30
30~50
290
250
230
182~272
168~251
161~241
载荷较大
的重要铸件，
尤其是厚壁件。
如齿轮、凸轮、
重型机床床身、
液压件等
续上表,
3）孕育铸铁
? 孕育铸铁, 铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁。
性能特点,孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小,
组织和性能的均匀性很好,
应用,适用于制造载荷较大、耐磨性减震性要求较高的
重要铸件，特别是厚大铸件。如机床床身、发动
机气缸体等。
图 1-23 孕育剂
（４）球墨铸铁
1) 球墨铸铁, 铁液经过球化
处理和孕育处理，使石墨
大部分或全部呈球状的铸
铁。
2) 化学成分、组织、性能,
化学成分特点,
高碳、硅，低锰、磷、硫。
图 1-24 球墨铸铁
组织, F＋ G球,
F＋ P＋ G球,
P＋ G球。
性能,强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁）,
同时具有灰铁的优良性能。
3）球墨铸铁的牌号和应用
牌号, 例如 QT600－ 3
,QT” ——球铁的汉语拼音首字母,
, 600”—— 抗拉强度 бb≥300Mpa,
, 3” —— 伸长率 δ≥3% 。
应用,用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。
牌号
基体
机械性能
应用举例 ?
b?
MPa
?0.2?
MPa
?5?
%
ak?
kJm2
HBS
QT400-18
F
400
250
18
600
130～
180
汽车、拖
拉机后桥
壳
QT500-7
F+P
500
350
7
－
170～
230
齿轮
QT1200-1
B下
1200
840
1
300
≥38
HRC
汽车、拖
拉机传动
齿轮
表 1-8 球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用
4）常用的球墨铸铁
目前应用最为广泛的是珠
光体球墨铸铁和铁素体球墨
铸铁。
（ 1）珠光体球墨铸铁
指 基体主要为珠光体 的
球墨铸铁，强度、硬度高,
耐磨性好。
（ 2）铁素体球墨铸铁
指 基体主要为铁素体 的
球墨铸铁，抗拉强度比珠光
体球铁低，但塑性、韧性较
高，力学性能优于可锻铸铁。
图1
-25
珠
光
体
球
墨
铸
铁
图1-
26
铁
素
体
球
墨
铸
铁
图1-
27
混
合
基
体
球
墨
铸
铁
（ 5） 可锻铸铁 可锻铸铁,
又称马铁或玛钢 。
是白口铸铁通过 石墨化
退火 处理，改变其金相组
织或成分而获得的有较高
韧性的铸铁。
可锻铸铁中的碳主要以
团絮状石墨 存在。
图 1-28 可锻铸铁
1） 化学成分,
W(C),2.4－ 2.8%,W(Si),1.2－ 2.0%,
W(Mn),0.4－ 1.2%,W(S) ≤0.1%,
W(P) ≤0.2%。
2）性能特点,
灰铸铁相比不仅有较高的强度，而且有较高的
塑性和韧性。
可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是 不可锻造 的。
3）可锻铸铁的生产,
先 浇注成白口铸件,再 经石墨化退火获得。
4）牌号及应用
①黑心可锻铸铁
牌号, 例 KTH350－ 10
组织, F+G团絮
性能, 塑性, 韧性较好, 强度不高,
应用, 用于受冲击, 振动及扭转负荷的零件 。
如曲轴, 连杆, 齿轮, 传动链条等 。
② 珠光体可锻铸铁
牌号, 例 KTZ650－ 02
组织, P+G团絮
性能, 强度, 硬度高, 塑性, 韧性比黑心可锻铸铁差,
应用, 制作曲轴, 连杆, 齿轮, 传动链条等 。
分
类
牌 号
试
棒
直
径
mm
抗拉
强度
?b?
MPa
延伸
率
??%
硬度 ?
