常用金属材料性能数据手册

常用金属材料性能数据手册一、手册概述本手册聚焦机械制造、工程设计、材料研发等领域常用金属材料，系统梳理其力学性能（强度、硬度、塑性等）、物理性能（密度、热导率等）、化学性能（耐蚀性、抗氧化性）及典型应用场景，为材料选型、工艺优化提供精准数据支撑。数据来源涵盖国家标准（GB）、行业权威手册及实测验证，兼具科学性与实用性。二、金属材料性能核心分类与指标解读金属材料性能需从“力学-物理-化学”三维度分析，核心指标如下：（一）力学性能决定材料承受载荷的能力，是结构件选材的核心依据：强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力，常用屈服强度（σₛ/σ₀.₂）（材料开始塑性变形的最小应力）、抗拉强度（σᵦ）（断裂前最大应力）衡量，单位MPa。塑性：断裂前的变形能力，用伸长率（δ）（标距段伸长率）、断面收缩率（ψ）（断口处面积收缩率）表示，单位%。硬度：材料抵抗局部压入的能力，常用布氏硬度（HB）（低硬度材料）、洛氏硬度（HRC）（中高硬度）、维氏硬度（HV）（精密测试）区分，无单位（或记为“硬度值”）。韧性：材料吸收冲击能的能力，用冲击功（Aₖ）（夏比摆锤冲击试验）衡量，单位J。（二）物理性能反映材料固有属性，影响热/电/声等领域应用：密度（ρ）：单位体积质量，影响轻量化设计（如航空选材），单位g/cm³。热性能：含热导率（λ）（热量传递能力，单位W/(m·K)）、热膨胀系数（α）（温度变化时的尺寸变化率，单位10⁻⁶/K）、熔点（Tₘ）（材料熔化温度，单位℃）。电性能：含电导率（γ）（电流传导能力，常用“IACS%”表示，以纯铜电导率为100%基准）、电阻率（ρₑ）（电导率倒数，单位Ω·m）。（三）化学性能决定材料在腐蚀、氧化环境中的稳定性：耐蚀性：抵抗介质（酸、碱、盐、海水等）腐蚀的能力，常用“耐××介质”“腐蚀速率（mm/a）”描述。抗氧化性：高温下抵抗氧化的能力，用“抗氧化温度（℃）”“氧化增重速率（g/m²·h）”衡量。三、常用黑色金属材料性能数据黑色金属以铁基合金为主（碳素钢、合金钢、不锈钢等），是工业应用最广泛的材料类别。（一）碳素结构钢以碳为主要合金元素，成本低、工艺性优，适用于一般载荷结构件。牌号化学成分（主要元素）力学性能（典型值）物理性能耐蚀性典型应用------------------------------------------------------------------------------------------------------Q235C≤0.22%，Mn≤1.4%σₛ≥235MPa，σᵦ≥375MPa，δ≥26%ρ=7.85g/cm³，Tₘ≈1540℃一般（需防锈）建筑构件、普通机械Q355C≤0.20%，Mn≤1.7%σₛ≥355MPa，σᵦ≥470MPa，δ≥22%ρ=7.85g/cm³，Tₘ≈1530℃一般（需防护）桥梁、工程机械（二）合金结构钢添加Cr、Mn、Ti等合金元素，提升强度、韧性或淬透性，适用于重载、复杂工况。牌号化学成分（特征元素）力学性能（调质后）物理性能耐蚀性典型应用-------------------------------------------------------------------------------------------------------40CrCr0.8-1.1%σₛ≥785MPa，σᵦ≥980MPa，δ≥9%ρ=7.85g/cm³，λ≈48W/(m·K)一般（需防锈）轴类、齿轮20CrMnTiCr1.0-1.3%，Ti≤0.08%σₛ≥835MPa，σᵦ≥1080MPa，δ≥10%ρ=7.85g/cm³，λ≈45W/(m·K)一般（需防护）汽车变速箱齿轮（三）不锈钢含Cr（≥12%）、Ni等元素，形成钝化膜提升耐蚀性，分“奥氏体、铁素体、马氏体”三类。类型牌号化学成分（特征元素）力学性能（典型值）物理性能耐蚀性典型应用----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------奥氏体304Cr17-19%，Ni8-11%σₛ≥205MPa，σᵦ≥520MPa，δ≥40%ρ=7.93g/cm³，λ≈16.3W/(m·K)耐大气、淡水、弱酸食品设备、装饰奥氏体316LCr16-18%，Ni10-14%，Mo2-3%σₛ≥170MPa，σᵦ≥480MPa，δ≥40%ρ=7.98g/cm³，λ≈15.1W/(m·K)耐海水、化工腐蚀海洋工程、制药设备马氏体420Cr12-14%，C0.16-0.25%σₛ≥400MPa，σᵦ≥590MPa，δ≥15%ρ=7.75g/cm³，λ≈25W/(m·K)耐弱腐蚀，硬度高刀具、阀门四、常用有色金属材料性能数据有色金属（铝、铜、钛等）密度低、导电/导热优或耐蚀性强，适用于轻量化、电/热工、特殊腐蚀场景。