機械結構設計中材料的選用

在機械結構設計中，對常規金屬結構件大致有三個層次的選擇：碳素結構鋼（碳鋼）、不銹鋼與鋁合金，碳素結構鋼就是我們萬能鋼種：45#和Q235，對多數機械設計師對兩種鋼種選用，基本上是小菜一碟。如何選擇不銹鋼的3種材料——304不銹鋼、優質碳素結構鋼（45號鋼）和優質碳素結構鋼（Q235）。如果你花完兩分鐘看完這篇文章，那么一定會讓你對這三種材料的認識更上一層樓。

首先我們先來聊一聊這些材料名字的由來，304只是不銹鋼一個代號，并沒有什么特殊的含義；45號鋼之所以叫45是因為其含碳量為0.45%，因此命名為45號鋼；Q235中的“Q”表示材料的屈服強度，后明的235的意思就是這種材料的屈服強度至為235MPa。

Part 1

表面拉絲處的不銹鋼

接下來我們通過比較一下這三種材料的屬性值，進而進一步了解。

304的密度為7.93 g/cm，而45號鋼和Q235的密度相同，都是7.85 g/cm.質量m=pv=密度x體積，所以同樣體積的這3種材料的重量沒有什么差別。

304、45和Q235的屈服強度分別為205MPa、355MPa和235MPa，屈服強度是金屬材料發生屈服現象時的屈服極限，也就是抵抗微量塑性變形的應力。大于屈服強度的外力作用，將會使零件永久失效，無法恢復。如Q235的屈服極限為235MPa，當大于此極限的外力作用之下，零件將會產生永久變形，小于這個的，零件還會恢復原來的樣子。由此可以看出304和Q235有更好的可塑性，在鈑金加工中的用途會比較廣泛。

45鋼管

304、45和Q235的硬度分別為201HB、197HB和150HB。304和45的硬度相差不是很大，Q235強度稍差但是制作一般零件沒有問題。304的價格要遠遠高于另外的兩種材料，45的價格高于Q235。

鍍鋅處理的Q235

分析一下三種材料的優缺點和用途。

304最大的優點就是本身自帶防銹屬性，不用做任何的表面防銹處理。在拉絲處理后表面十分的美觀，因此也常用作裝飾板。它唯一的缺點就是價格太貴。45調質處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨。可用調質＋表面淬火提高零件表面硬度。Q235由于含碳適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛。

常規機械設計中，有4種最常用的不銹鋼：304、316L、420、440C，絕大多數場合，這四種不銹鋼就可以滿足90%的需求。

這些牌號的叫法其實是來源于美國標準（或日本標準），不過現在在國內太常用了，而且我們國家標準的不銹鋼牌號的確有點難記，所以，上述叫法在國內流行起來了。

1.1

三系不銹鋼

3”字開頭的，稱為“300系不銹鋼”或“Cr－Ni系不銹鋼”，這類不銹鋼就是多數人熟知的奧氏體不銹鋼，幾乎是不銹鋼里“最不銹”的鋼，基本無磁性，主要常用于食品和醫療行業。韌性非常不錯，比四系要好，三系不銹鋼鋼板沖壓成型特別常見。

304不銹鋼

也稱“食品級不銹鋼”，防銹性能好，家里廚房里有大量的304不銹鋼，鍋、壺、筷子、鏟子基本都是，與身體接觸的比如手表外殼也是304的，由于韌性好所以常用鍛造或沖壓工藝。

316L不銹鋼

也叫“醫療級不銹鋼”或者“船舶級不銹鋼”，比304多添加了鉬元素，防銹性比304還要強，幾乎是不銹鋼里最強的了，而且能抗強酸強堿，故在醫療、化工、船舶這些行業里大量應用。

1.2

四系不銹鋼

“4”字打頭的，稱為“400系不銹鋼”或“Cr系不銹鋼”，這類不銹鋼是馬氏體不銹鋼，硬度要比上面的奧氏體不銹鋼強很多了，而且是有磁性的。

420不銹鋼

國內常說的“2Cr13”，高強度、高硬度、高耐磨性，但是比較怕酸、堿的腐蝕，連大濕度的環境下也要慎重使用，不過可以做“鈍化處理”，鈍化后耐腐蝕性能提高10倍以上

440C不銹鋼

國標“9Cr18Mo”，是“最硬的不銹鋼”，比420擁有更高的強度、硬度和耐磨性，耐腐蝕性也不錯，比420強多了，而且擁有很強的高溫尺寸穩定性，常用于做手術刀、醫用剪刀、高溫噴嘴、高溫環境或無潤滑環境的軸承等。

440C如果在回火前能做一個“深冷處理”的話，將擁有極強的硬度、耐磨性和尺寸穩定性。缺點是有點怕振，如果有較大的沖擊載荷的話，慎重使用。

Part 2

如何選用鋁合金

鋁合金密度2.7大約是鋼的三分之一，強度、剛度還不錯，耐蝕性好，不會像鋼那么容易生銹。

鋁合金應用最大問題就是牌號太多了，從網絡上可見的資料中，實在不知道什么時候用什么材料。從常規機械設計角度出發，精要地歸納一下，最常用的鋁合金材料。

2.1

鋁合金系列劃分及特點

三系：3003

幾乎是一系中加入了1%左右的“錳”，放在這個位置，就是想說它可以替代一系，防銹性僅次于一系，導熱性最好，可以做一些熱沉、換熱器、散熱板等。只需記住牌號3003即可。

二系：2024

銅鋁合金，約含4%的銅；硬度大，常被稱為“硬鋁”；強度好，常用于受力結構件；表面不好看，比較容易腐蝕，表面陽極化效果不太好；不容易焊接，一般不要用它來做焊接。

2024其實就是2A12（老牌號LY12，工廠里叫“硬鋁十二”）。

五系：5052

鋁鎂合金，最輕，不能做也不用做熱處理；抗拉、抗延伸、耐疲勞，板材大量用于沖壓；除了一系、三系外最耐腐蝕了，也容易焊接；在常規工業中十分常用。