金属材料的分类及钢材的分类方法

（一）概述

金属材料按组成成分可分为黑色金属和有色金属及其合金两大类。

1.黑色金属

铁和铁的合金均称为黑色金属。

（1）纯铁 化学纯铁碳含量几乎为零，工业纯铁碳含量＜0.05％（质量分数）。纯铁是很软的，一般不应用到实际中。

（2）铁碳合金 以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

（3）生铁 把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，碳含量为2％～4.3％（质量分数，也有资料称3.5％～5.5％、2.11％～6.67％）的铁碳合金称为生铁。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，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰铁和球墨铸铁。也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。

（4）钢 碳含量在（质量分数）2％以下，并含有其他元素的铁碳合金称为钢。为了保证其韧性和塑性，碳含量一般不超过1.7％（质量分数）。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰硫、磷等。

2.有色金属

除黑色金属以外的金属称为有色金属。

（二）钢材的分类

钢可按化学成分分类，也可按主要质量等级和主要性能及使用特性分类。

1.按化学成分分类

按钢的化学成分，钢可分为碳素钢和合金钢两大类。

（1）碳素钢

1）分类：

①按碳含量不同，碳素钢可分为：低碳钢，碳含量不大于0.30％（质量分数）；中碳钢，碳含量0.30％～0.6％（质量分数）；高碳钢，碳含量大于0.6％（质量分数）。

②按冶炼时的脱氧程度不同可分为：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢。

③按钢材的冶炼质量可分为：普通碳素钢，P≤0.045％、S≤0.055％（质量分数）；优质碳素钢，P≤0.04％、S≤0.045％（质量分数）；高级优质钢，P≤0.035％、S≤0.035％（质量分数）。

④按钢的用途分为：碳素结构钢，主要用于制作各种结构件和机器零件，一般为低碳钢；碳素工具钢，主要用于制作各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。

2）碳素钢的牌号表示方法：

①普通碳素结构钢。现行标准规定普通碳素结构钢的表示方法为Q×××-××。其中第一部分Q是“屈服强度”的汉语拼音第一个字母大写；第二部分×××为钢材的屈服强度值（单位：MPa）；第三部分×是质量等级，分为A、B、C、D四级，其中A级质量为最低；第四部分×是脱氧方法，有F、b、Z三种，其中F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢。镇静钢Z符号可省略，如Q235AF、Q235B。

②优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字是钢平均碳含量质量的万分比。例如：10钢表示平均碳含量为0.10％，20钢表示平均碳含量为0.20％。优质碳素结构钢按锰含量的不同分为普通锰含量（0.35％～0.8％）和较高锰含量（0.7％～1.2％）两组。对锰含量较高的一组，牌号数字后面应附加“Mn”，如16Mn等，以示与普通锰含量的区别。如为沸腾钢，则在牌号数字后面加“F”，如08F。

③专门用途的碳素钢。专门用途的碳素钢应在牌号尾部加代表用途的符号。例如制作锅炉或压力容器的专用碳素钢应在牌号数字后面加“R”，如Q245R。

④碳素铸钢。铸钢牌号用“铸钢”的汉语拼音字首ZG表示，后面两位数字分别表示该铸钢的屈服强度值和抗拉强度值，如ZG200-400、ZG270-500等。

⑤碳素工具钢。碳素工具钢的编号是在“碳”字的汉语拼音字首“T”之后附加数字表示数字表示平均碳含量质量的千分比。如T8、T12，分别表示碳含量为0.8％和1.2％的碳素工具钢，如为高级优质碳素工具钢，则在数字后面加A，如T8A、T12A。

（2）合金钢 合金钢是指除碳钢所含元素外，还含有其他一些合金元素，如Cr、Ni、Mo W、V、B等的钢。

1）分类：

①按合金元素含量，可分为：低合金钢，合金元素含量小于5％（质量分数）；中合金钢，合金元素含量等于5％～10％（质量分数）；高合金钢，合金元素含量大于10％（质量分数）。

