黑色金属

黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。

钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。含碳量小于2.11% （重量）的铁合金称为钢；而含碳量大于2.11%（重量）的铁合金称为生铁。

钢和铸铁中除了含铁、碳以外，还含有一些其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氧、氮等；另一类是根据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入这些合金元素就成为合金钢或合金铸铁。

1．钢的分类和用途

钢具有许多优良特性，如材质均匀、性能可靠，具有较高的强度和良好的塑性、韧性和延展性，可承受各种性质的荷载；加工性能优良（如可焊、可铆、可制成各种形状的型材和零件）。钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过1.00%时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大且不易加工。

钢材的力学性能取决于钢材的成分和金相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。

1. 钢的分类

GB/T13304.1-2008按照化学成分将钢材

分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类，其中低合金钢又分为普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢。低合金钢分类及常用牌号见下表1.1.3：

（2）工程中常用钢及其合金的性能和特点

1）碳素结构钢

①普通碳素结构钢。按照国家标准《碳素结构钢》GB/T 700-2006，以碳素结构钢屈服强度下限分为四个级别：Q195、Q215、Q235和Q275。普通碳素结构钢的碳、磷、 硫及其他残余元素的含量控制较宽，某些性能如低温韧性和时效敏感性较差。

Q195钢强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等；

Q215钢主要用于制作管坯、螺栓等；

Q235钢强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板，用于建造房屋和桥梁；

Q275钢强度和硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，主要用于制造轴类、耐磨零件和垫板。

②优质碳素结构钢

优质碳素结构钢是含碳小于0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高，可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。

2）低合金结构钢

①普通低合金钢

普通低合金钢共有Q345、Q390、Q420、Q460、 Q500、Q550、Q620、Q690八个强度等级。普通低合金钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。用于制造各种容器、螺旋焊管、建筑结构等。Q345（18Nb）具有综合力学性能、耐低温冲击韧性、焊接性能和冷热压加工性能良好特性，可用于建筑结构、化工容器和管道、起重机械和鼓风机。

②优质低合金钢

广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。当零件的形状复杂，截面尺寸较大，要求韧性高时，采用优质低合金钢可使复杂形状零件的淬火变形和开裂倾向降到最小。因此，形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为优质低合金钢。

3）不锈耐酸钢

不锈耐酸钢简称不锈钢。它是指在空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质中具有高稳定性的钢种。它在化工、石油、食品机械和国防工业中广泛应用。

不锈耐酸钢按使用状态的金相组织，可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体-奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。现将各类不锈钢的特点简述如下：

①铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主加元素。高铬钢有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蚀性。在硝酸和氮肥工业中广泛使用。缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。

②马氏体型不锈钢。具有较高的强度、硬度和耐磨性。但由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。通常用于弱腐蚀性介质环境中，如海水、淡水和水蒸气中；以及使用温度≤580℃的环境中，通常也可作为受力较大的零件和工具的制作材料。

③奥氏体型不锈钢。具有较高的韧性、良好的耐蚀性、高温强度和较好的抗氧化性，以及良好的压力加工和焊接性能。但是这类钢的屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。

④铁素体-奥氏体型不锈钢。其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，可焊性良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢。

⑤沉淀硬化型不锈钢。突出优点是具有高的强度，耐蚀性优于铁素体型不锈钢。主要用于制造高强度和耐蚀的容器、结构和零件，也可用作高温零件。

2．铸铁的分类和用途

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，是应用最广泛的铸造材料。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。

铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，唯一有害的元素是硫。铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。

（1）铸铁的分类。

按石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）四大类。见下图：

（2）工程中常用铸铁的性能特点

1）灰铸铁。灰铸铁包括普通灰铸铁、奥氏体灰铸铁、冷硬灰铸铁、耐磨灰铸铁、耐热灰铸铁和耐蚀灰铸铁六种，灰铸铁价格便宜，应用非常广泛。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占80%以上。

2）球墨铸铁。综合机械性能接近于钢，其铸造性能很好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。球墨铸铁的成分要求比较严格，与灰铸铁相比，它的含碳量较高，通常在4.5%~4.7%范围内变动，以利于石墨球化。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻，并具有较好的耐疲劳强度。球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45#钢。在实际工程中常用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。

3）蠕墨铸铁。强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。

4）可锻铸铁。具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。这种铸铁有黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁三种类型。黑心可锻铸铁依靠石墨退火化获得，可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、处理工艺简单等优点。