鋼的基本概念、分類及應用

  鋼的基本概念：

  含碳量小于2%并含有某些其他元素的鐵碳合金。鋼具有強度高、韌性好、易于加工成形、原材料資源豐富、冶煉容易、價格便宜等優(yōu)點，是應用最廣泛的一種金屬材料。

  中國在春秋末期(前476年以前)已出現人工鍛煉的鋼。到東漢時期已掌握了煉鋼技術。鋼的工業(yè)生產最早采用坩堝法，產量低、成本高，難于滿足工業(yè)發(fā)展的需要。1856年，英國的H.貝塞麥發(fā)明了轉爐煉鋼法，1856~1864年，英國的K.W.西門子和法國的P.E.馬丁發(fā)明了平爐煉鋼法。1899年，法國的P.L.T.埃魯發(fā)明了電弧爐煉鋼法。20世紀50年代后，先后出現了真空除氣、電渣重熔、鋼包精煉、真空熔煉等精煉技術，使電爐鋼的品質更好，各種新鋼種也相繼出現。鋼是現代社會生產和生活所必需的基本材料，而鋼和鋼材的產量、品種、質量已作為衡量一個國家工業(yè)、農業(yè)、國防和科學技術現代化的一個重要標志。

  鋼的組織和特性鐵是鋼的基本組成元素。鐵在固態(tài)有兩種晶體結構，一是體心立方結構(存在于兩個溫度范圍內，912℃以上稱α鐵，1394℃以上稱δ鐵);另一是面心立方結構(存在于912~1394℃之間，稱γ鐵)。碳是鋼中另一主要元素，對鋼的組織和性能起重要作用，通常隨著含碳量的增加，鋼的強度增加、塑性下降。碳在鋼中主要有兩種存在形式，一是溶入鐵中與鐵形成固溶體(兩種以上化學組分互相溶解而形成的均勻固相);另一是與鐵形成鐵碳化合物，稱滲碳體(Fe3C)，其硬度高、脆性大。碳溶于α鐵中形成的固溶體稱鐵素體;溶于γ鐵中形成的固溶體稱奧氏體，其最大溶解度為2.11%。鋼在冷卻過程中，過飽和的奧氏體將發(fā)生分解，形成鐵素體和滲碳體。鐵素體和滲碳體組成的呈片狀相間排列的混合物稱珠光體。一般碳素鋼在室溫下的金相組織由鐵素體、珠光體和滲碳體組成。

  在碳素鋼基礎上加入各種合金元素，可制成各種合金鋼。加入不同的合金元素，可使合金鋼具有耐熱、耐腐蝕、耐磨、高強度等特殊性能。合金元素按其與碳的親和力不同分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素;按其對鋼的組織轉變影響不同分為擴大奧氏體區(qū)元素和縮小奧氏體區(qū)元素。合金元素還影響鐵碳相圖中特征點位置、相變、碳的擴散及鋼的淬透性等。除加入合金元素外，通過熱處理工藝，也可改變鋼的組織結構和性能，如提高鋼的強度、增加韌性、獲得良好的加工工藝性能等。

  鋼的分類方法有多種。按冶煉方法分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。平爐煉鋼脫除硫、磷和氧的條件比轉爐好，故平爐鋼的品質優(yōu)于轉爐鋼。轉爐鋼將空氣直接吹入鋼液中，以使碳、錳、硅等元素被氧化脫除。該法冶煉速度快、能耗少、成本低，所煉出的鋼可滿足工業(yè)上的一般應用。但轉爐鋼含氧、氮量高，品質較差，不能適應重要產品的要求。電弧爐煉鋼脫除硫、磷和氧的條件好，合金成分調整容易，冶煉速度比平爐煉鋼快，適于生產各種優(yōu)質鋼。按化學成分分為碳素鋼和合金鋼。按品質分為普通鋼(磷≤0.045%、硫≤0.055%)、優(yōu)質鋼(磷、硫≤0.035%)和高級優(yōu)質鋼(磷、硫≤0.03%)。按用途分為結構鋼，用以制造各種承力結構件和機械零件;工具鋼，用以制造各種切削刀具、量具、模具和其他耐磨工具;特殊鋼，包括耐熱鋼、耐磨鋼、不銹鋼、電工鋼、低溫鋼、易切削鋼等。按金相組織分為亞共析鋼(鐵素體加珠光體組織)、共析鋼(珠光體組織)、過共析鋼(碳化物加珠光體組織)，或分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼和鐵素體鋼等。按供貨方式又分為軋鋼、鍛鋼和鑄鋼。鋼的牌號實際應用中，各種類型的鋼分別以各自的牌號來表示。鋼的牌號命名，各國均有自己的規(guī)則和方法。中國國家標準采用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法。通常，用漢語拼音第一個字母表示鋼的名稱、用途、特性和工藝方法，如氧氣轉爐鋼用Y，沸騰鋼用F。普通碳素鋼分甲、乙、特3種質量，分別用A、B、C表示，并以數字表示其含碳量;如AY2F、AY3F表示甲類氧氣轉爐沸騰鋼，后者比前者含碳量高。優(yōu)質碳素結構鋼用數字或數字加元素符號表示，高級優(yōu)質鋼在數字后加A，數字表示其平均含碳量(以千分之幾計);如20A表示平均含碳量0.2%的高級優(yōu)質鋼。碳素工具鋼用字母T、數字(表示千分之幾計的平均含碳量)和高級優(yōu)質符號A表示，如T9A。合金鋼用元素符號和阿拉伯數字表示，其含碳量放在最前邊。合金結構鋼的含碳量以萬分之幾計，不銹鋼、耐熱鋼等以千分之幾計。合金鋼中的合金元素含量用元素符號后邊的數字表示，含量小于1.5%的不予標出;如30CrMnSi表示平均含碳量為0.3%，合金元素含量均小于1.5%的合金結構鋼，鑄鋼用漢語拼音符號ZG和數字表示，如ZG45，表示含碳量為0.45%的鑄鋼。