HB
应用举例
铁
素
体
基
体
KT300-06
16
300
6
≤150
承受冲击、振
动及扭转负荷
的零件，如汽
车的后桥壳、
管件等。
KT370-12
16
370
12
珠
光
体
基
体
KT450-06
16
450
6
150~200
负荷较高和耐
磨损零件，如
曲轴、连杆、
齿轮等。
KTZ700-02
16
700
2
240~290
表 1-9 可锻铸铁部分牌号、力学性能及应用
（ 6） 蠕墨铸铁
1） 蠕墨铸铁, 金相组织中石墨
形态主要为蠕虫状石墨的铸铁，它
是向一定成分的铁液中加入适量的
蠕化剂 （如镁钛合金等）和 孕育剂
而获得的。
2）性能特点,
①强度比灰铸铁高,
②有一定的韧性和较高的耐磨性,
③壁厚敏感性比灰铁小得多,
④减震性比球铁高，低于灰铁。
⑤工艺性良好，铸造性能接近灰
铁，切削加工性能接近球铁。
图 1-29 蠕墨铸铁
5）蠕墨铸铁的生产
与球墨铸铁基本相同。
①铁液成分,高碳、硅，低锰、磷、硫,
②蠕化处理,
蠕化剂,国外，镁合金；
国内，稀土镁钛，稀土镁钙合金等。
采用冲入法,
加入量：为铁液质量的 1－ 2％。
③孕育处理,加孕育剂。
注,蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中需严格控
制蠕化剂。
（ 7）合金铸铁 ? 合金铸铁, 常规元素硅、锰高
于 普通铸铁规定含量或 含有其它
合金元素,具有较高力学性能或
某些特殊性能的铸铁。
性能特点,具有更高的力学性能，
还具有某些特殊性能，如耐热、
耐磨、耐蚀等。
应用, 例如在孕育铸铁中加入质量
分数为 0.4%~0.6%的磷或同时
加入少量的铜、钛等元素，就可
以得到 高磷耐磨铸铁,可用来制
造轴承、活塞环、机床导轨等零
件。 图 1-30 耐热合金铸铁模具
1.4.3 非铁金属材料
钢铁材料以外的金属材料,
统称为 非铁金属材料 。
如铜、铝、铅 等及其合金。
性能特点, 密度小、色泽鲜
艳、导电、耐热、耐蚀或
良好的加工性能等。
因而成为现代工业中
不可缺少的材料。
图 1-31 中国古代铜的冶炼
１,铜及其合金
（１） 阴极铜
又称纯铜，外观呈紫色，
熔点为 1083℃,具有良好
的导电性，导热性、耐蚀
性及塑性。
（ ２） 铜合金
即以铜为基的合金。
按化学成分不同可分为
黄铜、青铜及白铜 三类。
青铜 白铜
黄铜
铜合金
１）黄铜 Ｃ u-Zn合金或以 Zn为主要合金
元素的铜合金称为 黄铜 。
按化学成分的不同，黄铜可分为普
通黄铜和特殊黄铜两类。
①普通黄铜
铜锌 二元合金，其中多数通过压力
加工制成型材，成为 普通变形黄铜 。
当平均 w(Zn)＝ 32%时，塑性
最好，强度最高，是工业上应用较
多的铜合金。 普通铸造黄铜 不但具
有优良的力学性能和铸造性能，而
且切削加工性能好，也可以焊接。
图 1-32 黄铜
② 特殊黄铜
在普通黄铜中加入其它元素所组成的多元合金称为
特殊黄铜 。常加入的元素有 铅、锡、硅、铝、铁 等，
相应地称这些特殊黄铜为 铅黄铜、锡黄铜 等等。
合金元素加入黄铜后，主要是提高黄铜的 特殊性能
和改善其工艺性能。
如加入 Sn,Al,Mn,Si可提高耐蚀性及减少黄铜
应力腐蚀开裂的倾向 ;
加 Si可改善铸造性能；
加 Pb则改善切削加工性能。
2) 青铜
青铜原指 Cu-Sn合金，是人类应用最早的一种合
金，但工业上习惯称含有 Al,Si,Pb,Mn,Be等的
铜基合金为青铜。青铜包括有 锡青铜、铝青铜、铍青
铜 等。
图 1－ 33 青铜工艺品
①锡青铜
以S n 为主要合金元
素的铜基合金称为锡
青铜。
当锡青铜的含
S n 量＜8 % 时，其室温
组织是单相α固溶
体。α 固溶体是S n 在
C u 中的固溶体，具有
良好的塑性。含S n 量
＞10 %,锡青铜的室
温组织为α + 共析体
(α + δ) 。δ相是 一个硬
3）白铜
白铜,以 镍 为主加合金元
素的铜合金。
主要有普通白铜、铝白铜
和锰白铜等。
白铜耐蚀性好、电
阻率高，多用来制造船舶
仪器零件、化工机械零件
和医疗器械。 图 1-34 白铜管
2.铝及铝合金 铝是地壳中储量最
丰富的元素之一，约占
全部金属的三分之一。
特点,铝的比重轻，是铜
的 1/3倍，属于轻金
属。熔点是 660℃ 。
铝的导电性和导热性
都很好，仅次于银和
铜。因此，铝被广泛
用于制造导电材料和
热传导器件。
图 1-35 铝为基的二元合金的共晶相图
(1)纯铝
特点,质量轻、溶点低。具有良好
的塑性、耐蚀性、导热性和导电性，
且价格相对低廉。但其强度和硬度均
低，因此用于制造电线、电缆、耐蚀
器具和生活用以及配制各种铝合金。
（ 2）铝合金
以铝为基的合金，强度高于纯铝，
用于制造承受载荷的结构零件。
主加元素,如铜、锰、硅、镁、锌等。
一般起强化作用。
附加元素,如铬、铁、锆等。
用于细化铝合金晶粒和
改善热处理性能。
图 1-36
铝合金扳状抛物面天线
根据铝合金的成分和工艺特点，
可以将铝合金分为 变形铝合金 和
铸造铝合金 两类。
1）变形铝合金
加热时能形成单相固溶体组
织，塑性较好，宜于进行 压力加工
的铝合金。
2）铸造铝合金
以铝为基的 铸造合金,其力学
性能不如变形铝合金，但铸造性能
好，适于制造形状复杂的铸件。
图 1-37
工业铝合金型材
图 1-38
铸造铝合金金相组织
