下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
金属材料通常分为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料。
1）黑色金属材料又称钢铁材料，包括含铁量为90%（质量分数）以上的工业纯铁、含碳量为2%～4%（质量分数）的铸铁、含碳量为小于2%（质量分数）的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
2）有色金属材料是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属和稀土金属等。有色金属合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。
铁元素很活泼，容易与其他物质结合，在自然界中蕴藏量极为丰富，占地壳元素含量的5%（质量分数），居地球物质中的第四位。钢由生铁冶炼而成，有较高的机械强度和韧性，有的还具有耐热性、耐蚀性等特殊性能。
钢铁是含有少量合金元素和杂质的铁碳合金，按含碳量不同可分为生铁、熟铁、纯铁、铸铁和钢。
在习惯上，常说的钢铁是钢和铁的总称，主要由铁和碳两种元素构成，其化合物一般叫铁碳合金。含碳量多少是区别钢铁的主要标准，对钢铁的性质影响极大，当它增加到一定程度后就会引起质的变化。由铁原子构成的物质叫纯铁，杂质很少；熟铁的含碳量小于0.05%（质量分数），质地很软，塑性好，延展性好，容易变形，可以拉成丝，强度和硬度均较低，容易锻造和焊接，用途不广。生铁的含碳量超过2%（质量分数），几乎没有塑性；铸铁是指含碳量在2%（质量分数）以上的铸造铁碳合金的总称，通常由生铁、废钢、铁合金等以不同比例配合通过熔炼而成；钢的含碳量为0.02%～2.11%（质量分数），不仅有良好的塑性，而且强度高、韧性好、抗冲击，有的还具有耐高温、耐腐蚀、耐磨等优良的物化应用性能，因此被广泛利用。
钢是含碳量在0.02%～2.11%（质量分数）之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%（质量分数）。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，主要的分类方法有如下7种：
1.按冶炼设备分类
（1）转炉钢 转炉钢冶炼时，把空气或氧气吹入铁液中，使铁液中的C、Mn、Si、P、S等迅速氧化，靠氧化时放出的热量来升温，而不靠燃料供热。由于节省燃料，转钢炉已成为主要钢种。
（2）平炉钢 平炉钢冶炼时，靠燃料（煤气或重柴油）的燃烧来熔化炉料和提高钢液温度，靠炉气中的氧气和加入铁矿石进行氧化反应。由于平炉钢消耗大量燃料，在20世纪末已被彻底淘汰。
（3）电炉钢 电炉钢是利用电能作为热源进行冶炼的。电炉钢主要用于生产高质量和高合金钢。电炉钢主要有电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢、真空自耗炉钢、电子束炉钢。
2.按脱氧程度分类
脱氧是指加入脱氧剂（如锰铁、硅铁、铝等），把钢液中多余的氧去掉。
（1）沸腾钢 只用锰铁脱氧，钢中含氧较多，浇注时，钢中氧与碳发生作用析出大量CO，因此钢液在钢模内呈沸腾现象，故称沸腾钢。沸腾钢成材率高，成本低，但化学成分不均匀，偏析、杂质多。沸腾钢牌号最后用“F”表示。
（2）镇静钢 用锰铁，还用硅铁（有时用铝）脱氧，钢中氧已很少，浇注时没有沸腾现象。镇静钢化学成分均匀，力学性能较好，但有缩孔，成本高。镇静钢牌号后加“Z”。
（3）半镇静钢 脱氧程度和性能在镇静钢与沸腾之间，钢牌号后加b。半镇静钢应用较少。
（4）特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢。特殊镇静钢牌号后加“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。
3.按化学成分分类
按化学成分，钢可分为碳素钢和合金钢，见表1-1。
表 1-1 钢按化学成分分类
4.按钢的品质分类
（1）普通钢 钢中含杂质元素较多，一般S、P的含量均小于0.07%（质量分数），如碳素结构钢、低合金高强度钢等。
1）Q195：强度低，塑性高，有良好的压力加工性和焊接性。用于制作铁丝网、铁钉、铆钉、薄铁皮等；制作日常生活用品，如水壶、水桶、铁皮烟囱、罐头等；也可制作农业机械，如打谷机、压碎机、犁片及一些焊接件。
2）Q215：性能与Q195基本相同，强度比Q195高一些，塑性略差一些，用途与Q195基本相同。
3）Q235：有较高的强度和硬度，塑性稍低，大多数在热轧状态下使用。适用于制造建筑结构、桥梁等用钢材，如角钢、槽钢、工字钢、钢筋钢等，以及农业机械中的犁、锄等和一般机械中的螺栓、连杆、心轴、拉杆等，也可用作不重要的焊接件，是应用最广泛的钢种。
4）Q275：强度高，有一定的耐磨性，但塑性低，一般在热轧状态下使用。制作要求有较高强度和一定耐磨性的机械零件，如机械制造中重要的轴、车轮、钢轨、拖拉机犁等。
（2）优质钢 钢中含杂质元素较少，S、P的含量一般均小于或等于0.04%（质量分数），抗拉强度 R m =290～785MPa，如优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢和合金工具钢、弹簧钢、轴承钢等。