②按钢的用途，可分为：合金结构钢，专用于制造各种工具结构和机器零件的钢种；合金工具钢，专用于制造各种工具的钢种。

③按钢的金相组织，可分为：珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢等。

④按钢中所含的主要合金元素，可分为：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。

2）合金钢的牌号表示方法：我国合金钢牌号按碳含量、合金元素种类和含量、质量级别和用途来编排。牌号首部用数字表明碳含量，为区别用途，即低合金钢、合金结构钢用两位数表示平均碳含量的万分比；高合金钢、不锈耐酸钢、耐热钢用一位数表示平均碳含量的千分比，在碳的质量分数大于或等于0.04％时，取两位小数，在碳的质量分数不大于0.030％时，取三位小数。牌号的第二部分用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后数字标明，当平均质量分数小于1.5％时不标数字；平均质量分数为1.5％～2.49％时，标数字2；平均质量分数为2.5％～3.49％时，标数字3；……。高级优质合金钢在牌号后部加A，专门用途的低合金钢、合金结构钢，在牌号后部加代表用途的符号。例如：16MnDR，表明该合金钢碳的平均质量分数为0.16％，锰的平均质量分数小于0.15％，是低温压力容器专用钢。

长输管道中常用的管线钢现行标准规定：以钢的规定总伸长应力表示，即钢的表示方法为L×××。其中第一部分L是“总伸长应力”的代号；第二部分×××为钢材规定总伸长应力例如L360，表明该钢材的规定总伸长应力为360MPa。

2.特种设备常用钢种

特种设备常用的低合金钢，包括低合金高强度钢、低温钢、低合金耐热钢、耐腐蚀用钢。低合金钢中通常添加的合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钒、硼和稀土元素等。

在锅炉、压力容器中广泛使用的低合金钢有：Q345R。

用于锅炉汽包的有13MnNiMoNbR、20MnMo。

用于锅炉集箱、受热面管的有15CrMoG、12Cr1MoVG、T91（Cr9Mo1VNb）。

用于大型球罐的有16MnDR、07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR。

用于低温设备的有15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR。

用于耐热抗氢条件下的铬钼钢如15CrMoR、14Cr1MoR。

在长输管道中常用的管线钢（属低合金高强钢）有L360、L415、L450、L480…

（1）低合金高强度钢 这类钢既有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，低合金钢的合金含量较少，价格较低，冷、热成形及焊接工艺性能良好。常用的钢号有Q345R、15MnVg 15MnVR、18MnMoNbR、Q345、15CrMo、1Cr5Mo、L360等。

如Q345钢，其具有良好的力学性能，一般在热轧状态使用。一般情况下，钢板厚度在34mm以下时焊前可不预热；对于厚度大于34mm的钢板，焊后一般需进行消除应力热处理，通常是加热至600～650℃，保温后空冷。

（2）低温用钢 对于在低温条件下工作的特种设备，其最重要的是低温韧性，影响低温韧性的因素有晶体结构、晶粒尺寸、冶炼的脱氧方法、热处理状态及合金元素等，尤以合金元素的影响最为显著。

在低温用钢中，碳含量多限制在0.2％（质量分数）以下。

锰和镍是低温用钢中常用的合金元素，随着锰含量的增加，钢的冷脆转变温度下降，镍含量每增加1％（质量分数），冷脆转变温度约可降低10℃。

常用的低温用钢有：16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR等。

（3）低合金耐热钢 当工作温度在400～600℃时，所使用的钢材多为低合金耐热钢，如钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢等。按材料显微组织可分为珠光体耐热钢和贝氏体耐热钢，属于珠光体耐热钢的有12CrMoR、15CrMoR、14Cr1MoR等，属于贝氏体耐热钢的有12Cr2Mo1R。

（4）耐腐蚀用钢 耐腐蚀用钢的主要合金化元素是Cu和P，如GB／T 4171—2008《耐候结构钢》中的Q235NH、Q295NH、Q355NH等，Cu的含量均为0.25％～0.55％（质量分数），因为要保证焊接性，其P的含量不大于0.03％（质量分数）。

（5）高合金钢 对于某些承压设备，由于其苛刻的操作条件，高温、低温、高压、工作介质的危害（易爆、有毒、腐蚀），大量使用的是具有优良耐高温、耐低温、耐腐蚀性能的铬镍系高合金钢。

