金属材料是最重要的工程材料。它具有良好的强度、硬度、韧性、耐磨性和可加工性等机械性能，因而是在工程材料尤其是机械工程材料中应用最为广泛的基本材料。
金属材料是指以金属键来表征其特性的材料。它包括纯金属和以金属为主的合金。最简单的金属材料是纯金属。合金是在一种金属元素的基础上，加入其它元素组成的具有金属特性的新材料。合金往往比纯金属具有更好的机械性能和工艺性能，成本较低，因此，制造机械零件大都采用合金，很少采用纯金属。工业上将金属及其合金分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属是指铁和以铁为基本元素的合金，如钢、铸铁和铁合金等。有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝、铜、钛、镁及其合金等。黑色金属因其性能优越、价格便宜而应用广泛，占整个结构材料和工具材料的90％以上。
本章将重点介绍金属材料的机械性能及其有关理论、热处理和常用金属材料及选材。
(第一节)常用金属材料
一、钢及合金
钢中除含有铁和碳两种基本元素外，还有硅、锰、硫、磷等杂质。其中硫和磷在一定温度下，使钢的脆性增加，强度大幅度下降，直接影响钢质量的提高，是钢中的有害元素，必须严格控制其含量。硅和锰是有益元素，能提高钢的强度和硬度，但塑性和韧性有所下降。锰还能减轻硫的有害作用。钢的种类繁多，可按不同方法分类，我国国家标准中基本上是按用途、质量和元素含量的综合方法分类命名的。钢分碳素钢和合金钢。碳素钢又分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、碳素铸钢；合金钢又分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能合金钢。下面将分别介绍。
1.碳素钢
（1）普通碳素结构钢
普通碳素结构钢的冶炼方法简单，价格便宜，广泛应用于建筑、桥梁、船舶、车辆等金属结构，也用于制造普通的机械零件，如螺钉、螺栓、螺母、垫圈、短轴等。普通碳素结构钢按使用要求不同分为甲、乙、丙（特）三类。
①甲类钢——这类钢按保证机械性能供应。其牌号用A加数字1～7表示，如A2，A3等，随着数字的增加，钢的强度增加而塑性降低。这类钢是热轧状态供应，一般不进行热处理，可根据需要直接选用。
②乙类钢——这类钢按保证化学成分供应。其牌号用B加数字1～7表示，如B2，B3等，随着数字的增加，钢的含碳量增加。这类钢使用时要根据化学成分进行锻造和热处理，机械性能将提高。
③丙类钢——这类钢既保证机械性能又保证化学成分。其牌号用C加数字2～5表示。这类钢的使用，目前常被优质碳素结构钢代替。
（2）优质碳素结构钢
优质碳素结构钢既保证机械性能又保证化学成分，钢中有害杂质含量低，故广泛用于制造较重要的机械零件。其牌号用两位代表钢中平均含碳量（以0．01％为单位）的数字表示，有08，10，15，20，……85。例如，45表示平均含碳量为0．45％的优质碳素结构钢。
如果优质碳素结构钢的含锰量高于0．8％，则在两位数字后附以Mn，如45Mn等。
（3）碳素工具钢
工具的耐磨性要求较高，因此碳素工具钢的含碳量均在0．7％以上，通常需进行淬火及低温回火。碳素工具钢的牌号用T加代表钢中平均含碳量（以0．1％为单位）的数字表示，如T7，T8……T13。如果是高级优质碳素工具钢，则在数字后附以A，如T7A等。
（4）碳素铸钢
大型重载的齿轮类零件无法锻压成型，铸铁的强度低，可采用铸钢件。碳素铸钢的含碳量一般在0．15％～0．60％之间。其牌号是在优质碳素结构钢牌号前加上ZG，有ZGl5，ZG25，ZG35，ZG45和ZG55。碳素铸钢按质量可分为I（高级优质）、Ⅱ（优质）和Ⅲ（普通）级，相应的硫、磷含量分别不大于0．04％，0．05％和0．06％，质量级别附在牌号之后，如ZG35 I，但Ⅲ级可省略不注。
2.合金钢
合金钢是在炼钢时特意加入一定数量的Si，Mn，Cr，Ni，W，Mo，V，Ti等合金元素所形成的。它比碳素钢具有较高的强度、韧性和某些特殊性能。为充分发挥合金元素的作用，合金钢一般都要进行热处理。
（1）合构结构钢
这类钢的牌号用“平均含碳量（以0．01％为单位）＋化学元素＋合金元素平均含量”表示。合金元素平均含量，以1％为单位，当含量<1．5％时不注，当含量>1．5％，2．5％……时，相应以2、3……表示。如40Cr表示平均含碳量为0．40％、含铬量小于1．5％的铬钢。
