金屬的種類：性質、應用與用途

金屬種類：性能、應用和工業用途指南

了解各種金屬是焊接、機械加工或工程項目中做出合理材料選擇的關鍵。從支撐摩天大樓的碳鋼桿到生物相容性鈦板，金屬構成了現代世界的基本組成部分，卻常常被忽略。本文將簡要介紹各種金屬的類型，比較它們的量化性能，並附上每種金屬與其理想用途的對應關係圖。

什麼是金屬？定義和原子結構

根據定義，金屬是一種易於電離形成正離子（陽離子）的化學元素，而這些正離子之間會形成金屬鍵。這些化學鍵會產生大量的自由電子，這些電子在整個晶體結構中不斷移動。這解釋了所有金屬所具有的特性：高導電性和導熱性、延展性、韌性以及拋光後呈現光澤。

正是電子的共享使得銅線能夠導電，鋼樑在彎曲時會斷裂。金屬中的離域電子使得單層原子在受力時能夠相互滑動而不破壞化學鍵，這與陶瓷或玻璃的情況不同，陶瓷和玻璃在受力時會斷裂而不是彎曲。這種離域電子賦予了金屬延展性，使其在被拉成細絲或錘成薄片時具有良好的可塑性。

如果你曾經嘗試過用折彎機加工金屬… 彎曲金屬 您應該已經見過金屬鍵合的實際應用。

整體而言，元素週期表左側中部主要由金屬構成，其中鐵、銅、鎳、鈦和鉻等d區過渡金屬是工業生產中的主力。鋰、鈉等鹼金屬以及鎂、鈣等鹼土金屬位於週期表的最左側，但它們的活性極強，因此在自然狀態下均不適用於結構應用。總的來說，在已知的約118種元素中，有94種是金屬。

這 94 種金屬元素中有兩種在普通室溫下是液態的：汞和鎵。

在元素週期表中，室溫下的液態元素相當不尋常，這類元素的狀態通常以固態元素的強度為特徵。

從工程應用角度來看，金屬大致可分為三大類：

• Les métaux ferreux – 鎳鐵、銀鐵…Contiennent du fer。 （例如：acier、fonte、fer...）
• 金屬非鐵合金 – nessun il contenuto di Ferro (Alluminio、rame、titanio、zinco)
• 合金－由兩種或兩種以上元素（至少一種為金屬）組成的工程混合物（黃銅、青銅、因科鎳合金）。

假設以下列表的每個部分都介紹一組金屬，並分別對其進行深入研究，然後比較每組金屬可以測量的特性，並展示每組金屬真正擅長的應用。

決定金屬工業選擇的關鍵特性

為項目選擇金屬絕非只取決於一個數字。加工商會考慮強度重量比、導電性指標、實際使用環境中的腐蝕特性，以及預算和加工性能。下表列出了六種典型的工程金屬及其最重要的參數。

強度：抗拉強度是指金屬在斷裂前所能承受的最大拉力。在這一類別中，鈦的抗拉強度最高，達到 950 兆帕，因此，世界領先的鈦用戶之一是航空航天工程師，他們將其用於製造起落架和渦輪葉片。鋅的抗拉強度最低，只有 37 兆帕，這意味著它通常用於塗層和壓鑄外殼，而不能用於結構件。

導電率以國際退火銅標準 (IACS) 的百分比來衡量。 100% 代表純銅。鋁的 IACS 為 43%，雖然並非最佳導電材料，但其重量輕，單位體積重量僅為銅的三分之一，因此非常適合用於架空高壓電線塔的電纜。鈦的導電率最低，僅 3%，因此不適合用於電線，但對於人體和頭部植入物而言卻是理想的材料，因為在這些部位，導電性過高反而有害。

耐腐蝕性取決於金屬形成保護性氧化層的能力。鋁能夠自然形成一層防止金屬腐蝕的二氧化矽（AlO）層，這非常了不起——即使要製造出如此厚實且具有保護作用的氧化層也並非易事。不鏽鋼則依賴基體金屬中至少10.5%的鉻含量，以便形成一層氧化鉻。未經塗漆、鍍鋅或其他保護處理的低碳鋼，即使只含有微量的、賦予不銹鋼優異耐腐蝕性的元素，在潮濕和高鹽環境中也會迅速腐蝕。

哪些金屬具有磁性？

磁鐵以三種不同的方式吸引多種金屬。鐵磁性材質對磁鐵的吸引力極強，也是唯一能自己製成永久磁鐵的金屬。只有鐵磁性材料才能被磁力吸盤在加工過程中固定工件。抗磁性材料，例如金和銅，幾乎不被磁場吸引，需要使用實驗室設備才能檢測出來。順磁性材料，例如鋁或鈦，據說具有非常弱的磁性，幾乎無法用肉眼察覺。在工業領域，一個簡單的經驗法則是：如果某種金屬能被磁鐵吸引，那麼它就含有鐵、鎳或鈷。