铬在氧化性介质中能生成一层稳定而致密氧化膜，从而保护金属使其具有耐腐蚀性。为了减少钢中脆性碳化铬的形成，钢中含碳量较低、而含铬量尽量高。

不锈钢按其钢的组织不同可分为三类，即铬不锈钢（铁素体不锈钢、马氏体不锈钢）、奥氏体不锈钢和奥氏体＋铁素体双相不锈钢三类。

1）铬不锈钢。承压设备中大量使用的铬不锈钢中铬含量都在13％（质量分数）以上，如铁素体不锈钢（06Cr13、06Cr13Al、10Cr17）和马氏体不锈钢（12Cr13，20Cr13），这类钢耐潮湿大气、淡水、海水腐蚀，对温度较低的弱腐蚀性介质，如盐水溶液、低浓度有机酸等也有较好的耐蚀性。

2）铬镍奥氏体不锈钢。承压设备中大量应用的典型铬镍不锈钢牌号是06Cr19Ni10，由于镍元素的存在，在铬镍不锈钢中能形成奥氏体组织，经固溶处理后在常温下也能以单一的奥氏体组织存在。但是经过热加工，在1050～1100℃加热后淬火，含镍低至8％（质量分数）也可获得亚稳的单相状态的奥氏体组织，即Cr18Ni8钢，这是一种较经济的奥氏体不锈钢。

这种钢在耐腐蚀方面，不但与铬不锈钢类似具有氧化铬保护膜，而且由于镍的存在而形成的单一奥氏体组织，使得铬镍钢在很多介质中比铬不锈钢具有更好的耐蚀性，例如对浓度60％以下，温度低于100℃的硝酸、硫酸盐、硫化氢、醋酸等都有很好的耐蚀性，另外还有很好的耐氢、氮腐蚀性能。

铬镍奥氏体不锈钢同时又是承压设备中广泛使用的低温用钢和中高温用钢，使用温度范围从深冷的极低温度直至700℃。

3）双相不锈钢（奥氏体＋铁素体）。双相不锈钢具有奥氏体＋铁素体双相组织，且两个相组织的含量基本相当，故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。与铁素体不锈钢相比双相不锈钢的韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性均得到显著提高；同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点，如475℃脆性、热导率高、线胀系数小，具有超塑性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度高，特别是屈服点显著地提高，其屈服点可达400～500MPa，是普通奥氏体不锈钢的两倍。且耐蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。

双相不锈钢按其化学成分分类，可分为Cr18型、Cr23（不含Mo）型、Cr22型和Cr25型四类。对于Cr25型双相不锈钢又可分为普通型和超级双相不锈钢，其中近年来应用较多的是Cr22型和Cr25型。

4）沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度高韧性并具有良好耐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、垫圈、销子、弹簧、高强度压力容器、化工处理设备等。

（三）有色金属及其合金

在承压的化工、石化、空分等工业设备装置中，由于腐蚀、低温等特殊条件的要求，经常使用有色金属及其合金。有色金属的种类很多，如铝、铜、钛、镍、铅。

1.钛及钛合金

钛及钛合金具有良好的耐蚀性，在氧化性、中性及有氯离子介质中，其耐腐蚀性优于不锈钢。工业纯钛塑性好，但强度较低，具有良好的低温性能，其线胀系数和热导率都不大，这都不会给焊接带来困难。钛合金的比强度大，又具有良好的韧性和焊接性，在航天工业中应用最为广泛。钛及钛合金在我国现行标准中按其退火态的组织分为α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金三类，分别用TA、TB和TC表示。在石化行业的压力容器制作中，牌号为TA2的工业纯钛使用居多。

其主要标准有：GB／T 3621——2007《钛及钛合金板材》，GB／T 3624—2010《钛及钛合金无缝管》，GB／T 3625—2007《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》，GB／T 8547—2006《钛-钢复合板》。

2.镍及镍基合金

镍及镍基合金特殊的物理、力学及耐腐蚀性能，镍基耐蚀合金在200～1090℃范围内能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。在一些苛刻腐蚀条件下是一般不锈钢所无法取代的优良材料。纯镍一般在工业中应用较少，但在镍中添加铬、铜、铁、钼、铝、钛铌、钨等元素后，通过固溶强化，不但改善其力学性能，而且具有优良的耐腐蚀性，可适应于各种腐蚀介质的工作环境。

镍基耐蚀合金根据其合金元素的含量和所占比例进行分类和命名，如Ni-Cu合金定名为蒙乃尔（Monel）合金；Ni-Cr-Fe合金中镍含量占优势，便称因康镍（Inconel）合金；若铁含量较高则称因康洛依（Incoley）合金；对于钼含量较高的Ni-Cr-Mo合金则多数称哈斯特洛依（Hastel-loy）合金，也称为海氏合金或哈氏合金。