（3）高级优质钢 钢中含杂质元素极少，S、P的含量一般均小于或等于0.04%（质量分数），如合金结构钢和工具钢等，钢牌号后面通常加符号“A”。
5.按钢的用途分类
（1）结构钢 包括建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢。
1）建筑及工程用结构钢，用于建筑、桥梁、船舶、锅炉或其他工程上制作金属结构件的钢，如碳素结构钢、低合金高强度钢和钢筋钢等。
2）机械制造用结构钢，用于制造机械设备上结构零件的钢，这类钢基本上都是优质钢或高级优质钢，主要有优质碳素结构钢、合金结构钢、易切结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢和冲压用钢、冷镦用钢等。
（2）工模具钢 包括碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢等，用于制造各种工具，如刃具钢、模具钢、量具钢等。
（3）特殊钢 包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢、低温用钢、电工用钢、气阀钢等。
（4）专业用钢 包括汽车用钢、农机用钢、航空用钢、化工机械用钢、锅炉用钢、电工用钢、焊条用钢等。
6.按制造加工形式分类
（1）铸钢 主要用于制造一些形状复杂、难以进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件。
（2）锻钢 指采用锻造方法生产出来的各种锻材和锻件，质量比铸钢件高，能承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也都比铸钢件高。
（3）热轧钢 指用热轧方法生产出来的各种钢材。常用来生产型钢、钢管、钢板等大型钢材，也用于轧制线材。
（4）冷轧钢 指用冷轧方法而生产出来的各种钢材，表面光洁、尺寸精确、力学性能好，常用来轧制薄板、钢带和钢管。
（5）冷拔钢 指用冷拔方法而生产出来的各种冷拔钢材，精度高、表面质量好，主要用于生产钢丝，也用于生产直径在50mm以下的圆钢和六角钢，以及直径在76mm以下的钢管。
7.按金相组织分类
1）按退火后的金相组织分类，可分为亚共析钢（铁素体+珠光体）、共析钢（珠光体）、过共析钢（珠光体+渗碳体）和莱氏体钢（珠光体+渗碳体）等。
2）按正火后的金相组织分类，可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢等。
3）按加热、冷却时有无相变和室温时的金相组织分类，可分为铁素体钢、半铁素体钢、半奥氏体钢、奥氏体钢等。
生铁按照化学成分分类，可分为非合金生铁和合金生铁。其中，非合金生铁又可分为炼钢生铁、铸造生铁和其他非合金生铁；合金生铁又可分为镜铁和其他合金生铁。
（1）按碳的存在形态分类 铸铁按碳的存在形态可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、白口铸铁、麻口铸铁等。
1）灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形态存在，其铸造性、减振性、减摩性、可加工性比钢好，但力学性能较差。
2）可锻铸铁中的碳大部分以团絮状石墨的形态存在，其力学性能稍好于灰铸铁。
3）球墨铸铁中的碳主要以球状石墨的形态存在，其力学性能比灰铸铁高得多，也比可锻铸铁好。
4）蠕墨铸铁中的碳主要以蠕虫状石墨的形态存在，其力学性能稍低于球墨铸铁。
5）白口铸铁中的碳主要以渗碳体的形态存在，白口铸铁硬而脆，很少直接使用。
6）麻口铸铁中的碳以渗碳体和石墨两种形态存在，其性能不好，极少使用。
（2）按化学成分分类 铸铁按化学成分可分为普通铸铁和合金铸铁等。
（3）按生产方法和组织性能分类 铸铁按生产方法和组织性能可分为灰铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特殊性能铸铁等。
（4）按共晶度分类 铸铁按共晶度可分为亚共晶铸铁、共晶铸铁和过共晶铸铁。
（5）按特殊性能分类 铸铁按特殊性能可分为耐磨铸铁、抗磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁无磁铸铁等。
有色金属材料是指有色金属及其合金。
（1）有色金属 有色金属通常可分为轻金属、重金属、贵金属和稀有金属等。
1）轻金属指密度在4.5g/cm 3 以下的有色金属，如铝、镁、钛、钾、钠、钙、锶、钡等。
2）重金属指密度大于4.5g/cm 3 的有色金属，如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。
3）贵金属指储量少，提取困难，价格昂贵，化学活性低，密度大的有色金属，如金、银、铂等。
4）稀有金属是指储量稀少，难以提取的金属。稀有金属包括稀有轻金属（锂、铷、铯等）、稀有难熔金属（钛、锆、钼、钨等）、稀有分散金属（镓、铟、锗、铊等）、稀土金属（钪、钇、镧系金属）、放射性金属（镭、钫、钋及锕系元素中的铀、钍等）。
（2）有色合金 与纯有色金属相比，有色合金的强度和硬度比较高，电阻较大，电阻温度系数较小，综合力学性能良好。有色合金可分为轻有色金属合金，重有色金属合金、贵金属合金、稀有金属合金等。常用的有色合金有铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钛合金、锌合金等。