第二节　铁碳合金的分类

一、基本分类

铁碳合金根据含碳量及组织划分可以分为三类，即工业纯铁、钢及铸铁。

1.工业纯铁

含碳量小于0.0218%，室温显微金相组织为α相。

2.钢

含碳量介于0.0218%～2.11%之间，其特点是塑性好、可进行锻造、轧制等压力加工，加热至高温时可以获得均匀的单相奥氏体组织。

碳钢也叫碳素钢，指含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷，按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。

碳素结构钢又分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种。按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（wC ≤0.25%）、中碳钢（wC= 0.25%～0.6%）和高碳钢（wC>0.6%）；按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）。一般碳钢中含碳量越高，则硬度越高，强度也越高，但塑性较低。

3.铸铁

含碳量介于2.11%～6.69%之间，其特点是结晶时有共晶反应，铸造性能较好，熔点低，减摩性、耐磨性好，生产工艺简单，成本低；在各类机械中，铸铁占所有总金属材料重量的比例达到40%～70%。铸铁主要包含Fe， C， Si， Mn， S， P 等元素。

二、碳素结构钢

碳素结构钢根据质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

1.普通碳素结构钢

普通碳素结构钢平均含碳量wC=0.06%～0.38%，钢中的有害物质和非金属夹杂物较多。通常是轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋）等。

普通碳素结构钢的牌号用代表屈服点的汉语拼音字母+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法符号等表示。牌号中“Q”表示“屈”，A、B、C、D表示质量等级，它反映碳素结构钢中有害杂质（磷、硫）含量的多少，其中C、D级磷、硫含量最低，质量好，可作为重要焊接结构钢。

主要牌号包括Q195、Q235A、Q255B、Q275C等。

2.优质碳素结构钢

硫、磷含量很低，非金属夹杂物也较少，一般是在热处理后使用。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示：数字表示钢中平均碳质量分数的一万倍，如40钢表示含碳量为0.40%。根据钢中锰的含量不同，优质碳素结构钢分为普通含锰量钢（wMn<0.80%）和较高含锰量钢（wMn=0.70%～1.00%）。

3.碳素工具钢

碳素工具钢要求有高硬度和高耐磨性，而且必须经淬火和低温回火，如T7、T8等。

碳素工具钢的牌号是用字母“T”（为碳的汉语拼音）+数字（表示钢中平均碳含量分数的一千倍）表示，碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢后面加字母“A”，如T7A。

4.铸造碳钢

“ZG”系“铸钢”二字汉语拼音字首，例如ZG200-400，后面第一个数字为屈服强度（MPa），第二个数字为抗拉强度（MPa）。

三、铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金（一般不超过4.3%），并含有硅、锰等元素以及硫、磷等杂质。铸铁可以按照碳的存在形式及石墨形态的不同分类，具体分类见图1-1。

1.铸造的分类

铸造可按金属液的浇注工艺分为重力铸造和压力铸造。

重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称浇铸。广义的重力铸造包括砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、泥模铸造等；狭义的重力铸造专指金属型铸造。

压力铸造是指金属液在其它外力（不含重力）作用下注入铸型的工艺。广义的压力铸造包括压铸机的压力铸造和真空铸造、低压铸造、离心铸造等；狭义的压力铸造专指压铸机的金属型压力铸造，简称压铸。这几种铸造工艺是目前金属铸造中最常用的且相对价格最低的。

金属型铸造是用耐热合金钢制作铸造用中空铸型模具的现代工艺。金属型铸造既可采用重力铸造，也可采用压力铸造。金属型的铸型模具能反复多次使用，每浇注一次金属液，就获得一次铸件，寿命很长，生产效率很高。金属型的铸件不但尺寸精度好、表面光洁，而且在浇注相同金属液的情况下，其铸件强度要比砂型铸造的铸件更高，更不容易损坏。因此，在大批量生产有色金属的中、小铸件时，只要铸件材料的熔点不过高，一般都优先选用金属型铸造。但是，金属型铸造也有一些不足之处：因为耐热合金钢和在它上面做出中空型腔的加工都比较昂贵，所以金属型铸造的模具费用不菲，不过总体费用和压铸模具费用比起来则便宜。