“所有金屬都是一種妥協。高強度、輕量化、耐腐蝕性和低價格很少能同時體現在一種合金中。機械工程師的問題在於，要找出客戶最看重的兩到三種性能，然後對其他性能做出妥協。”
— 材料工程原理，改編自 ASM International 指南

黑色金屬：鋼、鑄鐵和鐵基合金

世界上超過90%的金屬是鐵基金屬。 2024年，全球粗鋼產量超過632億噸，這驚人的數字遠遠超過其他所有金屬的總和。這背後有著非常充分的理由。鐵資源豐富，而且現有的基礎設施可以將鐵礦石轉化為金屬，此外，只需添加碳和合金元素等添加劑，就可以大幅改變鋼的物理性能，甚至使其完全消失。

碳素鋼

碳鋼依其含碳量分類：

• 低碳/軟鋼（含碳量<0.25%）－可焊接、可成形、可加工。 AISI 1018是支架、夾具和結構件的標準通用鋼種。抗拉強度約440兆帕。
• 中碳鋼（含碳量0.25-0.60%）－強度更高、硬度更大，用於汽車車軸、齒輪和鐵路軌道。 AISI 1045的典型抗拉強度約為585兆帕。
• 高碳鋼（含碳量0.60-2.0%）－硬度極高，用於製造切削刀具、彈簧和金屬絲。可透過熱處理達到極高的硬度，但其微觀結構非常脆，焊接性能極差。

不銹鋼

不銹鋼的鉻含量至少要達到10.5%才能稱為不鏽鋼。鉻會在表面形成一層肉眼看不見的氧化層，賦予其卓越的耐腐蝕性。三種牌號的不銹鋼滿足了絕大多數的工業用途：

• 304（18%鉻/8%鎳）－世界上應用最廣泛的不鏽鋼。廣泛應用於食品加工產業、廚房水槽、建築裝飾和化學儲存槽。退火狀態下不具磁性。
• 316（16% Cr / 10% Ni / 2% Mo）－添加鉬元素使其具有優異的抗氯化物點蝕性能。適用於船舶五金、製藥設備及沿海建築。成本比 304 高約 20-30%。
• 430（含17%鉻，不含鎳）－一種鐵素體鋼，具有磁性，比304鋼便宜，適用於裝飾面板、電器裝飾和汽車排氣系統。

對於涉及的項目 不銹鋼雷射切割317 和 316 在用光纖雷射以適當的功率和氣體設定進行雷射切割時，都能呈現出乾淨的切割輪廓——但 316 由於其 Mo 含量較高，需要稍大的功率。

合金鋼

合金鋼利用鉻、鉬、釩、鎳等元素的組合來產生功能特性：

• 4140 級（Cr-Mo）鋼具有優異的韌性和抗疲勞性，因此常用於石油和天然氣鑽鋌、車軸和高應力緊固件。
• 4340 級（Ni-Cr-Mo）是一種航空航天級合金，具有極高的深度強度，用於起落架、動力傳動齒輪和重型工具。

鑄鐵

• 灰鑄鐵（含碳量3-4%）雖然非常脆，但具有極佳的吸收和阻尼振動能力。這使其成為機床和引擎缸體的理想基材。其微觀結構中的石墨片能將振動能量轉化為熱能。
• 球墨鑄鐵（或稱球狀鑄鐵）中的石墨呈球狀而非片狀，大大提高了抗衝擊性和延展性。常用於製造管件、曲軸和重型齒輪。
• 白口鑄鐵硬度高，耐磨性好，過去常用於製造球磨機和泥漿泵的耐磨襯裡。

熾熱的熟鐵——歷史上曾是製作大門、欄桿和鏈條的重要材料——如今已被更便宜、更易加工的低碳鋼所取代。現代所謂的「熟鐵」製品，通常是用低碳鋼加工成類似熟鐵的形狀。

哪些類型的金屬會生鏽？

「生鏽」是一種特殊的化學反應：當鐵與氧氣和濕氣相互作用時，會形成一層銹層（即氧化亞鐵，FeO），這層鏽層會導致舊鋼出現強度降低和易剝落的現象。所有含鐵金屬都容易生鏽，因為含鐵意味著它們的結構中至少含有一定量的鐵。低碳鋼在鹽霧或高濕度環境下最容易生鏽。合金鋼，例如4140鋼，如果不進行潤滑、塗漆或其他保護措施，也容易生鏽。

