在中学时候我们学过，所有的物质都是由原子组成。当两个或多个原子形成分子或固体时，它们是依靠什么样的结合力聚集在一起的?这就是原子间的键合，原子通过结合键形成分子，原子之间或分子之间也靠结合键结成固态。

结合键分为化学键和物理键两大类。化学键包括金属键（金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合）、离子键（大多数的盐类就是以这种方式结合，如NaCl，金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为正离子，而非金属原子成为负离子，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起）、共价键（常见的SiO2，两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键）。物理键就是我们所学习的范德瓦尔斯力。此外，还有氢键，介于化学键与物理键之间。

金属材料主要是以金属键作为结合方式。它可分为黑色金属与有色金属。将铁及其合金称为黑色金属，而非铁金属及其合金称为有色金属。目前，在工业中我们用得最多金属材料是碳钢、合金钢、铸铁、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金。下面将一一介绍。

（1）碳钢

为了使生产、加工处理和使用不致造成混乱，对各种钢材进行命名和编号。

1）碳素结构钢

碳素结构钢冶炼方便、易于加工、价格低廉是应用最广泛的工业用钢。按照国家GB 700—88，碳素结构钢分为5大类，见表1.1。

表1.1　碳素结构钢（GB 700—88）

注：Q235A，B级沸腾钢锰含量的上限为0.60％。

表1.1中的符号、代号的意义如下：

Q——钢屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；

A，B，C，D——质量等级；

F——沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；

b——半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；

Z——镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；

TZ——特镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。

在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ”符号予以省略。例如，Q235A·F即表示屈服点数值为235MPa的A级沸腾钢。

由于碳素结构钢成不同，屈服点不同，因此其性能不同，碳素结构钢的应用也不同。

Q195，Q215A，Q215B塑性较好，有一定强度，通常轧制成薄板、钢筋、钢管、型钢等，用作桥梁、钢结构等，也可用于制作螺钉、冲压零件等。

Q235A，Q235B，Q235C，Q235D强度较高，用于制造转轴、心轴、拉杆、摇杆、吊钩、链等。

Q255A，Q255B，Q275强度较高，用于制造主轴、摩擦离合器、刹车钢带等。

应用示意图如图1.1所示。

图1.1　碳素结构钢的运用

2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢是指钢中的有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得较为严格，塑性和韧性较高，多用来制造比较重要的零件。

这类钢的编号方法是以平均WC的万分数表示。例如，平均WC为0.45％的优质碳素结构钢就称为45号钢。有的钢种含Mn量较高，可达0.7％～1.2％则在数字后加一个Mn，如15Mn，45Mn。优质碳素结构钢的牌号为低碳钢（含碳量一般小于0.25％）包括05F，08F，08，10F，10，15F，15，20F，20，25，20Mn，25Mn等，常用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴以及冲压件、焊接件，有时也用于制造渗碳件；中碳钢（含碳量一般在0.25％～0.60％）包括30，35，40，45，50，55，60，30Mn，40Mn，50Mn，60Mn等，常用来制造轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等；高碳钢（含碳量一般大于0.60％）包括65，70，65Mn等，常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。

3）碳素工具钢

碳素工具钢的编号方法是在“碳”或“T”后加一位数字，数字表示钢的平均WC的千分数。例如，T7表示平均碳含量为0.7％。碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加一个“高”字或A，如高碳12或T12A。

碳素工具钢的牌号主要有T7—T13，T8Mn，用于制作刃具、模具和量具。

（2）合金钢

碳钢属于非合金钢，虽然它生产方便、加工容易、价格低廉，还能够通过控制其碳含量和各种热处理来满足不同性能的要求。但是，受于自身条件的制约，它的淬透性差；强度低，屈强比低；回火稳定性差；不具备某些特殊性能。因此，为了改善钢的性能，在非合金钢的基础上有意识地加入一些合金元素来获得新的钢种，称为合金钢。

合金钢的分类仍然是按照用途来分，如图1.2所示。

图1.2　合金钢的分类

1）低合金高强度钢

低合金结构钢是一种低碳、低合金含量的结构钢，碳的含量低于0.2％，合金的含量低于3％。与非合金结构钢相比具有较高的强度，故又称“低合金高强度钢”。除了强度高外，它还具有较好的塑性、韧性、焊接性及耐蚀性等，所以多用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、油罐等。

选用低合金高强度钢不仅节约材料，而且在寒冷的北方更具优势，因为它比普通的低碳钢有更低的冷脆临界温度。这里面主要加的合金元素是Mn，Ti，V，Cu，P等。Mn可提高强度又改善韧性和塑性，Ti，V可起到细化晶粒和弥散强化的作用，提高钢的强度，Cu，P可提高钢对大气的抗腐蚀能力。