1.4.4 粉末冶金材料
? 粉末冶金材料,
用粉末冶金方法制
造的材料，即制取 金属
粉末 并通过 成形 和 烧结
由金属粉末与（或不与）
非金属粉末添加剂的混
合物制成的材料。
图1
-39
粉
末
冶
金
制
品
1.粉末冶金材料的应用
粉末冶金材料的应用十分广泛。
1）机械制造 中常用作,
减磨材料、结构材料、过滤材料,
摩擦材料和硬质合金。
2）还可以制造 难溶金属材料,
特殊电磁性能材料、多孔金属过滤材料 等。
3）特别是 金属的熔点和密度相差悬殊、在液态下互不
相溶的合金，往往只能用粉末冶金的方法制取。
由于压模与金属粉末成本较高,
一般只适用于 中、小型制品 的成批、大量生产。
2.常用的粉末冶金材料
（ 1）硬质合金
硬质合金采用高硬度、难溶的金属碳化物（ WC,TiC等）
粉末为硬质点，加入 Co,Mo或 Ni作为粘结剂，经过混合、压
制和烧结而成。
特点,硬度高、耐磨性好、耐热性好，较高的抗弯强度与刚度,
良好的耐蚀性与抗氧化性，但韧性较低。
应用,用来制造刃具和以及某些冷作模具、量具和 不受冲击和
振动的高耐磨零件（如磨床顶尖等）。
硬质合金
硬质合金 烧结减摩材料
烧结摩擦材料
烧结钢
（ 2）烧结减摩材料和烧结摩擦材料
烧结减摩材料 是工作时要求减少摩擦的材料，以多孔轴承
材料最为常用。这种用铁与石墨或者青铜与石墨等粉末烧结材
料制成的轴承，具有多孔性，在毛细作用下,可以吸附大量油，
以供工作时润滑，所以又称含油轴承。
烧结摩擦材料 通常是用铁、铜等金属材料作为基体，并 加
入石棉,Al2O3等摩擦组元以及石墨或 MoS2等润滑剂的粉末加
压烧结或烧结后压制而成。广泛用来制造机器上的制动带和离
合器片等。
（ 3）烧结钢
以碳钢或合金钢粉末为主并用冶金法制成的材料，可用于
制造电钻齿轮和液压泵齿轮等。
思考题
1.钢中杂质元素和合金元素对钢的力学性能有哪些影响？
2.指出下列钢铁材料牌号的含义及主要用途,
Q235A 08F T8A Q345 ZG270-500
HT250 20Cr Cr12 5CrMnMo QT400-15
3.影响铸铁石墨化的因素有哪些？各是如何影响的？
4.各类铝合金在性能特点及应用上有哪些不同？
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铸铁
粉末
冶金材料
铝
及其合金
铜
及其合金
钢
金属材料
常用的金属材料包括 钢、铸铁、铜及其合金、铝及其
合金、粉末冶金材料 等，其中以钢和铸铁应用最为广
泛。
图 1-14 芜湖长江大桥
1.4.1 钢
1.化学成分对钢的力学性能的影响
（ 1）杂质元素的影响,
1) 锰、硅的影响, 有益元素,
Mn和 Si在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。 Mn
能减轻 S的有害作用。 FeS＋ Mn＝ MnS＋ Fe
2) 硫的影响,有害元素,Fe＋ S＝ FeS,FeS与 Fe
易形成低熔点的共晶体，可使钢引起热脆性。
3) 磷的影响,有害元素, 。 P在钢中可溶于铁素体，
使钢强度、硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生
冷脆现象。但 P与 Cu同时存在，可提高钢的耐蚀性和
耐磨性。
(2)合金元素的影响
? 合金元素,是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入
的元素,对钢的力学性能有很大影响。
1) 对钢的强度的影响,
C,Si,Mn产生固溶强化，使钢的强度提高。
C,N,Cr,Al形成碳化物或氮化物，使钢的强度和
硬度提高。
Nb,V,Al,Ti可细化晶粒，提高钢的强度。
2）对钢的韧性的影响,
Nb,V等元素可细化晶粒,从而也显著提高钢的韧性。
C,Si,Mn一般使钢的韧性降低。
2,钢的分类
(1)按化学成分分类,
根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为
1）非合金钢（碳素钢）,分普通碳素结构钢、优质碳
素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于 0.25%为低碳
钢,0.25－ 0.6%为中碳钢，大于 0.6%为高碳钢，。
2）低合金高强度结构钢,
3）合金钢。
钢的分类
化学成分 质量等级 主要性能 使用特性
表 1-2 部分合金元素规定质量分数界限值 (%)
合金元素 非合金钢 低合金钢 合金钢
Cr <0.30 0.30~0.50 ≥0.50
Mn <1.00 1.00~1.40 ≥1.40
Mo <0.05 0.05~0.10 ≥0.10
Ni <0.30 0.30~0.50 ≥0.50
Si <0.50 0.50~0.90 ≥0.90
(2)按主要质量等级分类
1) 普通质量钢, 即对生产过程中控制质量无特殊规
定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。 S,P含量
均小于 0.045%。
2) 优质钢,即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,
并达到比普通质量钢较高的质量要求。 S,P含量均
小于 0.040%。
