金属材料是应用最广泛的材料，目前仍占据材料工业的主导地位。从常用材料标准数据中，我们可以发现包括九大类约1200 余种常用材料，它们包括黑色金属的型钢、钢板及钢带、钢管、钢丝、钢丝绳，有色金属的棒材、线材、板材、带材及箔材、管材等9 大类。
第一讲 黑色金属
在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属的基本概念。黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳量2.11%的归类于钢。
当铁中含 C 在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。
第一节 铁及其分类
生铁是指把铁矿石4放到高炉中冶炼5而成的产品，也叫“铣铁”。生铁是高炉产品，可分为6普通生铁和合金生铁，前者包括炼钢生铁和铸造生铁，后者主要是锰铁和硅铁。合金生铁作为炼钢的辅助材料，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。生铁是含碳量 2.11%~6.67%并含有非铁杂质较多的铁碳合金。生铁的杂质元素主要是硅、硫、锰、磷等。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形。但含硅高的生铁（灰口铁）的铸造及切削性能良好。
4 铁的主要矿石有：赤铁矿Fe2O3，含铁量在50%~60%之间；磁铁矿Fe3O4，含铁量60%以上有磁性，还有褐铁矿2Fe2O3-·3H2O、菱铁矿FeCO3和黄铁矿FeS2，它们的含铁量低一些，但比较容易冶炼。中国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶、东北鞍山等。
5 单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿Fe2O3和磁铁矿Fe3O4为原料，与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应，焦炭燃烧产生CO2气，CO2气与过量的焦炭接触就生成CO 气，CO 气和氧化铁作用就生成金属铁。
C+O2=CO2 CO2+C=2CO
Fe3O4+CO=3Fe+CO2 Fe2O3+CO=2Fe+CO2 FeO+CO=FeO+CO2
6 另一种理解是：生铁、铁合金属于炉料，即治炼用原料。铸铁是用生铁（主要是铸造生铁）治炼后的产品。
1.生铁
生铁是含碳量大于 2％（2.11%）的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.5%~4.0%，并含Si、Mn、S、P 等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。生铁生铁按含硅（Si）量划分铁号，按含锰（Mn）量分组，按含磷（P）量分级，按含（S）
量分类。
1）炼钢生铁
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。主要用作炼钢原料和可锻铸铁原料，炼钢生铁见下表所示。
炼钢用生铁（根据GB717-82）
铁号 代号 L04 L08 L10
2）铸造用生铁
铸造生铁硅含量为 1.25~3.6%。碳多以石墨状态存在。断口呈灰色。软、易切削加工。主要用来生产各种铸铁件原料如床身、箱体等。铸造生铁见下表所示：铸造用生铁（根据YB/T14–91）牌号 铸 34 铸 30 铸 26 铸 22 铸 18 铸 14
铁号 代号 Z34 Z30 Z26 Z22 Z18 Z14
3）球墨铸造用生铁
球墨铸造用生铁也是一种铸造生铁，只是低硫低磷。低硫使碳充分在铁中石墨化。低磷提高生铁的机械性能；主要用于生产性能（机械性能）较好的球墨铸铁件。球墨生铁见下表所示：
球墨铸铁用生铁（根据GB1412-85）牌号 Q10 Q12 Q16此外现在应用的还有含钒生铁、铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁，见下面两个表：
含钒生铁（根据GB5025-85）牌号 钒 02 钒 03 钒 04 钒 05铁号代号 F02 F03 F04 F05铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁（根据GB9949-88）铁号 NMZ34 NMZ30 NMZ26 NMZ22 NMZ18 NMZ14常
2.铸铁7