常用的低合金高强度钢有Q295，Q345，Q390，Q420，Q460。

2）渗碳钢

工业中，有非常多的零件，像汽车的变速齿轮、内燃机的凸轮，都是在冲击载荷和表面受到强烈的摩擦、磨损的条件下工作的。这类零件不仅要求它们表面具有高的强度、高耐磨性，而且心部又要具有高的韧性和足够的强度。因此，为了满足这类零件的要求，通常采用低碳钢或低碳钢进行表面渗碳后经过淬火和回火处理，称这类钢为渗碳钢。

常用的渗碳方法有两种，即气体渗碳和固体渗碳。气体渗碳是在井式炉中滴入煤油或甲醇、丙酮等有机液体，这些物质在高温下裂解形成渗碳气氛，渗碳气氛在钢的表面发生分解反应提供活性炭原子，活性炭原子被钢表面吸收并向钢的内部扩散。固体渗碳是将工件置于渗碳箱中，周围填满固体渗碳剂，密封后送入加热炉中进行加热渗碳。

常用的合金渗碳钢有以下3类：

①低淬透性钢，如15Cr，20Cr。用来作活塞销、小齿轮、小轴等。

②中淬透性钢，如20CrMnTi用来作汽车和拖拉机变速箱齿轮，20CrMn用来作齿轮、轴、蜗杆、摩擦轮。

③高淬透性钢，如20Cr2Ni4A，用来作大型渗碳齿轮和轴。

3）调质钢

调质钢是指经过调质处理（淬火加高温回火）后使用的结构钢，其强度高、塑性和韧性好，具有良好的综合力学性能。它广泛用于制造各种重要的机械零件，如齿轮、连杆、轴及螺栓。

最常用的调质钢是40Cr，我国现在为了节约Cr元素，常采用40MnB来代替它。40Cr由于Cr元素的存在，不仅提高淬透性，而且钢的综合力学性能也得到提高。40Cr常用来做齿轮、连杆、轴及蜗杆等。为了更好地提高调质钢的性能，目前在40Cr的基础上又添加了Mn，Mo，W等元素，如40CrMnMo，用来作一些重要的零件，如高强度耐磨齿轮和重型机械主轴等，如图1.3所示。

图1.3　调质钢螺母

4）弹簧钢

弹簧钢是用来制造各种弹性零件的主要材料，特别是各种机器、仪表中的弹簧。由于它是在动载荷环境下工作的，因此，对制造弹簧的材质最主要的应有高的屈服强度；在承受重载荷时不引起塑性变形；应有高的疲劳强度，在载荷反复作用下具有长的使用寿命；有足够的韧性和塑性，以防在冲击力作用下突然脆断。碳素弹簧钢的碳含量（质量分数）一般在0.62％～0.90％。按照其锰含量又分为一般锰含量（质量分数）（0.50％～0.80％，如65、70、85）和较高锰含量（质量分数）（0.90％～1.20％，如65Mn）两类。合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。合金弹簧钢的基本组成系列有硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢及钨铬钒弹簧钢等。

最典型的弹簧钢是65Mn和60Si2Mn。其淬透性好，强度较高，可制作截面尺寸较大的弹簧。在高温和高负荷条件下，常采用的是50CrVA，55SiMnMoV，如图1.4所示。

图1.4　65Mn弹簧钢片

5）滚动轴承钢

滚动轴承钢主要是用来制作各种滚动轴承元件以及其他各种耐磨零件（如柴油机油泵嘴偶件）。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体及保持架4部分组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支承作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转并起润滑作用。常见的滚动轴承件见表1.2。

轴承钢最大的优势就是具有很高的硬度、耐磨性以及良好的耐疲劳强度，而且还有足够的韧性及耐腐蚀性能，在工作时能承受较大的局部交变负荷。

常用的滚动轴承钢主要是GCr9，GCr15。这种钢多用来制造小型、中型轴承。而对于大型、重载荷轴承，多采用添加Mn，Mo，Si，V等元素的轴承钢，如GCr15SiMn。

6）刃具钢

刃具钢是用来制造各种车刀、铣刀、刨刀、钻头及丝锥等各种切削刀具的材料。由于刀具在切削过程中，要受到较大的冲击和振动，而且刃部还承受很大的应力，并与切屑之间发生严重的摩擦、磨损而使刃部温度升高，有时可达到500～600℃，因此对刃具钢具有较高的性能要求。

①高硬度，刀具的硬度一般要求要大于60HRC。

②高耐磨性，耐磨性好可保证刀具的刃部锋利，经久耐用。

③高的热硬性即当刃部受热时，刀具仍能保持高硬度的能力称为热硬性。

④还需要足够的强度、韧性，避免在受到冲击和振动载荷时发生突然断裂。

刃具钢包括碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢及硬质合金。碳素工具钢在前面碳素钢讲过。常用的合金刃具钢有9SiCr，CrWMn。