3）特殊质量钢,即在生产过程中需要严格控制质量
和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和
提高纯洁度等。 S,P含量均小于 0.020%。
按质量等级
普通质量钢 优质钢 特殊质量钢
(3) 按使用特性分类
可分为,
工具钢,
工程结构用钢,
机械结构用钢,
不锈耐蚀钢,
耐热钢 等。
工程
结构用钢
耐热钢 不锈耐蚀钢
机械
结构用钢
工具钢
使用特性
(1)非合金钢
1)碳素结构钢
牌号, 例如 Q235F
,Q” 表示屈服点,
, 235” 表示屈服点值为 235MPa,
,F” 表示脱氧方法（沸腾钢）。
用途, 碳素结构钢 w(C)为 0.06%~0.38%。
主要用来制造 一般工程结构和普通机床零件,
通常轧制成各种 型材、板材和线材 等。
3.钢的牌号和应用
牌号
质
量
等
级
化学成分 (质量分数,%) 力学性能
C Mn
Si S P σs
/MPa
σb
/MPa δ(%) 不大于
Q195 —— 0.06~0.12 0.25~0.50 0.03 0.050 0.045 195 315~430 33
Q215 A 0.09~0.15 0.25~0.55 0.30 0.050 0.045 215 335~450 31
Q255 A 0.18~0.28 0.40~0.70 0.30 0.050 0.045 255 410~550 24
Q275 —— 0.28~0.38 0.50~0.80 0.35 0.050 0.045 275 490~630 20
表 1-3 碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能
2)优质碳素结构钢
牌号, 是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平
均碳的质量分数（万分数）。
例如 45钢
表示平均 w(C)为 0.45%的优质碳素结构钢。
若为沸腾钢，则在牌号后加,F”符号，如 08F。
若含锰量较高，则在数字后加,Mn”符号。
用途, 主要用来制造比较重要的机械零件,
如轴、连杆、弹簧等。
20钢金相组织示意图
牌
号
化学成分
（质量分数,%） 力学性能（不小于） 应用举例
C Si Mn
σs/
MP
a
σb/
MPa
δ
(%)
ψ
(%)
HBS
(热轧）
08F 0.05~ 0.11 ≤0.03 0.25~ 0.50 295 175 35 60 131
要求冷成形性和焊接
性良好的零件，如冲
压件、焊接件等。
20 0.17~ 0.23 0.17~ 0.37
0.35~
0.65
410 245 25 55 156 同上，且用于要求内 韧外硬的渗碳件。
60 0.57~ 0.65 0.17~ 0.37 0.50~ 0.80 675 400 15 35 255
经淬火和中温回火具
有较高弹性的各类弹
簧等。
表 1-4 优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例
3）碳素工具钢
牌号, 是用规定符号 T（碳
字的汉语拼音字首）和数
字表示。
例如 T10A
,10”表示平均 w(C)为 1.0%,
, A”表示高级优质。
用途, 用于制造不受冲击,
高硬度、耐磨的工具,
如锉刀、手锯条、拉丝模等。
T12钢的金相组织
图 1-15 丝锥
牌号
化学成分（质量分数，
%）
试样淬火
HRC
（不小于）
应用举例
C Si Mn
T8 0.75~ 0.84
≤0.35
≤0.40
（ 780~
800℃,
水淬） 62
承受冲击，要求较高硬
度的工具。如压缩空气
工具等。
T9A 0.85~ 0.94
≤0.40
（ 760~
780℃,
水淬） 62
韧性中等，硬度高的工
具。如冲头、木工工具，
凿岩工具。
T10 0.95~ 1.04
不受剧烈冲击、高硬度、
耐磨的工具。如冲头、
手锯条等。
T12A 1.15~ 1.24
不受冲击、要求高硬度、
高耐磨的工具。如锉刀、
量具等。
表 1-5 碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用
(2)低合金高强度结构钢
牌号,例如 Q390A
,Q”表示屈服点,
, 390”表示屈服点值为 390MPa,
, A”表示质量等级为 A 级。
用途, 低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理,
综合力学性能良好,
用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。
(3) 合金钢
1）合金结构钢
牌号, 例如 60Si2Mn,
,60”表示平均 w(C)=0.6%,
, Si2,表示平均 w(Si)=2%,
, Mn,表示平均 w(Mn)<1.5%。
用途, 合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢,
常用来制造 重要的零件,如 齿轮、轴类、弹簧 等。
例：渗碳钢,20CrMnTi；
调质钢,40CrMn；
弹簧钢,60Si2Mn。
2）合金工具钢
牌号,
例 1,低合金工具钢, 9SiCr
,9” 表示平均 w(C)=0.9%,
, Si”表示平均 w (Si) <1.5%,