其主要标准有：GB／T 2054—2005《镍及镍合金板》，GB／T 2072—2007《镍及镍合金带材》JB 4741—2000《压力容器用镍铜合金热轧板材》，JB 4742—2000《压力容器用镍铜合金无缝管》，JB 4743—2000《压力容器用镍铜合金锻件》。

3.铜及铜合金

常用的铜及铜合金有四种：纯铜、黄铜、青铜和白铜。在承压设备中纯铜与黄铜使用较多。

纯铜是w（Cu）不低于99.5％的工业纯铜，具有良好的导电性、导热性，良好的强度、常温和低温塑性、压力加工性能和耐磨性，易于成形与焊接以及对海水等的耐腐蚀性等性能。纯铜中的杂质如氧、硫、铋等，都不同程度地降低了纯铜的优良性能，以及增加材料的冷脆性和接头中出现热裂纹的倾向。黄铜是铜和锌组成的二元合金，黄铜比纯铜强度、硬度和耐腐蚀能力都高且保持一定塑性，能很好地承受热加工。

其主要标准有：GB／T 2040—2008《铜及铜合金板材》，GB／T 13238—1991《铜钢复合钢板》，GB／T 8890—2007《热交换器用铜合金无缝管》，GB／T 1527—2006《铜及铜合金拉制管》。

4.铝及铝合金

铝在空气和氧化性水溶液介质中，表面产生致密的氧化铝钝化膜，因而在氧化性介质中具有良好的耐蚀性。铝在低温下与铁素体钢不同，不存在脆性转变。

铝按性能和用途可分为纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝和特殊铝几类。纯铝按纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三个等级。在压力容器中使用的牌号主要是塑性和耐蚀性好的工业纯铝（牌号为：1050A、1060、1200、1A85、1100等）和铝-锰合金（牌号为5A02、5A03 5083、3A21、5A12）和铝-镁合金，多以板材和管材的类型用于压力容器中。铝锰合金仅可变形强化，其强度比纯铝略高，成形工艺性及耐蚀性、焊接性好。铝镁合金仅可变形强化，其w（Mg）一般为0.5％～7.0％，与其他铝合金相比，铝镁合金具有中等强度，其延性、焊接性、耐蚀性良好。铝容器的设计温度可达－269℃。

铝相对于铝合金而言，强度较低，为了达到强化的目的，必须经过热处理。具体的工艺是淬火（固溶处理），然后进行时效处理以达到强化，固溶时效热处理是铝合金的主要强化手段。

铝锰合金和铝镁合金不能进行热处理强化，常用冷加工方法使其强化。铝锰合金塑性好，易于进行压力加工。铝镁合金在退火状态和冷变形后使用，冷变形后一般要进行退火。

其主要标准有：GB／T 3880.1～3880.3—2006《一般工业用铝及铝合金板、带材》，GB／T 6892—2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》，GB／T 6893—2010《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》。

（四）《特种设备焊接操作人员考核细则》中的材料分类

TSG Z6002—2010《特种设备焊接操作人员考核细则》中焊接人员持证项目所体现的金属材料的分类见表2-4金属材料（钢）类别与示例和表2-5金属材料（有色金属）类别与示例。

表2-4 金属材料（钢）类别与示例

（续)

注：1.“HP”字母开头的为GB 6653—2008《焊接气瓶用钢板和钢带》中所列气瓶用钢。

2.“S”字母开头的为SY5297—1991《石油天然气输送管道用直缝电阻焊钢管》中所列的钢种（该标准现已被

GB／T 9711.1—1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分：A级钢管》所替代，新标准中没有

“S”开头的牌号）。

3.“L”字母开头的为GB／T 9711.1—1997、GB／T9711.2—1999和GB／T 9711.3—1999《石油天然气工业输送钢

管交货技术条件》中所列的钢种。

表2-5 金属材料（有色金属）类别与示例

（续)

（五）《承压设备焊接工艺评定》中的材料分类

NB／T47014《承压设备焊接工艺评定》中材料的分类见表2-6

表2-6 NB／T47014《承压设备焊接工艺评定》中材料的分类

（续)