（一）铝及铝合金密度仅2.7g/cm³左右，兼具轻质与易加工性，分“纯铝、变形铝合金”两类。类别牌号化学成分（特征元素）力学性能（典型值）物理性能耐蚀性典型应用----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------纯铝106099.6%Alσₛ≥35MPa，σᵦ≥95MPa，δ≥30%λ≈205W/(m·K)，γ≈61%IACS耐大气、淡水导线、换热器变形铝6061Mg0.8-1.2%，Si0.4-0.8%σₛ≥276MPa，σᵦ≥310MPa，δ≥12%λ≈167W/(m·K)，γ≈43%IACS耐蚀（需阳极氧化）航空构件、建材变形铝7075Zn5.1-6.1%，Mg2.1-2.9%σₛ≥503MPa，σᵦ≥572MPa，δ≥11%λ≈130W/(m·K)，γ≈33%IACS耐蚀（需防护）航空航天、运动器材（二）铜及铜合金导电/导热性优异（纯铜电导率≈100%IACS），分“纯铜、黄铜、青铜”三类。类别牌号化学成分（特征元素）力学性能（典型值）物理性能耐蚀性典型应用----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------纯铜T299.9%Cuσₛ≥70MPa，σᵦ≥200MPa，δ≥50%λ≈398W/(m·K)，γ≈100%IACS耐大气、淡水导线、散热器黄铜H62Zn38-40%σₛ≥315MPa，σᵦ≥415MPa，δ≥40%λ≈120W/(m·K)，γ≈60%IACS耐海水、弱碱阀门、装饰件锡青铜QSn6.5-0.1Sn6.0-7.0%，P≤0.1%σₛ≥350MPa，σᵦ≥500MPa，δ≥15%λ≈75W/(m·K)，γ≈20%IACS耐磨损、耐海水轴承、船舶零件（三）钛及钛合金密度4.5g/cm³（仅钢的57%），比强度高、耐蚀性优异，分“纯钛、钛合金”两类。类别牌号化学成分（特征元素）力学性能（典型值）物理性能耐蚀性典型应用----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------纯钛TA199.5%Tiσₛ≥240MPa，σᵦ≥345MPa，δ≥25%λ≈15.2W/(m·K)，ρ=4.5g/cm³耐海水、酸碱医疗植入、化工设备钛合金TC4Al5.5-6.8%，V3.5-4.5%σₛ≥825MPa，σᵦ≥950MPa，δ≥10%λ≈7.9W/(m·K)，ρ=4.51g/cm³耐海水、高温氧化航空发动机、骨科植入五、金属材料性能的工程应用指南材料选型需结合工况需求与性能匹配度，核心逻辑如下：（一）载荷与力学性能匹配静载+低应力：选碳素结构钢（如Q235），成本优先。动载+冲击：选合金结构钢（如40Cr）或不锈钢（如304），需高韧性（δ≥15%，Aₖ≥30J）。重载+耐磨：选高硬度材料（如420不锈钢、淬火45钢），HRC≥50。（二）温度与物理性能匹配高温（＞500℃）：选耐热钢（如310S）、镍基合金（如Inconel600），需低热膨胀、高抗氧化性。低温（＜-100℃）：选低温钢（如09MnNiDR）、奥氏体不锈钢（如304），需无冷脆（冲击功Aₖ不骤降）。（三）腐蚀环境与化学性能匹配潮湿大气/淡水：选镀锌钢、304不锈钢。海水/化工腐蚀：选316L不锈钢、钛合金（TA1）、哈氏合金（C-276）。强酸碱（如硫酸、盐酸）：选耐蚀合金（如哈氏合金）、非金属衬里+碳钢基体。（四）成本与性能平衡优先选“性能满足需求”的最低成本材料（如建筑用Q235，而非合金钢）。特殊工况（如航空、医疗）可接受高成本（如钛合金、高温合金），以性能为核心。六、性能数据的测试与标准参考材料性能数据需通过标准化测试验证，核心标准与方法如下：（一）力学性能测试拉伸试验：GB/T228（金属材料室温拉伸试验），获取σₛ、σᵦ、δ、ψ。硬度试验：GB/T231（布氏硬度）、GB/T230（洛氏硬度）、GB/T4340（维氏硬度）。冲击试验：GB/T229（夏比摆锤冲击试验），获取Aₖ。（二）物理性能测试热导率：GB/T____（稳态平板法）或GB/T____（瞬态热线法）。电导率：GB/T351（涡流法），以“IACS%”为单位。密度：GB/T5163（金属材料密度测试），排水法或比重法。（三）化学性能测试盐雾试验：GB/T____（人造气氛腐蚀试验），评估耐中性盐雾能力。腐蚀失重法：GB/T____（金属和合金的腐蚀腐蚀试样的腐蚀产物清除方法），计算腐蚀速率（mm/a）。（四）数据参考来源国家标准：GB/T系列（如GB/T700碳素结构钢）、GB/T3190铝合金。行