机械结构设计中材料的选用

在机械结构设计中，对常规金属结构件大致有三个层次的选择：碳素结构钢（碳钢）、不锈钢与铝合金，碳素结构钢就是我们万能钢种：45#和Q235，对多数机械设计师对两种钢种选用，基本上是小菜一碟。如何选择不锈钢的3种材料——304不锈钢、优质碳素结构钢（45号钢）和优质碳素结构钢（Q235）。如果你花完两分钟看完这篇文章，那么一定会让你对这三种材料的认识更上一层楼。

首先我们先来聊一聊这些材料名字的由来，304只是不锈钢一个代号，并没有什么特殊的含义；45号钢之所以叫45是因为其含碳量为0.45%，因此命名为45号钢；Q235中的“Q”表示材料的屈服强度，后明的235的意思就是这种材料的屈服强度至为235MPa。

Part 1

表面拉丝处的不锈钢

接下来我们通过比较一下这三种材料的属性值，进而进一步了解。

304的密度为7.93 g/cm，而45号钢和Q235的密度相同，都是7.85 g/cm.质量m=pv=密度x体积，所以同样体积的这3种材料的重量没有什么差别。

304、45和Q235的屈服强度分别为205MPa、355MPa和235MPa，屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。大于屈服强度的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如Q235的屈服极限为235MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。由此可以看出304和Q235有更好的可塑性，在钣金加工中的用途会比较广泛。

45钢管

304、45和Q235的硬度分别为201HB、197HB和150HB。304和45的硬度相差不是很大，Q235强度稍差但是制作一般零件没有问题。304的价格要远远高于另外的两种材料，45的价格高于Q235。

镀锌处理的Q235

分析一下三种材料的优缺点和用途。

304最大的优点就是本身自带防锈属性，不用做任何的表面防锈处理。在拉丝处理后表面十分的美观，因此也常用作装饰板。它唯一的缺点就是价格太贵。45调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。Q235由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。

常规机械设计中，有4种最常用的不锈钢：304、316L、420、440C，绝大多数场合，这四种不锈钢就可以满足90%的需求。

这些牌号的叫法其实是来源于美国标准（或日本标准），不过现在在国内太常用了，而且我们国家标准的不锈钢牌号的确有点难记，所以，上述叫法在国内流行起来了。

1.1

三系不锈钢

3”字开头的，称为“300系不锈钢”或“Cr－Ni系不锈钢”，这类不锈钢就是多数人熟知的奥氏体不锈钢，几乎是不锈钢里“最不锈”的钢，基本无磁性，主要常用于食品和医疗行业。韧性非常不错，比四系要好，三系不锈钢钢板冲压成型特别常见。

304不锈钢

也称“食品级不锈钢”，防锈性能好，家里厨房里有大量的304不锈钢，锅、壶、筷子、铲子基本都是，与身体接触的比如手表外壳也是304的，由于韧性好所以常用锻造或冲压工艺。

316L不锈钢

也叫“医疗级不锈钢”或者“船舶级不锈钢”，比304多添加了钼元素，防锈性比304还要强，几乎是不锈钢里最强的了，而且能抗强酸强碱，故在医疗、化工、船舶这些行业里大量应用。

1.2

四系不锈钢

“4”字打头的，称为“400系不锈钢”或“Cr系不锈钢”，这类不锈钢是马氏体不锈钢，硬度要比上面的奥氏体不锈钢强很多了，而且是有磁性的。

420不锈钢

国内常说的“2Cr13”，高强度、高硬度、高耐磨性，但是比较怕酸、碱的腐蚀，连大湿度的环境下也要慎重使用，不过可以做“钝化处理”，钝化后耐腐蚀性能提高10倍以上

440C不锈钢

国标“9Cr18Mo”，是“最硬的不锈钢”，比420拥有更高的强度、硬度和耐磨性，耐腐蚀性也不错，比420强多了，而且拥有很强的高温尺寸稳定性，常用于做手术刀、医用剪刀、高温喷嘴、高温环境或无润滑环境的轴承等。

440C如果在回火前能做一个“深冷处理”的话，将拥有极强的硬度、耐磨性和尺寸稳定性。缺点是有点怕振，如果有较大的冲击载荷的话，慎重使用。

Part 2

如何选用铝合金

铝合金密度2.7大约是钢的三分之一，强度、刚度还不错，耐蚀性好，不会像钢那么容易生锈。

铝合金应用最大问题就是牌号太多了，从网络上可见的资料中，实在不知道什么时候用什么材料。从常规机械设计角度出发，精要地归纳一下，最常用的铝合金材料。

2.1

铝合金系列划分及特点

三系：3003

几乎是一系中加入了1%左右的“锰”，放在这个位置，就是想说它可以替代一系，防锈性仅次于一系，导热性最好，可以做一些热沉、换热器、散热板等。只需记住牌号3003即可。

二系：2024

铜铝合金，约含4%的铜；硬度大，常被称为“硬铝”；强度好，常用于受力结构件；表面不好看，比较容易腐蚀，表面阳极化效果不太好；不容易焊接，一般不要用它来做焊接。

2024其实就是2A12（老牌号LY12，工厂里叫“硬铝十二”）。

五系：5052

铝镁合金，最轻，不能做也不用做热处理；抗拉、抗延伸、耐疲劳，板材大量用于冲压；除了一系、三系外最耐腐蚀了，也容易焊接；在常规工业中十分常用。