對於不銹鋼而言，其防鏽層是氧化鉻，因此這種合金被稱為「耐鏽蝕」而非「完全防鏽」。特別是，304 型不銹鋼在氯化物環境（海水、除冰鹽、鹽水溶液）中，溫度高於約攝氏 50 度時容易發生點蝕。這就是為什麼船舶和化工廠的規範要求使用 316 型不銹鋼，其中 2% 的鉬含量可以有效防止點蝕的原因。

大多數非鐵質金屬不具磁性，也不會生鏽，因為它們不含鐵。它們會經歷各自不同的腐蝕過程；鋁會產生白色粉末狀的氧化鋁，而銅會在老舊的屋頂和雕像上形成漂亮的綠色銅綠。這些氧化物實際上能夠抵抗後續的腐蝕——這與易剝落的氧化鐵截然相反，氧化鐵越是難以清除，就越令人困擾。

有色金屬：鋁、銅、鈦及其他

非鐵金屬不含鐵，這意味著它們的氧化方式與鐵不同，因為氧化過程依賴鐵的存在。它們通常不具有磁性，比鐵質材料更耐腐蝕、導電性更好、更輕——但也更昂貴，有時需要不同的製造方法。

鋁合金

鋁在地殼中的含量高達8.2%，僅次於氧，位居第二。儘管如此，在1886年霍爾-埃魯法發明之前，鋁的價格比黃金還要昂貴。它是繼鋼之後第二大最受歡迎的金屬：其價值在於低密度（2.70克/立方公分）、耐腐蝕性和易加工性。

7075鋁合金強度高、重量輕，抗拉強度達570兆帕，接近中碳鋼的水平。可惜的是，它的焊接難度很高，而且比6061鋁合金貴。

因為鋁能反射近90%的二氧化碳雷射波長， 雷射焊接鋁合金 需要仔細控制熱反射和熱傳導。

銅及銅合金

銅（C11000）以100% IACS作為其導電率的衡量標準。它被用作電線、母線和熱交換器的固定參考標準。其滲漏問題在於其柔軟性－抗拉強度僅為220 MPa，無法承受結構負荷。

• 黃銅是第一種商業上常用的銅合金；當它與另一種金屬元素（鋅）合金化時，硬度遠高於銅，具有天然的耐腐蝕性和易於加工的特性——用於製造配件、管樂器、裝飾五金件和彈藥外殼。
• 青銅是由銅和錫組成的合金；在鹽水環境中比黃銅具有更高的強度和耐腐蝕性；傳統用途包括船舶螺旋槳、軸承和船用五金件。

銅的雷射加工－正是由於其鏡面反射特性，使得雷射加工極具挑戰性。由於銅的高反射率，波長接近 1,070 nm 的光纖雷射比二氧化碳雷射更適合用於加工銅。了解更多 用雷射切割銅.

鈦

Ti-6AL-4V，這款鈦合金堪稱標竿：抗拉強度高達950兆帕，密度僅4.43克/立方厘米，是中等強度鋼材的典型代表，重量卻比同類鋼材輕44%。航空航太、醫療和高性能賽車運動等領域都依賴鈦合金的優勢。

行銷中未提及的一個成本限制是：鈦的每公斤成本是不銹鋼的25到100倍（取決於形狀和等級），加上其可加工性僅為22%，因此用鈦製造零件成本高昂。當減輕重量或便於製造車身或產品能夠使鈦部件具有優勢時，鈦是合理的選擇；但在其他情況下，不銹鋼或鋁是更好、更經濟的選擇。

其他有色金屬

• 鋅的應用領域十分廣泛；最常見的是鍍鋅，即將鋅塗層塗覆在鋼或鐵表面以提供防腐蝕保護。其次是壓鑄，用於製造門把手和汽車裝飾件。
• 鎳存在於高溫合金（Inconel、Hastelloy）中，這些合金用於溫度超過 700 攝氏度的燃氣渦輪機和噴氣發動機；鎳還可以用作電鍍和電池的塗層。
• 錫是電子產品焊錫合金的成分之一，食品罐頭普遍採用鍍錫工藝，青銅結構中也含有錫。
• 鉛參與了全球約 80% 的電池生產，也用於輻射屏蔽和鎮流器應用；但由於毒性方面的監管限制，對鉛的需求正在下降。
• 貴金屬（黃金、白銀、鉑金）在珠寶、電路（金線鍵合）、觸媒轉換器（鈀金和鉑金）和投資領域找到了用武之地；