此外，金属型模具虽然采用了耐热合金钢，但耐热能力仍有限，一般多用于铝合金、锌合金、镁合金的铸造，在铜合金铸造中已较少应用，而用于黑色金属铸造的就更少。

2.炼钢生铁和铸造生铁的区别

炼钢生铁和铸造生铁的相同点是都可以炼钢。但铸造生铁贵，炼钢不划算。 

炼钢生铁含硅量不大于1.7%，碳以Fe3C状存在。故硬而脆，断口呈白色。 

铸造生铁中的硅含量为1.25%～3.6%。碳多以石墨状态存在。断口呈灰色。质软、易切削加工。

在高炉中刚从矿石中炼出来的铁水含碳量和杂质都较高，可以用来铸成生铁块送到转炉去炼钢，通常炼钢的时候还要加些含碳量较低的废铁，这种铁水也可以进一步冶炼去掉某些杂质（包括进一步脱碳）和使渗碳体分解（碳化物，为此有时会加入硅，这时候炼钢的时候需要考虑硅含量是不是允许）呈石墨状态析出，用作浇铸铸件（铸铁）。

生铁的含碳量高，在过共晶的范围；铸铁的含碳量低，在亚共晶的范围。

它们进一步冶炼降碳（包括掺低碳的废铁），含碳量进一步降低就成了钢。钢中也常加入其它合金元素，通过冶炼调节钢中的合金元素（包括碳）的比例关系，就炼成了各种型号的钢，这种过程就是炼钢。可见生铁和铸铁都能炼钢用。

钢再降碳就成了纯铁，也叫熟铁。熟铁很软。生铁炼到熟铁主要就是碳含量的降低。

四、合金钢

合金钢按照主要用途可以分为合金结构钢、合金工具钢及特殊性能钢。

合金结构钢主要用于制造重要的机械零件和工程结构等；合金工具钢主要用于制作重要刃具、量具、模具等；特殊性能钢具有某种特殊物理性能、化学性能，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

按合金元素含量可以把合金钢分类，包括低合金钢（wMe<5%）、中合金钢（wMe<5%～10%）、高合金钢（wMe>10%）。

1.普通低合金结构钢

在热轧、空冷状态使用，组织为珠光体加铁素体，要求焊接性、塑性及韧性都好，所以含碳量很低，一般wC在0.10%～0.25%之间。

为了提高钢的强度，加入溶于铁素体起固溶强化的元素锰、硅；另外，还可以加入钒、钛等元素，主要是细化晶粒，进一步提高钢的强度和塑性；加入铜、磷等可提高钢材对大气压的抗腐蚀能力。

普通低合金结构钢的常见牌号包括16Mn、16MnNb、14MnVTiRE及15MnVN。

2.超高强度钢

超高强度钢是用于制造承受较高应力结构件的一类合金钢。一般屈服强度大于1180MPa、抗拉强度大于1380MPa，这类钢一般具有足够的韧性及较高的比强度和屈强比，还有良好的焊接性和成形性。

按照合金化程度和显微组织，超高强度钢可分为低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢三类。超高强度钢主要用于航空和航天工业。

3.合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。

五、不锈钢

所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳钢上形成的氧化铁还可继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，最终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属（例如锌、镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面，但是，这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏，下面的钢便开始锈蚀。

特殊性能钢具有特殊物理性能或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。不锈钢是属于一种特殊性能的合金钢。

不锈耐酸钢包括不锈钢与耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。而在一些化学介质（如酸类等）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。

不锈钢在实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到1.2%左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。

不锈钢通常按基体组织分为以下几种。

（1）铁素体不锈钢。含铬12%～30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高 ， 耐氯化物应力腐蚀性能优于其它种类不锈钢。

（2）奥氏体不锈钢。含铬大于18%，还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。

（3）奥氏体-铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。

（4）马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较差。