高速钢是指当切削温度高达600℃时，硬度无明显下降，仍保持良好的切削性能。最典型的高速钢是W18Cr4V。

硬质合金是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和黏结剂混合，压制成形后经过烧结而成的中粉末冶金材料。其最大的特点是高强度和高硬度，切削速度比高速钢高4～7倍，寿命提高5～8倍。

7）模具钢

模具钢是指用来制造热作模具和冷作模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表和电机等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。

①热作模具钢

热作模具的特点是在承受较大的各种机械应力外，模膛还受到炽热金属和冷却介质（水、油和空气）的交替作用产生的热应力，模膛容易出现热疲劳现象。因此，对热作模具钢具有以下要求：

a.具有较高的强度和韧性，并有足够的耐磨性和硬度。

b.具有良好的抗热疲劳性。

c.具有良好的导热性及回火稳定性，以利于始终保持模具良好的强度和韧性。

d.为了保证模具的整体性能均匀一致，还要求此钢有足够的淬透性。常用的热作模具钢有5CrMnMo，5CrNiMo，3Cr2W8V，4Cr5MoSiV。

②冷作模具钢

冷作模具钢是用来制造金属在冷态下变形的模具，如冷挤压模、拉丝模等。对这类模具在工作时要求有很高的强度、硬度、良好的耐磨性及足够的韧性。(www.daowen.com)

常用的冷作模具钢有T10，9Mn2V，CrWMn等用来制备小的冷作模具钢；Cr12，Cr12MoV用来作大型冷作模具。

8）量具钢

量具钢是用来制作量规、块规、千分尺等测量工具的钢种。为了保证量具的精度，制造量具的钢应具有良好的尺寸稳定性、较高的硬度及耐磨性。对于量具钢而言，没有专门的钢，前面介绍的工具钢都可以选用。

9）不锈钢

不锈钢（Stainless Steel）是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。不锈钢不是绝对不腐蚀，只是腐蚀的速度慢一些。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。

不锈钢常按组织状态分为马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。另外，可按成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。

①铁素体不锈钢

含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。属于这一类的有Cr17，Cr17Mo2Ti，Cr25，Cr25Mo3Ti，Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等，如图1.5所示。

图1.5　铁素体

②奥氏体不锈钢

含铬大于18％，还含有8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9，0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9钢的WC低于0.08％，钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性及耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1 050～1 150℃，然后水冷，以获得单相奥氏体组织，如图1.6所示。

③奥氏体-铁素体双相不锈钢

图1.6　奥氏体的形成过程

兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18％～28％，Ni含量在3％～10％。有些钢还含有Mo，Cu，Si，Nb，Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢，如图1.7所示。

图1.7　铁素体在奥氏体中的分布

④马氏体不锈钢

强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13，3Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类钢是在淬火、回火处理后使用的。

⑤沉淀硬化不锈钢

基体为奥氏体或马氏体组织，沉淀硬化不锈钢的常用牌号有04Cr13Ni8Mo2Al等。它能通过沉淀硬化（又称时效硬化）处理使其硬（强）化的不锈钢。

10）耐热钢、耐磨钢

耐热钢是其具有高温抗氧化性和高温强度两方面性能。耐磨钢是指在受强烈冲击或摩擦时具有很高的抗磨损能力的钢，工业中常用的是高锰钢。

耐热钢常用15CrMo，12CrMoV，Cr13型马氏体钢来制造汽轮机叶轮、汽轮机叶片等，耐磨钢常用ZGMn13（ZG为“铸钢”）制备破碎机齿板、坦克履带等。

（3）铸铁

铸铁区别于碳素钢，是含碳大于2.1％的铁碳合金，铸铁是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。其成分除碳外还含有一定数量的硅、锰、硫、磷等化学元素和一些杂质。有时还加一些其他化学元素，如Cr，Mo，V，Cu等。

图1.8　HT200灰铸铁

铸铁的强度、塑性韧性与钢相比较差，但是它却具有优良的铸造性能，良好的减磨性、耐磨性、消振性和切削加工性，以及缺口敏感性低等一系列优点。因此，广泛用于机械制造、冶金、石油加工、交通等工业部门。

铸铁可分为3大类：灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。但是，工业上几乎用不到白口铸铁和麻口铸铁，主要用灰口铸铁。

