钢铁材料：认识铁碳合金的组成和分类

钢铁材料是以铁元素为基体的铁碳合金。一般情况下，碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为钢。钢铁材料主要包括碳素钢、合金钢、铸铁和铸钢。

钢的分类方法很多，既可按钢的冶炼方法、钢材品质、化学成分进行分类，也可依照金相组织和用途的不同进行分类，综合考虑上述因素，一般可按图1-5所示进行钢的分类。

在钣金制品中应用最多的是低碳结构钢、低合金结构钢和特殊性能结构钢三大类，各类钢的成分、性能、规格和应用范围等介绍如下。

1.低碳结构钢

低碳结构钢可简称为低碳钢，按其中含硫、磷有害杂质的质量分数不同，可分为普通低碳钢、优质低碳钢、高级优质低碳钢；按其轧制状态可分为热轧板和冷轧板；按其轧制后的处理状态又可分为普通低碳钢和镀膜低碳钢。低碳钢通常按成分及质量编号。

图1-5 钢的分类

普通低碳钢S的质量分数≤0.055%、P的质量分数≤0.045%，其牌号可反映出力学性能；优质低碳钢S、P的质量分数均≤0.040%；而高级优质低碳钢S的质量分数≤0.030%、P的质量分数≤0.035%，其牌号可反映出碳的质量分数，并用两位数字表示碳的平均质量分数。低碳结构钢的分类及编号方法见表1-2。

表1-2 低碳结构钢的分类与编号方法

（1）普通低碳结构钢 普通低碳结构钢通常经过热轧后，在退火或正火状态下使用，一般不进行热处理，大多数是在热轧状态下或热轧后正火状态下使用，如有特殊需要时，也可以进行一些相应的退火、正火或淬火等热处理。常用普通低碳结构钢的主要成分、性能特性与应用见表1-3。

表1-3 常用普通低碳结构钢的主要成分、性能特性与应用

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（2）优质低碳结构钢 优质低碳结构钢供货时，既保证化学成分，又保证力学性能，而且比普通碳素结构钢规定更严格，其S、P的质量分数均应控制在0.35%以下，非金属夹杂物也较少，质量级别较高，一般在热处理后使用（容器专用钢除外，如20R）。

优质碳素结构钢用两位阿拉伯数字以平均万分数表示碳的质量分数，沸腾钢后加F，镇静钢不加注字母。如“45”表示优质碳素结构钢，碳的质量分数为0.45%，镇静钢。常用优质低碳结构钢的性能指标、主要特性与应用见表1-4。

表1-4 常用优质低碳结构钢的性能指标、主要特性与应用

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（3）镀膜低碳结构钢 镀膜低碳钢薄板俗称白铁皮，是在冷轧或热轧薄钢板上镀覆一层锌、锡、铅、铝等非铁金属材料而成，因此按镀膜不同可分为薄锌板、薄锡板、薄铅板和薄铝板等。

薄锌板通常也称为白锌板，表面呈亮白色，分为光面和波纹面两种，均具有耐蚀性强及表面美观等特征。这种板适合作防腐蚀容器、顶棚及房屋水管道等。

薄锡板表面光亮、美观，适用于做食品容器及罐头盒等。

薄铅板也称为白铅板，也具有耐蚀性强等特点，适用于做耐酸容器，但因铅有毒性，不能用作食品容器。

2.低合金结构钢

低合金结构钢通常简称为低合金钢，是在普通低碳钢的基础上加入了不超过质量分数为2%或3%的合金元素，以提高其强度，主要用于各类工程结构件，用途最广且用量最大，通常经过热轧后在退火或正火状态下使用，不再进行热处理。(www.xing528.com)

低合金钢按用途可分为普通低合金钢、容器用（含高温）低合金钢、低温用低合金钢等。其编号方法除普通低合金钢外，一般采用“数字+元素符号+数字”表示，前边的数字表示钢中碳的平均质量分数的万分数，元素符号表示合金元素，符号后数字表示该元素在钢中平均质量分数。

合金元素的含量标在该元素符号之后，是以百分数表示该元素的质量分数，但要将小数化为整数。如果合金元素的平均质量分数小于1.5%，则不标出其含量；若平均质量分数等于或大于1.5%、2.5%、3.5%…，则相应地以2、3、4…表示。如“12Cr2Ni4”表示合金钢主要成分的质量分数C为0.12%、Cr为1.5%、Ni为3.5%。