, Cr”表示平均 w(Cr)<1.5%。
用途,合金工具钢的力学性能
优于碳素工具钢,
广泛用于制造各种刃具、量具、
模具等。
如钻头、绞刀、量块和冲模等。
图 1-16 硬质合金冲模
例 2：高合金工具钢
高速钢,W18Cr4V
平均 w(C)为 0.7－ 0.8%,
,W18”表示平均 w(W)=18%,
, Cr4”表示平均 w(Cr)=4%,
,V”表示平均 w(V) ＜ 1.5%。
用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。
(4)铸钢
即在凝固过程中 不经历共晶转变 的用于生产铸件的
铁基合金。
性能特点,铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁,
用途,主要用于制造承受 重载荷及冲击载荷 的构件。
如锻锤机架、齿轮、轧辊等。
在各类铸造合金中,
铸钢的应用仅次于铸铁。
主要 分为,铸造碳钢和
铸造合金钢。
图 1-17 铸钢件
1)铸造碳钢
牌号, 例如 ZG230－ 450
450—б b≥ 450MPa；
230—б s（ σ 0.2） ≥ 230MPa；
ZG —,铸钢, 汉语拼音首字母。
性能特点,
有一定的强度和较好的塑
性、韧性，焊接性能良好，
切削加工性尚好。
用途,
作砧座、轴承盖、齿轮等。
图 1-18 各种铸钢件
牌号
化学成分（质
量分数,%）
力学性能（最小
值）
主要特点及应用
C Si Mn
σs
(σ0.2)
/MPa
Σb
/MPa
δ
(%)
ZG200
－ 400
0.20 0.50 0.80 200 400 25
塑性、韧性较好，强度、
硬度较低，焊接性良好，
但铸造性能差，用于受力
不大，韧性要求较高的零
件。如机座、机架等。
ZG340
－ 640 0.60 0.60 0.90 340 640 10
强度、硬度较高，塑性、
韧性较差，焊接性和铸造
性能均差，用于受力较大
的耐磨零件。如齿轮、棘
轮、车轮等。
表 1-6 铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用
2)铸造合金钢
即为改善性能而添加的合金元素含量
超过 铸造碳钢范围的铸钢。
牌号, 例如 ZG30MnSi1 30—— W（ C） 为 0.3%左右 。
Si—— W（ Si ） 为 0.9~1.4%
Mn—— W（ Mn） 为 0.9~1.4%
主要特点,耐磨性高 。
用途,用于受力较大的耐磨零件,
如链轮, 齿轮, 承力支架等 。
1.4.2 铸 铁
? 铸铁, 在凝固过程中 经
历共晶转变,用于生产
铸件的铁基合金的总称。
性能特点,
良好的铸造性能、切削
加工性能、耐磨性和减震
性，且熔炼工艺与设备比
较简单，成本低廉。
用途, 铸铁件占铸件总
产量的 80%左右。
如 机床床身、箱体 等。
w(Si)1.0%~
3.0%
w(Mn)0.5%~
1.3%
w(P) ≤0.3% w(S) ≤0.15%
w(C) 2.5%~
4.0% 铸铁的
化学成分
1.铁碳合金双重相图
铸铁中，碳的存在
形式有渗碳体 （ Fe3C）
和游离状态的石墨 （ G）
两种。
铁碳合金实际上存在
两种相图,
（ 1） Fe－ Fe3C相图,
（ 2） Fe－ G相图。 图 1-19 铁碳双重相图
2.铸铁的石墨化过程 (三个过程 )
第一阶段,高温石墨化阶段,
, 一次结晶析出石墨 G”
1154℃, L4.26 → A2.08+G(共晶 )
第二阶段,中间石墨化阶段,
, 二次结晶析出 G”
1154-738℃, A → G
第三阶段,低温石墨化阶段,
, 共析反应析出 G”
738℃, A0.68 →F+G (共析 )
铸铁的石墨化过
程包括铸铁凝固时
碳以石墨形态析出
的过程和铸铁中碳
化物分解为石墨的
过程。
以共晶合金为
例，如果全部按照
F e - C (石墨)相图进行
结晶，则铸铁的石
墨化过程可分为三
个阶段：
第一阶段石墨化：
温度在1 1 5 4 ℃时液
铸铁的组织,
铸铁按石墨化程度的不
同可获得三种不同基体的
组织,
（ 1）珠光体 +石墨,
（ 2）珠光体 +铁素体 +石墨,
（ 3）铁素体 +石墨。
铁素体
+石墨
铁素体
+珠光体
+石墨
珠光体 +
石墨
铸铁组织
3.影响铸铁石墨化的因素
影响铸铁石墨化的因素主要有 化学成分 和 冷却速度 。
（ 1）化学成分
碳和硅 分别是 形成石墨 和 强烈促进 石墨化的元素,
铸铁中碳、硅含量越高，石墨越容易析出。
硫 强烈 阻碍 石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向,
锰 虽然 阻碍 石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利
于 减弱 硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成,
强化基体，故铸铁中必须含一定量的锰。
磷 是 微弱促进 石墨化的元素,
但会增加铸铁的冷脆性。
（ 2)冷却速度
1） 慢冷,利于石墨析出并长大，形成灰口,
2） 快冷,石墨来不及析出,
碳以 Fe3C存在, 形成白口 。
注, 要获得所需的组织和性能的铸件, 应根据
铸件的 壁厚, 控制铸件中 碳和硅的含量, 配
