二、铁基金属材料
工业上常用的金属材料分为铁基（黑色金属）和非铁基（有色金属）金属材料两大类。铁基金属指钢和铸铁，非铁基金属则包括钢铁以外的金属及其合金。在汽车行业中应用最广的是铁基金属材料，即钢和铸铁。
1.碳素结构钢
碳素结构钢的平均wC在0.06%～0.38%范围内，钢中含有害元素和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用较广。它通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等）供应。表1-2、表1-3为碳素结构钢牌号、成分与力学性能。
碳素结构钢牌号表示方法是由代表屈服强度的字母（Q）、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、Z、TZ）等四个部分按顺序组成，如Q235-A·F。质量等级符号反映了碳素结构钢中有害元素（磷、硫）含量的多少，从A级到D级，钢中磷、硫含量依次减少。C、D级的碳素结构钢由于磷、硫含量低，质量好，可作重要焊接结构件。脱氧方法符号“F”、“Z”、“TZ”分别表示沸腾钢、镇静钢及特殊镇静钢。镇静钢和特殊镇静钢的牌号中脱氧方法符号可省略。
表1-2 碳素结构钢牌号及化学成分（摘自GB/T 700—2006）
表1-3 碳素结构钢力学性能（摘自GB/T 700—2006）
碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应。其中牌号Q195的碳素结构钢是不分质量等级的，Q215、Q235、Q275牌号的碳素结构钢，当质最等级为“A”级时，在保证力学性能要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。
Q195钢含碳量很低，强度不高，但具有良好的焊接性能和塑性、韧性，常用作铁钉、铁丝及各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢板）和马口铁（镀锡薄钢板）。也可用来代替优质碳素结构钢08或10钢，制造冲压、焊接结构件。
Q275钢含碳量较高，强度较高，可代替30钢、40钢用于制造稍重要的某些零件（如齿轮、链轮、摩擦离合器、制动钢带等），以降低原材料成本。
其余两个牌号中的A级钢，一般用于不经锻压、热处理的工程结构件或普通零件（如制作机器中受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可制造不重要的渗碳件。B级钢常用以制造稍为重要的机器零件和作船用钢板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。
2.低合金高强度结构钢
为了满足工程上各种结构承载大、自重轻的要求，我国自力更生地发展了具有本国特色的低合金高强度结构钢。它是在碳素结构钢的基础上加入少量（wMe＜3%）合金元素而制成的。产品同时保证力学性能和化学成分。
低合金高强度结构钢的牌号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）三个部分按顺序排列，例如Q390A。
列入国家标准的低合金高强度结构钢有5个级别。其牌号、成分及性能见表1-4、表1-5。
表1-4 低合金高强度结构钢牌号及化学成分（摘自GB/T 1591—1994）
表1-5 低合金高强度结构钢力学性能（摘自GB/T 1591—1994）
目前我国低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，故推广使用低合金高强度结构钢在经济上具有重大意义。特别在桥梁、船舶、高压容器、车辆、石油化工设备、农业机械中应用更为广泛。
3.优质碳素结构钢及合金结构钢
优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。如45钢，表示平均wC=0.45%；08钢表示钢中平均wC=0.08%。
优质碳素结构钢按含锰量不同，分为普通含锰量（wMn=0.25%～0.8%）及较高含锰量（wMn=0.7%～1.2%）两组。含锰量较高的一组，在其牌号数字后加“Mn”字。若是沸腾钢，则在牌号末尾加“F”字。优质碳素结构钢的牌号、成分、性能见表1-6。
合金结构钢通常是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。合金元素加入量不大（大多数wMe＜5%），所以合金结构钢属低、中合金钢。
合金结构钢的牌号表示方法由三部分组成，即“数字+元素符号+数字”。前面两位数表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化学符号表示；合金元素符号后面的数字表示合金元素质量分数的百倍，当其平均质量分数＜1.5时，牌号中一般只标出元素符号，而不标明数字，当其平均质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%…时，则在元素符号后相应标出2、3、4…。
在我国合金结构钢中，主加元素一般为锰、硅、铬、硼等，它们对提高淬透性和力学性能起主导作用。辅加元素主要有钨、钼、钒、钛、铌等。
合金结构钢都是优质钢、高级优质钢（牌号后加“A”字）或特级优质钢（牌号后加“E”字）。按其用途及工艺特点可分为渗碳用钢、调质用钢。
（1）渗碳钢常用的渗碳钢的牌号、成分、热处理、性能及用途见表1-7。