铸铁是含碳大于 2.11%的铁碳合金，它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好，价格低等特点。
7 根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。见下表：
石墨化进行程度铸铁名称第一阶段 第二阶段 第三阶段特性及应用完全石墨化灰口铸铁 完全石墨化 完全石墨化 部分石墨化未石墨化灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这中铸铁具有一定的机械性能、良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造中业获得最广泛的应用。灰铸铁分级：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。而灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸铁、蠕虫状石黑铸铁、球黑铸铁以及可锻铸铁。
球墨铸铁和蠕墨铸铁一般是用稀土镁合金对铁液进行处理，以改善石墨形态，从而得到比灰铸铁有更高机械性能的铸铁。球墨铸铁依照其基体和性能特点而分为六种：即铁素体（高韧性）球墨铸铁，珠光体（高强度）球墨铸铁，贝氏体（耐磨）球墨铸铁，奥氏体一贝氏体（耐磨）球墨铸铁，马氏体一奥氏体（抗磨）球墨铸铁及奥氏体（耐热、耐蚀）球墨铸铁。蠕墨铸铁具有不同比例的珠光体—铁素体基体组织。铸铁性能与其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基体有关。在石墨蠕化良好条件下，珠光体蠕墨铸铁的强度和硬度较高，耐磨性强。适于制造耐磨零件，如汽车的刹车鼓等。而铁素体蠕墨铸铁的导热性较好，在高温作用下，不存在珠光体分解问题，组织较稳定，适用于制造在高温下工作、需要有良好的抗热疲劳能力、导热性的零件，如内燃机汽缸盖、进排气岐管等。麻口铸铁 部分石墨化 未石墨化 未石墨化白口铸铁 未石墨化 未石墨化 未石墨化可锻铸铁是将白口铸铁通过固态石墨化热处理（包括有或无脱碳过程）得到
的具有团絮状石墨的铁碳合金。采用不同的热处理方法，可以得到具有不同组织和性能的可锻铸铁，即黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。当将白口铸铁毛坯件在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气条件下退火时，得到的铸铁组织中有呈团絮状的石墨（退火碳）存在。这种石墨虽不很圆整和紧密，但它对基体的割裂作用则比灰铸铁中的片状石墨要小得多，因此它能使铸铁得到较高的强度及良好的韧性。铸铁的基体可以通过热处理来加以控制。使之成为铁素体或珠光体。用这种方法得到的铁素体基体可锻铸铁因组织中有石墨存在，因而铸铁的断面呈暗灰色，而在表层经常有薄的脱碳层呈浅灰色，故通称为黑心可锻铸铁。而珠光体可锻铸铁则是以其基体命名的。当将白口铸铁毛坯件在氧化性质的炉气条件下进行退火时，铸件断面上从外层到心部，发生强烈的氧化和脱碳。在完全脱碳层中无石墨存在，铸铁的组织为铸素体。实际上，在小断面尺寸条件下，铸铁的组织基本上为单一的铁素体和退火碳。而在大断面尺寸条件下，表层为铁素体，中间区域为珠光体和铁素体及退火碳，而心部区域则为珠光体及退火碳（间或有少量铁素体）。这种铸铁断面由于其心部区域有发亮的光泽，而表层色泽较暗，故通称为白心可锻铸铁。特种铸铁是指具有特殊使用性能的铸铁材料，主要包括抗磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁。为使铸铁具有这些特殊使用性能，需要使铸铁有一定的组织。特种铸铁中既有非合金铸铁（如普通白口抗磨铸铁），也有低合金铸铁、中合金铸铁和高合金铸铁（如中锰抗磨用球墨铸铁及高铬抗磨用白口铸铁等）。由于特种铸铁中含有大量合金元素，使得其在熔炼和铸造性能方面，与非合金化的铸铁有显著的差别。大多数合金元素降低铸铁的铸造性能，而含有大量合金元素的特种铸铁的铸造性能通常是很差的，在铸造过程中容易产生多种铸造缺陷，因此需要针对各种铸铁在熔炼和铸造方面的特性，采取适当的工艺措施，防止缺陷的发生，以保证铸件的质量。对任何一种特种铸铁而言，首先是要求具备一定的使用性能，如抗磨、耐热等。但由于是用来制造机器零件，就需要保证有一定的机械性能，主要是强度和塑性，为此需要在铸铁的化学成分设计上，考虑同时满足特定的使用性能和一定的机械性能这两方面的要求。