合以适当的 含锰量, 并严格控制硫, 磷的含
量 。
（ 3）变质处理（孕育处理）
? 变质处理,在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育
剂），如 Si－ Fe,Si－ Ca合金，以增加石墨的结晶
核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高
强度铸铁。
? 变质铸铁 （孕育铸铁）
即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。
性能特点,强度较高，塑性、韧性得到改善。
4.铸铁的分类、牌号及应用
按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以
将铸铁分为 白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨
铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁 等类型。
铸铁
按石墨形态 按碳的存在形式
白口铸铁 麻口铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁
铸铁中常见的石墨形态 （ 示意图 ）
铸铁中常见的石墨形态
(1) 片状
（ 2）球状
（ 3）团絮状
（ 4）蠕虫状
(1)白口铸铁
白口铸铁, 碳以游离碳化
物的形式析出的铸铁，断
口呈白色。白口铸铁硬而
脆，难以加工，很少用来
制造零件，有时利用其硬
而耐磨的特点制造某些耐
磨零件，如球磨机的衬板、
磨球等。
（ 2）麻口铸铁
麻口铸铁, 碳部分以游离碳
化物形式析出，部分以石
墨形式析出的铸铁，断口
呈灰白色相间。
图 1-21 灰口铸铁
图 1-20 白口铸铁
（ 3）灰铸铁
灰铸铁,又称片墨铸铁,
碳主要以 片状石墨 形成或析出的铸铁。
1)灰铸铁的性能
①力学性能 较差（相比碳钢）。
②工艺性能
铸造性能良好，切削加工性能良好,
不能进行锻造，焊接性和热处理性能也差。
③其它使用性能
耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。
2)灰铸铁的牌号及应用
牌号,例如 HT200
,200”,
抗拉强度 бb≥ 200MPa,
, HT”,
灰铁的汉语拼音首字母 。
应用,
用于制造机座, 支架,
缝纫机零件, 车床床身等 。
图 1-22 灰铸铁件
类
别
牌号 铸件壁
厚 /cm
基体
组织
最小抗拉强
度 σb/MPa
HBS 应用举例
普
通
灰
铸
铁
HT100
2.5~10
10~20
20~30
30~50
F
130
100
90
80
110~167
93~140
87~131
82~122
负荷很小的
不重要零件。
如重锤、防护
罩、盖板等
普
通
灰
铸
铁
HT150
2.5~10
10~20
20~30
30~50
F+P
175
145
130
120
136~205
119~179
110~167
105~157
承受中等负荷
件。如机座、
支架、箱体、
轴承座、缝纫
机零件等
表 1-7 灰铸铁部分牌号、力学性能和应用
类
别
牌号 铸件
壁厚
/cm
基体
组织
最小抗拉强
度 σb/MPa
HBS 应用举例
孕
育
铸
铁
HT250
4~10
10~20
20~30
30~50
P
270
240
220
200
174~262
164~247
157~236
150~225
负荷较大
的铸件，尤其
是厚壁件。如
机体、阀体液
压缸等。
HT300
10~20
20~30
30~50
290
250
230
182~272
168~251
161~241
载荷较大
的重要铸件，
尤其是厚壁件。
如齿轮、凸轮、
重型机床床身、
液压件等
续上表,
3）孕育铸铁
? 孕育铸铁, 铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁。
性能特点,孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小,
组织和性能的均匀性很好,
应用,适用于制造载荷较大、耐磨性减震性要求较高的
重要铸件，特别是厚大铸件。如机床床身、发动
机气缸体等。
图 1-23 孕育剂
（４）球墨铸铁
1) 球墨铸铁, 铁液经过球化
处理和孕育处理，使石墨
大部分或全部呈球状的铸
铁。
2) 化学成分、组织、性能,
化学成分特点,
高碳、硅，低锰、磷、硫。
图 1-24 球墨铸铁
组织, F＋ G球,
F＋ P＋ G球,
P＋ G球。
性能,强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁）,
同时具有灰铁的优良性能。
3）球墨铸铁的牌号和应用
牌号, 例如 QT600－ 3
,QT” ——球铁的汉语拼音首字母,
, 600”—— 抗拉强度 бb≥300Mpa,
, 3” —— 伸长率 δ≥3% 。
应用,用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。
牌号
基体
机械性能
应用举例 ?
b?
MPa
?0.2?
MPa
?5?
%
ak?