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注：标准名称说明：

GB 150—2011（所有部分） 《压力容器》

GB／T 699—1999《优质碳素结构钢》

GB／T 700—2006《碳素结构钢》

GB／T 710—2008《优质碳素结构钢热轧薄钢板和钢带

GB／T 711—2008 《优质碳素结构钢热轧厚钢板和钢带》

GB 713—2008 《锅炉和压力容器用钢》

GB 912—2008 《碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带

GB／T 1176—1987 《铸造铜合金技术条件》

GB／T 1527—2006 《铜及铜合金拉制管》

GB／T 1591—2008 《低合金高强度结构钢》

GB／T 2040—2008 《铜及铜合金板材》

GB／T 2054—2005 《镍及镍合金板》

GB／T 2882—2005 《镍及镍合金管》

GB／T 3077—1999 《合金结构钢》

GB／T 3087—2008 《低中压锅炉用无缝钢管》

GB／T 3091—2008 《低压流体输送用焊接钢管》

GB／T 3274—2007 《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带

GB／T 3280—2007 《不锈钢冷轧钢板和钢带》

GB 3531—2008 《低温压力容器用低合金钢钢板》

GB／T 3621—2007 《钛及钛合金板材》

GB／T 3624—2010 《钛及钛合金无缝管》

GB／T 3625—2007 《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》

GB／T 3880—2006 （所有部分）《一般工业用铝及铝合金板、带材》

GB／T 4237—2007 《不锈钢热轧钢板和钢带》

GB／T 4423—2007 《铜及铜合金拉制管》

GB／T 4435—2010 《镍及镍合金棒》

GB／T 4437.1—2000 《铝及铝合金热挤压管 第一部分：无缝圆管》

GB 5310—2008 《高压锅炉用无缝钢管》

GB 6479—2000 《高压化肥设备用无缝钢管》

GB／T 6614—1994 《钛及钛合金铸件》

GB 6653—2008 《焊接气瓶用钢板和钢带》

GB／T 6893—2010 《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》

GB／T 8163—2008 《输送流体用无缝钢管》

GB／T 8890—2009 《热交换器用铜合金无缝管》

GB／T 9711—2011 《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》

GB 9948—2006 《石油裂化用无缝钢管》

GB／T 11352—2009 《一般工程用铸造碳钢件》

GB／T 12229—2005 《通用阀门 碳素钢铸件技术条件》

GB／T 12230—2005 《通用阀门 不锈钢铸件技术条件》

GB／T 12459—2005 《钢制对焊无缝管件》

GB／T 12771—2008 《流体输送用不锈钢焊接钢管》

GB／T 13237—1991 《优质碳素结构钢冷轧薄钢板和钢带》

GB 13296—2009 《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》

GB／T 13401—2005 《钢板制对焊管件》

GB／T 14845—2007 《板式换热器用钛板》

GB／T 14976—2002 《流体输送用不锈钢无缝钢管》

GB／T 15008—2008 《耐蚀合金棒》

GB／T 16253—1996 《承压钢铸件》

GB／T 16598—1996 《钛及钛合金饼和环》

GB／T 17791—2007 《空调与制冷设备用无缝铜管》

GB／T 18984—2003 《低温管道用无缝钢管》

GB 19189—2011 《压力容器用调质高强度钢板》

GB／T 20878—2007 《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》

GB／T 21832—2008 《奥氏体-铁素体型双相不锈钢焊接钢管》

GB／T 21833—2008 《奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管》

GB 24511—2009 《承压设备用不锈钢钢板及钢带》

GB／T 24593—2009 《锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管

NB／T 47008—2010 《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》

NB／T 47009—2010 《低温承压设备用低合金钢锻件》

NB／T 47010—2010 《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》

JB／T 4734—2002 《铝制焊接容器》

JB 4741—2000 《压力容器用镍铜合金热轧板材》

JB 4742—2000 《压力容器用镍铜合金无缝管》

JB 4743—2000 《压力容器用镍铜合金锻件》

JB／T 9625—1999 《锅炉管道附件承压铸钢件 技术条件》

JB／T 9626—1999 《锅炉锻件 技术条件》

JB／T 10087—2001 《汽轮机承压铸钢件 技术条件》

YB／T 5264—1993 《耐蚀合金锻件》

YB／T 5353—2006 《耐蚀合金热轧板》

YB／T 5354—2006 《耐蚀合金冷轧薄板》