金屬合金：元素組合如何提升性能

合金是指一種金屬元素與一種或多種其他元素（不論是否為金屬）的混合物。其目的是創造出一種由兩種或多種單一組分無法達到的性能組合。鋼是合金，由鐵和碳組成。青銅是合金，由銅和錫組成。現代世界的商業文明之所以建立在合金的生產和加工之上，而非純金屬元素，是因為純金屬普遍無法滿足實際使用環境中對強度、硬度、耐腐蝕性和彈性模量的要求。

合金化是透過「原子層面的擾亂」來實現的。外來原子團塊會扭曲晶格的規則排列，阻礙位錯（金屬變形的缺陷）的擴散。否則，可移動的位錯就會被釋放出來，原本柔韌的金屬就會變成堅硬的剛性材料。

場景：一家食品加工車間從使用低碳鋼過渡到使用316L不銹鋼，必須更換焊絲（316L焊絲），將保護氣體改為氬氣加2%一氧化碳，並將切割速度降低約30%。礦物合金的選擇決定了後續所有製造工序——包括工裝、夾具、焊接參數以及研磨或拋光步驟。材料選擇絕非獨立過程。

除了按鐵金屬和非鐵金屬分類外，將金屬按賤金屬（易氧化，例如鋅、鐵、錫、鋁）、貴金屬（抗氧化，例如金、鉑、鈀）或元素週期表族分組也很有用。這些族群——過渡金屬（d區）、鹼土金屬、鑭系元素——可以作為單獨的類別來獲取。

如何為您的專案選擇合適的金屬

金屬選材錯誤是造成加工缺陷的最常見原因，而且通常無法補救——一旦焊接完成，就無法拆焊。下表從1（差）到5（優）的等級，對十種常用金屬的六個參數進行了比較。

針對特定應用的精選

• 在討論數控加工時，鋁合金6061被認為是最佳有色金屬材料，而低碳鋼1018似乎是最佳黑色金屬材料之選。就加工性能而言，它們的易加工性評分均在4分以上。
• 雷射切割最適合低碳鋼——它最容易切割，也是最適合雷射切割的金屬。低碳鋼不含氧化物且不易燃燒。其他不太適合雷射切割的金屬包括不銹鋼（但不銹鋼需要更高功率的雷射）、鋁（由於反射特性，最好使用光纖雷射）和鈦（雷射切割的“石料”，通常用於切割昂貴的高價值零件）。請訪問列表。 光纖雷射可以切割的材料 獲得更多選擇。
• 對於腐蝕性環境，通常使用316L不銹鋼或鈦，點蝕強度均為5，以獲得最佳的防腐蝕和抗氧化性能。只有當減重帶來的效益是材料成本的25到100倍時，才建議使用鈦。
• 對於住宅或商業的結構和建築應用，碳鋼（1018 或 A36）分別提供 3 級強度和 5 級成本。
• 電子和電腦應用採用銅來實現 100% IACS 導電性，並採用鋁（密度更高）來實現輕質外殼和散熱器。

雷射切割可以使用哪些類型的金屬？

只要配備合適的設備，幾乎所有金屬都可以用雷射切割，但需要使用不同的機器。如果要切割鋁、黃銅或銅等高反射率金屬，可以使用波長 1070nm 的光纖雷射。由於二氧化碳雷射的波長為 10600nm，因此光纖雷射不會受到背反射離子的影響——背反射離子會照射到諧振腔背面並可能損壞諧振腔。

低碳鋼是世界上最適合雷射切割的金屬，它能以比其他任何金屬更快的速度、更低的成本實現高品質的切割。切割不銹鋼所需的雷射功率比同等厚度的低碳鋼高出20-30%，並且需要使用鈦惰性氣體（通常是氬氣）進行密封。

如需光纖雷射技術與二氧化碳雷射技術並排比較，請參閱以下內容： 光纖雷射與二氧化碳雷射的比較 部分內容。您可能還想了解哪些 可以使用光纖雷射對材料進行標記。 以及它們如何與各種金屬類型搭配，或查看我們的 激光打標機 適用於加工鋼、鋁、銅和鈦部件的設備系列。

可回收性說明：除少數幾種金屬元素外，幾乎所有金屬元素都可以無限循環利用，且其基本性質幾乎不變。鋁的回收僅需從鋁土礦中生產鋁所需能源的5%，是目前已知的最節能的製程之一。鋼鐵是地球上以重量計算回收率最高的材料。

常見問題

金屬的十種類型是什麼？

金屬有多少種類型？

合金與純金屬有何不同？

哪一種金屬不會生鏽？

哪些類型的金屬可以回收？

3D列印可以使用哪些類型的金屬？

金屬通常具有延展性和韌性嗎？