渗碳钢按化学成分分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类（渗碳钢最终热处理通常都是渗碳后进行淬火及低温回火，表面硬度58～64HRC，心部组织根据钢的淬透性及尺寸而定）。
1）碳素渗碳钢。一般用优质碳素结构钢中15、20钢。这类钢价格便宜，但淬透性低，故渗碳淬火后心部强度低，表层强度及耐磨性也不够高，淬火时变形开裂倾向大。一般用于制造承受载荷较低、形状简单、不太重要的、但要求耐磨的小型零件。
2）合金渗碳钢。常按淬透性大小分为三类。
①低淬透性渗碳钢。这类钢水淬临界淬透直径为20～35mm。用于制作受力不太大，不需要很高强度的耐磨零件。属于这类钢的有20Mn2、20Cr、20MnV等。这类钢渗碳时心部晶粒易长大（特别是锰钢）。
②中淬透性渗碳钢。这类钢油淬临界淬透直径约为25～60mm左右。用于制作承受中等载荷的耐磨零件。属于这类钢的有20CrMnTi、12CrNi3、20MnVB等。
③高淬透性渗碳钢。这类钢油淬临界淬透直径约为100mm以上，甚至空冷也能淬成马氏体，属于马氏体钢。用于制造承受重载与强烈磨损的重要大型零件。属于这类钢的有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4及18Cr2Ni4WA等。
（2）调质钢常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见表1-8。
调质钢也分为碳素调质钢与合金调质钢两大类。
1）碳素调质钢。一般是中碳优质碳素结构钢，如35～45钢或40Mn、50Mn等，其中以45钢应用最广。碳钢的淬透性较差，调质后性能随零件尺寸增大而降低，所以只有小尺寸的零件调质后才能获得均匀的较高的综合力学性能（一般σb=570～650MPa，σs=320～400MPa，AK=32～56J）。这类钢一般用水淬，故变形与开裂倾向较大，只适宜制造载荷较低、形状简单、尺寸较小的调质工件。
2）合金调质钢。由于合金元素能强化铁素体，特别是能提高淬透性，所以综合力学性能高于碳素调质钢。
4.弹簧钢
弹簧钢是指用来制造各种弹簧的钢。
常用的弹簧钢的牌号、成分、热处理、性能及用途见表1-9。
5.滚动轴承钢
滚动轴承钢是指制造各种滚动轴承内外套圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针）的专用钢种。
常用的滚动轴承钢的牌号、成分等见表1-10。
表1-6 优质碳素结构钢牌号、成分及性能（GB/T699—1999）
注：1.对于直径或厚度小于25mm的钢材，热处理是在与成品截面尺寸相同的试样毛坯上进行。
2.表中所列正火推荐保温时间不小于30min，空冷；淬火推荐保温时间不小于30min，75、80和85钢油淬，其余钢水淬；回火推荐保温时间不少于1h。
表1-7 常用渗碳用钢的牌号、成分、热处理、力学性能（摘自GB/T 699—1999、GB/T 3077—1999）及用途
①力学性能试验用试样尺寸：碳钢直径25mm，合金钢直径15mm。
表1-8 常用调质用钢的牌号、成分、热处理、力学性能（摘自GB/T 699—1999、GB/T 3077—1999）及用途
①力学性能试验采用试样毛坯直径尺寸：除38CrMoAl以外（30mm），其余牌号均为25mm。
表1-9 常用弹簧钢的牌号、成分、热处理、力学性能（摘自GB/T 1222-2007）及用途
表1-10 常用滚动轴承钢牌号、成分热处理、力学性能（摘自GB/T 18254—2002）及用途
滚动轴承钢的牌号前冠以“G”字，其后以铬（Cr）加数字来表示。数字表示平均铬质量分数的千倍（wCr×1000），碳质量分数不予标出。若再含其他元素时，表示方法同合金结构钢。例如，GCr15钢，表示平均含铬量wCr=1.5%的滚动轴承钢；GCr15SiMn钢，表示除平均含铬量wCr=1.5%外，还含有硅、锰合金元素的滚动轴承钢。
6.工具钢
工具钢是指制造各种刃具、模具、量具的钢，相应地称为刃具钢、模具钢与量具钢。
工具钢除个别情况以外，大多数是在受很大局部压力和磨损条件下工作的，应具有高硬度、高耐磨性以及足够的强度和韧性，故工具钢（除热作模具钢外）大多属于过共析钢（wC=0.9%～1.3%）。可以获得高碳马氏体，并形成足够数量弥散分布的粒状碳化物，以保证高的耐磨性。所加的合金元素除提高淬透性外，主要是使钢具有高硬度和高耐磨性，故常采用能形成碳化物的元素，如铬、钨、钼、钒等。为了改善工具钢塑性变形能力，并减轻热处理时淬裂倾向，对钢材杂质含量控制更严。碳素工具钢中，wS≤0.03%，wP≤0.035%。合金工具钢中wS与wP均≤0.03%。
7.不锈钢
不锈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。通常也将这两类钢统称为不锈钢。一般不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢则一般都具有良好的耐蚀性能。
不锈钢按化学成分可分为铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢等。按金相组织特点则可分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢及沉淀硬化型不锈钢五种类型。
不锈钢新牌号前的数字表示平均碳质量分数的万倍，合金元素的表示方法与其他合金钢相同。如不锈钢30Cr13的平均wC=0.3%、wCr≈13%；06Cr19Ni10钢的平均wC≈0.06%、wCr≈19%、wNi≈10%；另外，当wSi≤1.5%、wMn≤2%时，牌号中不予标出。