kJm2
HBS
QT400-18
F
400
250
18
600
130～
180
汽车、拖
拉机后桥
壳
QT500-7
F+P
500
350
7
－
170～
230
齿轮
QT1200-1
B下
1200
840
1
300
≥38
HRC
汽车、拖
拉机传动
齿轮
表 1-8 球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用
4）常用的球墨铸铁
目前应用最为广泛的是珠
光体球墨铸铁和铁素体球墨
铸铁。
（ 1）珠光体球墨铸铁
指 基体主要为珠光体 的
球墨铸铁，强度、硬度高,
耐磨性好。
（ 2）铁素体球墨铸铁
指 基体主要为铁素体 的
球墨铸铁，抗拉强度比珠光
体球铁低，但塑性、韧性较
高，力学性能优于可锻铸铁。
图1
-25
珠
光
体
球
墨
铸
铁
图1-
26
铁
素
体
球
墨
铸
铁
图1-
27
混
合
基
体
球
墨
铸
铁
（ 5） 可锻铸铁 可锻铸铁,
又称马铁或玛钢 。
是白口铸铁通过 石墨化
退火 处理，改变其金相组
织或成分而获得的有较高
韧性的铸铁。
可锻铸铁中的碳主要以
团絮状石墨 存在。
图 1-28 可锻铸铁
1） 化学成分,
W(C),2.4－ 2.8%,W(Si),1.2－ 2.0%,
W(Mn),0.4－ 1.2%,W(S) ≤0.1%,
W(P) ≤0.2%。
2）性能特点,
灰铸铁相比不仅有较高的强度，而且有较高的
塑性和韧性。
可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是 不可锻造 的。
3）可锻铸铁的生产,
先 浇注成白口铸件,再 经石墨化退火获得。
4）牌号及应用
①黑心可锻铸铁
牌号, 例 KTH350－ 10
组织, F+G团絮
性能, 塑性, 韧性较好, 强度不高,
应用, 用于受冲击, 振动及扭转负荷的零件 。
如曲轴, 连杆, 齿轮, 传动链条等 。
② 珠光体可锻铸铁
牌号, 例 KTZ650－ 02
组织, P+G团絮
性能, 强度, 硬度高, 塑性, 韧性比黑心可锻铸铁差,
应用, 制作曲轴, 连杆, 齿轮, 传动链条等 。
分
类
牌 号
试
棒
直
径
mm
抗拉
强度
?b?
MPa
延伸
率
??%
硬度 ?
HB
应用举例
铁
素
体
基
体
KT300-06
16
300
6
≤150
承受冲击、振
动及扭转负荷
的零件，如汽
车的后桥壳、
管件等。
KT370-12
16
370
12
珠
光
体
基
体
KT450-06
16
450
6
150~200
负荷较高和耐
磨损零件，如
曲轴、连杆、
齿轮等。
KTZ700-02
16
700
2
240~290
表 1-9 可锻铸铁部分牌号、力学性能及应用
（ 6） 蠕墨铸铁
1） 蠕墨铸铁, 金相组织中石墨
形态主要为蠕虫状石墨的铸铁，它
是向一定成分的铁液中加入适量的
蠕化剂 （如镁钛合金等）和 孕育剂
而获得的。
2）性能特点,
①强度比灰铸铁高,
②有一定的韧性和较高的耐磨性,
③壁厚敏感性比灰铁小得多,
④减震性比球铁高，低于灰铁。
⑤工艺性良好，铸造性能接近灰
铁，切削加工性能接近球铁。
图 1-29 蠕墨铸铁
5）蠕墨铸铁的生产
与球墨铸铁基本相同。
①铁液成分,高碳、硅，低锰、磷、硫,
②蠕化处理,
蠕化剂,国外，镁合金；
国内，稀土镁钛，稀土镁钙合金等。
采用冲入法,
加入量：为铁液质量的 1－ 2％。
③孕育处理,加孕育剂。
注,蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中需严格控
制蠕化剂。
（ 7）合金铸铁 ? 合金铸铁, 常规元素硅、锰高
于 普通铸铁规定含量或 含有其它
合金元素,具有较高力学性能或
某些特殊性能的铸铁。
性能特点,具有更高的力学性能，
还具有某些特殊性能，如耐热、
耐磨、耐蚀等。
应用, 例如在孕育铸铁中加入质量
分数为 0.4%~0.6%的磷或同时
加入少量的铜、钛等元素，就可
以得到 高磷耐磨铸铁,可用来制
造轴承、活塞环、机床导轨等零
件。 图 1-30 耐热合金铸铁模具
1.4.3 非铁金属材料
钢铁材料以外的金属材料,
统称为 非铁金属材料 。
如铜、铝、铅 等及其合金。
性能特点, 密度小、色泽鲜
艳、导电、耐热、耐蚀或
良好的加工性能等。
因而成为现代工业中
不可缺少的材料。
图 1-31 中国古代铜的冶炼
１,铜及其合金
（１） 阴极铜
又称纯铜，外观呈紫色，
熔点为 1083℃,具有良好
的导电性，导热性、耐蚀
性及塑性。
（ ２） 铜合金
即以铜为基的合金。
按化学成分不同可分为
黄铜、青铜及白铜 三类。
青铜 白铜
黄铜
铜合金
１）黄铜 Ｃ u-Zn合金或以 Zn为主要合金
元素的铜合金称为 黄铜 。
按化学成分的不同，黄铜可分为普
通黄铜和特殊黄铜两类。
①普通黄铜
铜锌 二元合金，其中多数通过压力
加工制成型材，成为 普通变形黄铜 。
当平均 w(Zn)＝ 32%时，塑性