（2）合金工具钢
合金工具钢的牌号与合金结构钢相似，其区别是：钢中平均含碳量>l％时不注，<1％时用前面的一位数字注出，以0．1％为单位，但高速钢平均含碳量<1％时也注出。
（3）特殊性能合金钢
这是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等一些具有特殊化学、物理性能的钢，用于制造有特殊要求的重要零件，其常用的牌号有1Cr3，15CrMo，ZGMn3等。
表4.1列出若干常用钢材的机械性能和用途，供参考。
表4.1常用钢材的机械性能和用途牌号热处理（MPa）（MPa）d（％）用途举例A3供应状态（热轧）380～47026螺钉、螺栓、螺母、垫斟、轴套、心轴等16Mn供应状态（热轧）52021起重机臂架、汽车大梁、桥梁、船舶、建筑结构20正火渗碳、淬火及低温叫火420500～600250280～3502518轴、滚子、不重要的齿轮20CrMnTi渗碳、淬火及低温叫火110085010汽车、拖拉机的变速齿轮、凸轮ZG25正火及去应力退火45024020轴承盖、阀门、履带支架35正火调质5405803204002022轮轴、拉杆、E轮35SiMrl调质90075015可代替40Cr40Cr调质10008009主轴、连杆螺栓、进气阀、齿轮45正火调质6107003605001617主轴、曲轴、齿轮、柱塞ZG55正火及去应力退火65035011减速器齿轮、联轴器65正火710—12010截面<12～15mm的小弹簧65Mn正火7504409截而<25mm的各种螺旋、板弹簧及其它弹性零件二、铸铁铸铁是含碳量大于2．14%的铁碳合金。与钢相比，铸铁中含碳、硅较高，含杂质元素硫、磷较多。按照碳在铸铁中存在的形式、形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁。白口铸铁的性能脆而硬，难以机械加工，很少用于制造机械零件，仅用于制造强度要求不高的耐磨机件和工具，如磨球、轧棍、犁铧等。可锻铸铁的机械性能强于灰口铸铁，但由于生产周期长、工艺复杂，已逐渐被球墨铸铁所代替。下面就生产上常用的灰口铸铁和球墨铸铁作一介绍。
1.灰口铸铁
灰口铸铁（也称灰铸铁）因断口呈灰色而得名。其中的碳全部或大部以片状石墨形式存在，承受拉伸载荷时，沿石墨端部易形成裂纹，故灰口铸铁的抗拉强度很低，不能锻造，但其抗压强度与钢接近。片状石墨对震动的传递有削弱作用，所以铸铁有良好的减振性。由于石墨的润滑及断屑作用，灰铸铁的切削性能很好。灰铸铁牌号由HT和数字组成，三位数字表示最低抗拉强度σb值。如HT250表示σb>250 MPa的灰铸铁。
热处理只能改变基体组织，不能消除片状石墨的有害作用，对提高灰铸铁的机械性能效果不大。灰铸铁常用的热处理方法有：去应力退火（又称人工时效），以消除内应力，防止铸件变形；软化退火，消除白口。改善切削加工性能；表面淬火，提高铸件的表面硬度和耐磨性。铸铁具有一定的强度和韧性，有良好的减振性、耐磨性、耐蚀性以及良好的工艺性能，价格低廉，制作方便，因此在工业中使用广泛。可用于制造强度、韧性要求不高，有良好的减振性、耐磨性的零件，甚至较重要的零件。
2.球墨铸铁
球墨铸铁是在灰铸铁成分的铁水中加入球化剂（纯镁或稀土镁合金等）和墨化剂（硅铁等）制成的。球墨铸铁中石墨呈球状，使基体组织的割裂程度大为减弱，基体强度的利用率可达70％～90％，故球墨铸铁的强度、塑性和韧性远远超过灰铸铁，并兼有钢的高强度和灰铸铁的优良铸铁性能，目前已成功地代替了铸钢件、锻钢件和可锻铸铁，用于制造受力复杂、机械性能要求高的零件。球墨铸铁牌号由QT和两组数字组成，前一组数字表示最低抗拉强度％（按1／10折算），后一组数字表示最低延伸率6。如QT70—2表示σb=700，6=2的球墨铸铁。
球墨铸铁可进行退火、正火、调质和等温淬火等热处理，以改变基体组织，并显著提高其机械性能。如牌号就是经等温淬火获得的超高强度球墨铸铁。
在球罨铸铁和灰铸铁中加入一些合金元素Cr，Ni，Mo，Cu，Al，Si，P等，可制成耐热、耐磨和耐蚀等的特合金铸铁。
三、有色金属
与黑色金属材料相比，有色金属及其合金有许多如导电、导热、耐蚀、重量轻等特殊的机械、物理和化学性能，在各行业应用广泛。但有色金属一般价格昂贵，需要满足特殊需要时才采用。常用的有色金属有铝、铜、钛及其合金，下面作简要介绍。
1.铝及其合金