常用的灰口铸铁又分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁4大类，如图1.8和图1.9所示。

图1.9　球墨铸铁制造的产品

灰铸铁的牌号表示方法为“HT×××”。“HT”表示“灰铁“汉语拼音的字首，后续数字表示最低抗拉强度（MPa）的值。例如，HT100。

可锻铸铁的牌号表示方法为“KT×××”。

球墨铸铁的牌号表示方法为“QT×××”。

蠕墨铸铁的牌号表示方法为“RuT×××”。

铸铁常用来制造机床床身、汽缸和箱体等结构件。

（4）铝及铝合金

铝及铝合金属于有色金属，工业上主要用的就是纯铝和铝合金。

1）纯铝

工业纯铝一般定为纯度99.0％～99.9％的铝，中国定为纯度98.8％～99.7％的铝。中国塑性变形加工工业纯铝牌号有1080，1080A，1070，107000A（L1），1370，1060（L2），1050，1050A（L3），1A50（LB2），1350，1145，1035（L4），1A30（L4-1），1100（L5-1），1200（L-5），1235等。

工业纯铝具有：密度小且可强化；易加工；耐腐蚀而且导电、导热性好；无低温脆性；美观且反射性强；有吸音性；耐核辐射等特点，故可作电工铝，如母线、电线、电缆、电子零件；可作换热器、冷却器、化工设备；烟、茶、糖等食品和药物的包装用品，啤酒桶等深冲制品；在建筑上作屋面板、天棚、间壁墙、吸音和绝热材料，以及家庭用具、炊具等。如图1.10所示。

图1.10　工业纯铝

2）铝合金

根据铝合金的成分及工艺特点，可分为形变铝合金和铸造铝合金两类。

形变铝合金又根据热处理能不能强化分为防锈铝合金（不能强化）和热处理强化的铝合金（分为硬铝、超硬铝及锻造铝合金）。铸造铝合金常用来制作铸件，要求具有良好的铸造性能，可分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系4大类，其代号用“铸铝”的汉语拼音字首“ZL”再加3位数字表示，第一位数字表示合金的类别（Al-Si系为1，Al-Cu系为2，Al-Mg系为3，Al-Zn系为4），后面两位数字为合金顺序号，以区别不同的化学名称。其牌号用“Z”和基本元素的化学符号+主要合金化学元素符号+数字（合金元素的含量，用％表示），牌号后面加A表示优质。例如，ZAlSi7Mg。

常用铝合金的用途见表1.3。

表1.3　常用铝合金的用途

（5）铜及铜合金

1）纯铜

纯铜是含铜量最高的铜，因为颜色紫红又称紫铜，主成分为铜加银，含量为99.7％～99.95％，由于具有突出的导电性、导热性，可用来制造导电器材。又由于纯铜是一种逆磁物质，可用来制作不受外来磁场干扰的各种仪器表，如图1.11所示。

2）黄铜

Cu-Zn系合金为黄铜。如果只是由铜、锌组成的黄铜则称为普通黄铜。如果是由两种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。例如，由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。黄铜有较强的耐磨性能。特殊黄铜又称特种黄铜。它强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强，还有切削加工的机械性能也较突出。

图1.11　纯铜

普通黄铜的牌号表示方法为“H××”。其中，“H”为“黄”的汉语拼音字母，“××”表示平均WCu，如H70，H80，H62。

特殊黄铜的牌号表示方法为“H+除Zn外的第二个主加元素符号+数字（WCu）+“-”+数字（除Zn外的第二个主加元素的含量）。例如，HPb66-3表示WCu66％，WPb3％，余量为WZn的铅黄铜。表1.4为常用黄铜的牌号及用途。

表1.4　常用的黄铜牌号及用途

3）青铜

青铜为Cu-Sn合金，青铜又包括锡青铜、铝青铜（Cu-Al）、铅青铜以及铍青铜（Cu-Be）等。

青铜的编号方法是：代号“Q”+主加元素符号+主加元素含量。例如，ZCuSn5Pb5Zn5表示Sn的含量为5％、Pb的含量为5％、Zn的含量为5％、余量为Cu的铸造锡青铜。

几种常用青铜的牌号及用途见表1.5。

表1.5　几种常用青铜的牌号及用途

（6）钛及钛合金

钛（Ti）及其合金因其具有质量轻、强度高、耐蚀性好、耐高温及良好的低温韧性等特点，因而在飞机、航天、导弹等工业方面得到较广泛的应用。

1）纯钛

工业纯钛的牌号以“TA”+数字表示，数字越大其杂质越多、强度越高、塑性越低。可分为TA1，TA2，TA3这3种。

图1.12　纯钛制作的医用假牙

工业纯钛塑性高，具有优良的焊接性能和耐蚀性能，长期工作温度可达300℃，可制成板材、棒材等，可直接用于飞机、船舶、化工等行业，以及制造各种耐蚀并在300℃以下工作且强度要求不高的零件，如热交换器、制盐厂的管道等，如图1.12所示。

2）钛合金

在钛中加入合金元素形成钛合金，使纯钛的强度获得显著提高。钛合金按照退火状态下的相组成可分为α型钛合金、β型钛合金、α+β钛合金，分别用TA，TB，TC表示。我国常用的钛合金牌号及用途见表1.6。

表1.6　常用钛合金牌号及用途