最好，强度最高，是工业上应用较
多的铜合金。 普通铸造黄铜 不但具
有优良的力学性能和铸造性能，而
且切削加工性能好，也可以焊接。
图 1-32 黄铜
② 特殊黄铜
在普通黄铜中加入其它元素所组成的多元合金称为
特殊黄铜 。常加入的元素有 铅、锡、硅、铝、铁 等，
相应地称这些特殊黄铜为 铅黄铜、锡黄铜 等等。
合金元素加入黄铜后，主要是提高黄铜的 特殊性能
和改善其工艺性能。
如加入 Sn,Al,Mn,Si可提高耐蚀性及减少黄铜
应力腐蚀开裂的倾向 ;
加 Si可改善铸造性能；
加 Pb则改善切削加工性能。
2) 青铜
青铜原指 Cu-Sn合金，是人类应用最早的一种合
金，但工业上习惯称含有 Al,Si,Pb,Mn,Be等的
铜基合金为青铜。青铜包括有 锡青铜、铝青铜、铍青
铜 等。
图 1－ 33 青铜工艺品
①锡青铜
以S n 为主要合金元
素的铜基合金称为锡
青铜。
当锡青铜的含
S n 量＜8 % 时，其室温
组织是单相α固溶
体。α 固溶体是S n 在
C u 中的固溶体，具有
良好的塑性。含S n 量
＞10 %,锡青铜的室
温组织为α + 共析体
(α + δ) 。δ相是 一个硬
3）白铜
白铜,以 镍 为主加合金元
素的铜合金。
主要有普通白铜、铝白铜
和锰白铜等。
白铜耐蚀性好、电
阻率高，多用来制造船舶
仪器零件、化工机械零件
和医疗器械。 图 1-34 白铜管
2.铝及铝合金 铝是地壳中储量最
丰富的元素之一，约占
全部金属的三分之一。
特点,铝的比重轻，是铜
的 1/3倍，属于轻金
属。熔点是 660℃ 。
铝的导电性和导热性
都很好，仅次于银和
铜。因此，铝被广泛
用于制造导电材料和
热传导器件。
图 1-35 铝为基的二元合金的共晶相图
(1)纯铝
特点,质量轻、溶点低。具有良好
的塑性、耐蚀性、导热性和导电性，
且价格相对低廉。但其强度和硬度均
低，因此用于制造电线、电缆、耐蚀
器具和生活用以及配制各种铝合金。
（ 2）铝合金
以铝为基的合金，强度高于纯铝，
用于制造承受载荷的结构零件。
主加元素,如铜、锰、硅、镁、锌等。
一般起强化作用。
附加元素,如铬、铁、锆等。
用于细化铝合金晶粒和
改善热处理性能。
图 1-36
铝合金扳状抛物面天线
根据铝合金的成分和工艺特点，
可以将铝合金分为 变形铝合金 和
铸造铝合金 两类。
1）变形铝合金
加热时能形成单相固溶体组
织，塑性较好，宜于进行 压力加工
的铝合金。
2）铸造铝合金
以铝为基的 铸造合金,其力学
性能不如变形铝合金，但铸造性能
好，适于制造形状复杂的铸件。
图 1-37
工业铝合金型材
图 1-38
铸造铝合金金相组织
1.4.4 粉末冶金材料
? 粉末冶金材料,
用粉末冶金方法制
造的材料，即制取 金属
粉末 并通过 成形 和 烧结
由金属粉末与（或不与）
非金属粉末添加剂的混
合物制成的材料。
图1
-39
粉
末
冶
金
制
品
1.粉末冶金材料的应用
粉末冶金材料的应用十分广泛。
1）机械制造 中常用作,
减磨材料、结构材料、过滤材料,
摩擦材料和硬质合金。
2）还可以制造 难溶金属材料,
特殊电磁性能材料、多孔金属过滤材料 等。
3）特别是 金属的熔点和密度相差悬殊、在液态下互不
相溶的合金，往往只能用粉末冶金的方法制取。
由于压模与金属粉末成本较高,
一般只适用于 中、小型制品 的成批、大量生产。
2.常用的粉末冶金材料
（ 1）硬质合金
硬质合金采用高硬度、难溶的金属碳化物（ WC,TiC等）
粉末为硬质点，加入 Co,Mo或 Ni作为粘结剂，经过混合、压
制和烧结而成。
特点,硬度高、耐磨性好、耐热性好，较高的抗弯强度与刚度,
良好的耐蚀性与抗氧化性，但韧性较低。
应用,用来制造刃具和以及某些冷作模具、量具和 不受冲击和
振动的高耐磨零件（如磨床顶尖等）。
硬质合金
硬质合金 烧结减摩材料
烧结摩擦材料
烧结钢
（ 2）烧结减摩材料和烧结摩擦材料
烧结减摩材料 是工作时要求减少摩擦的材料，以多孔轴承
材料最为常用。这种用铁与石墨或者青铜与石墨等粉末烧结材
料制成的轴承，具有多孔性，在毛细作用下,可以吸附大量油，
以供工作时润滑，所以又称含油轴承。
烧结摩擦材料 通常是用铁、铜等金属材料作为基体，并 加
入石棉,Al2O3等摩擦组元以及石墨或 MoS2等润滑剂的粉末加
压烧结或烧结后压制而成。广泛用来制造机器上的制动带和离
合器片等。
（ 3）烧结钢
以碳钢或合金钢粉末为主并用冶金法制成的材料，可用于
制造电钻齿轮和液压泵齿轮等。
思考题
1.钢中杂质元素和合金元素对钢的力学性能有哪些影响？
2.指出下列钢铁材料牌号的含义及主要用途,
Q235A 08F T8A Q345 ZG270-500
HT250 20Cr Cr12 5CrMnMo QT400-15
3.影响铸铁石墨化的因素有哪些？各是如何影响的？
4.各类铝合金在性能特点及应用上有哪些不同？
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