若是容器用钢，牌号后加上“R”表示，若是低温下用钢则用“DR”表示，如16MnDR表示钢中碳的质量分数为0.16%、Mn的质量分数小于1.5%，并含少量V、Ti、Nb等合金元素的低温容器用钢。

（1）普通低合金钢 普通低合金钢中碳的质量分数为0.10%～0.25%，合金Mn、Si、V、Ti、Nb、Cu、P和RE等元素的质量分数一般小于3%。其中Mn、Si元素对铁素体起固溶强化作用并增加强度，V、Ti、Nb元素可细化晶粒并提高韧性，Cu、P元素可提高耐蚀性，稀土元素RE则有利于脱氧、脱硫和净化钢中有害杂质，可以改善钢的性能。

普通低合金钢的编号方法同普通低碳钢，仍由代表屈服强度的汉语拼音字母（Q）、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序组成，如Q345C。

普通低合金钢的屈服强度比低碳钢高25%～50%以上，特别是屈强比（σ_s/σ_b）明显提高，同时还具有良好的塑性、韧性、焊接性以及较好的耐磨性与耐蚀性。表1-5给出了部分低合金结构钢的力学性能及应用。

表1-5 部分低合金结构钢的力学性能及应用

①括号内牌号均为旧标准表示方法。

（2）容器用低合金钢 容器用低合金钢属于低合金高强度钢，是在20钢的基础上加入Mn-Si强化成C-Mn钢以及在16Mn钢的基础上加入V、N、Nb、Mo等，使钢的强度很高。

钢制压力容器推荐使用的钢板主要有：16MnR、15MnVR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR等，钢管为16Mn、15MnV等。

16MnR具有良好的综合力学性能、焊接性、工艺性能及低温冲击韧度，但焊接时比低碳钢易产生裂纹，主要用于制造-20～400℃的中低压压力容器壳体及承压构件、液化石油气瓶及中小型球罐。

15MnVR、15MnVNR和18MnMoNbR具有较高强度，但塑性、韧性都较C-Mn钢低，具有较高缺口敏感性和时效敏感性，焊接性差，工艺要求严格。主要用于制造承受温度≤470℃和较高压力的大型贮罐、高压容器承压壳体、氨合成塔和尿素合成塔等。

07MnCrMoVR具有高强度、高韧性和优良的焊接性，板厚t≤50mm，可以不预热或稍加预热进行焊接，不产生焊接冷裂纹。主要用于制造高参数球形容器，如1000～2000mm³氧气、氮气、氢气、液化石油气、乙烯等常温及低温球罐。

（3）低温用低合金钢 一般用于0℃以下温度的材料称为低温材料。低温金属材料普遍使用低合金钢、镍钢、铬镍奥氏体钢、钛合金及铝合金等。常用的低温低合金锰钢是以锰作为主加元素，用以改善钢的低温韧性。碳锰镍钢是以锰、镍为主加元素，更进一步提高其低温韧性。

碳锰镍钢低温韧性优于低碳钢，9Ni钢为高镍奥氏体钢，其强度高，耐低温性能好，在低温下有良好塑性、韧性及工艺性。表1-6给出了常用低温钢力学性能及应用。

表1-6 常用低温钢力学性能及应用

3.特殊性能结构钢

具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊性能钢，钣金件用特殊性能钢常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。

（1）不锈钢和耐热钢 GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》将不锈钢和耐热钢的牌号按冶金学分类列表，分为了奥氏体型、奥氏体-铁素体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型。

常用的12Cr13、20Cr13和30Cr13等马氏体型不锈钢，主要制作医疗器械。

常用的06Cr19Ni9、12Cr18Ni9等奥氏体型不锈钢，主要制作强腐蚀介质中工作的设备，如吸收塔、贮槽、管道及容器等。

常用的40Cr10Si2Mo、45Cr14Ni14W2Mo等耐热钢，在高温下具有高的抗氧化性能和较高的强度，其中45Cr14Ni14W2Mo奥氏体型耐热钢可以制造600℃以下工作的零件，如汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。

（2）耐磨钢 耐磨钢主要用于制造承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗和铁轨分道岔等。耐磨钢具有良好的韧性和耐磨性。高锰钢是目前最重要的耐磨钢，碳的质量分数为0.9%～1.4%，锰的质量分数为11%～14%。这种钢机械加工比较困难，基本上都是铸造成形。常用的高锰钢有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3和ZGMn13-4等牌号。