常用的不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途见表1-11。
表1-11 常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 1220—2007）
（续）
8.耐热钢
在航空、火电站、发动机、化工等部门中，许多零件在高温下使用，要求具有耐热性。所谓耐热性，是指材料在高温下兼有抗氧化与高温强度的综合性能。具有良好耐热性的钢称为耐热钢。
耐热钢按正火状态下组织的不同，可分为铁素体型钢、珠光体型钢、马氏体型钢、奥氏体型钢等。常用的耐热钢牌号、成分、热处理及用途见表1-12，其牌号表示方法与不锈钢相同。
表1-12 常用耐热钢的牌号、成分、热处理及用途（摘自GB/T 1221—2007）
（续）
①15CrMo、35CrMoV为GB/T 3077—1999中牌号。
9.耐磨钢
耐磨钢是指在巨大压力和强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。
由于高锰钢极易加工硬化，使切削加工困难，故大多数高锰钢零件是采用铸造成形的。铸造高锰钢的牌号、化学成分及适用范围见表1-13。
表1-13 铸造高锰钢牌号、成分及适用范围（摘自GB/T 5680—1998）
①“-”后阿拉伯数字表示品种代号。
10.铸铁
铸铁是wC＞2.11%（一般为wC=2.5%～4%）的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较多的硫、磷等杂质元素的多元合金。为了提高铸铁的力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。
碳在铸铁中既可形成化合状态的渗碳体（Fe3C），也可形成游离状态的石墨（C）。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为三类：
（1）白口铸铁 碳除少量溶于铁素体外，其余的碳都以渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。Fe-Fe3C相图中的亚共晶、共晶、过共晶合金即属这类铸铁。这类铸铁组织中都存在着共晶莱氏体，性能硬而脆；很难切削加工，所以很少直接用来制造各种零件。
（2）灰口铸铁[1] 碳全部或大部分以游离状态的石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。
（3）麻口铸铁碳 一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。断口上呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。这类铸铁也具有较大的硬脆性，故工业上很少应用。
由于灰口铸铁中的碳主要以石墨形式存在，使它具有良好的可加工性、减摩性、减振性及铸造性能等，而且熔炼的工艺与设备简单，成本低廉，故目前工业生产中主要应用这类铸铁。根据灰口铸铁中石墨形态不同，它又可分为以下四种：
（1）灰铸铁铸铁中石墨呈片状存在。这类铸铁的力学性能不高，但它的生产工艺简单，价格低廉，故工业上应用最广。
（2）球墨铸铁铸铁中石墨呈球状存在。它不仅力学性能比灰铸铁高，而且还可以通过热处理进一步提高其力学性能，所以它在生产中的应用日益广泛。
（3）蠕墨铸铁它是20世纪70年代发展起来的一种新型铸铁，石墨形态介于片状与球状之间，故性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间。
（4）可锻铸铁铸铁中石墨呈团絮状存在。其力学性能（特别是韧性和塑性）较灰铸铁高，并接近于球墨铸铁。
表1-14为灰铸铁的牌号、力学性能和用途举例。牌号中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，后面三位数字表示直径30mm单铸试棒的最小抗拉强度值（MPa）。
表1-14 灰铸铁的牌号、力学性能及用途（摘自GB/T 9439—1988）
表1-15为我国球墨铸铁的牌号、基体组织和性能。牌号中的“QT”是“球铁”二字汉语拼音的第一个字母，后面两组数字分别表示其最小的抗拉强度值（MPa）和伸长率值（%）。
QT400—18适用做汽车、拖拉机的牵引框、轮毂、离合器及减速器的壳体；QT700—2适用于做柴油机和汽油机的曲轴、连杆及凸轮抽等零件。
合金铸铁
在灰铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素，可使铸铁具有某些特殊性能，如耐热、耐蚀、耐磨及高强度等，这种铸铁称为合金铸铁。汽车中常用的合金铸铁有以下几种。
表1-15 球墨铸铁的牌号、基体组织及力学性能①（摘自GB/T 1348—1988）
①表中牌号及力学性能均按单铸试块的规定。
1）耐热铸铁。在铸铁中加入硅、铝及铬等合金元素，可在铸件表面形成一层致密的、牢固的、均匀的保护膜，如Al2O3、SiO2及Cr2O3，使铸件在700～1000℃高温下具有抗氧化性，称为耐热铸铁。汽车的发动机排气门座即可以采用耐热合金铸铁制作。
2）耐磨铸铁。在铸铁中加入少量的P、Cu、Ti、Mn及Mo等合金元素，可大大提高铸铁的耐磨性，获得耐磨铸铁。目前在汽车、拖拉机行业中气缸套筒、排气门座圈及活塞环等件常使用耐磨铸铁。