  不銹鋼及其應用：

  耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼。又稱不銹耐酸鋼。實際應用中，常將耐弱腐蝕介質腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐化學介質腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由于兩者在化學成分上的差異，前者不一定耐化學介質腐蝕，而后者則一般均具有不銹性。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素。鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當鋼中含鉻量達到12%左右時，鉻與腐蝕介質中的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜(自鈍化膜)，可阻止鋼的基體進一步腐蝕。除鉻外，常用的合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，以滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。不銹鋼通常按基體組織分為：

  ①鐵素體不銹鋼。含鉻12%~30%。其耐蝕性、韌性和可焊性隨含鉻量的增加而提高耐氯化物應力腐蝕性能優(yōu)于其他種類不銹鋼。

  ②奧氏體不銹鋼。含鉻大于18%，還含有8%左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。綜合性能好，可耐多種介質腐蝕。

  ③奧氏體;鐵素體雙相不銹鋼。兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，并具有超塑性。④馬氏體不銹鋼。強度高，但塑性和可焊性較差。

  碳素鋼及其應用：

  含碳量小于1.35%，除鐵、碳和限量以內的硅、錳、磷、硫等雜質外，不含其他合金元素的鋼。碳素鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類相比，碳素鋼使用最早，成本低，性能范圍寬，用量最大。通常按含碳量分為低碳鋼(碳含量為0.04%~0.25%)、中碳鋼(碳含量為0.25%~0.6%)、高碳鋼(碳含量為0.6%~1.35%)。按質量分為普通碳素鋼，其有害雜質磷、硫含量均小于0.05%，包括甲類鋼(A類鋼，保證力學性能)、乙類鋼(B類鋼，保證化學成分)和特類鋼(C類鋼，保證力學性能和化學成分);優(yōu)質碳素鋼，有害雜質磷、硫含量均小于0.04%;高級優(yōu)質碳素鋼，有害雜質磷、硫含量小于0.03%。按用途又分為碳素結構鋼和碳素工具鋼，前者主要用于制造各種結構件和機器零件，一般屬低碳鋼和中碳鋼;后者用于制造刀具、量具、模具等，一般屬高碳鋼。

  合金鋼及其應用：

  在普通碳素鋼基礎上添加適量的一種或多種合金元素而構成的鐵碳合金。根據添加元素的不同，并采取適當的加工工藝，可獲得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在適當條件下，就能形成各自的碳化物，當缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進入固溶體中;錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態(tài)進入固溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體;鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子狀態(tài)存在于固溶體中。合金鋼種類很多，通常按合金元素含量多少分為低合金鋼(含量<5%)，中合金鋼(含量5%~10%)，高合金鋼(含量>10%);按質量分為優(yōu)質合金鋼、特質合金鋼;按特性和用途又分為合金結構鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、滾動軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼(如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼)等。

  工具鋼及其應用：

  用于制造切削工具、量具、模具及抗高溫軟化彈簧、各類軸承和一些耐磨零件等的鋼。通常分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼(見高速鋼)。①碳素工具鋼。簡稱碳工鋼。為一種優(yōu)質高碳鋼(含碳0.65%~1.35%)。其特點是冷、熱加工性能好，淬火后硬度為HRC66～67，耐磨性好，價格低廉，用途廣，使用量約占全部工具鋼的一半。但其淬透性、耐熱性較差，一般只限制在200℃以下使用。②合金工具鋼。在碳工鋼中加入合金元素構成。合金元素的作用是提高鋼的強度、硬度、韌性、耐熱性和耐磨性，以滿足不同的使用要求。合金工具鋼按用途分為量具刃具鋼、耐沖擊工具鋼和合金模具鋼。后者包括冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼等(見模具鋼)。量具刃具鋼含碳量較高，含有少量的鉻、鎢、釩、硅和錳等合金元素，其淬透性好(淬火時形成深厚的淬硬層)，耐磨性和熱穩(wěn)定性顯著高于碳工鋼，并具有一定的強度和沖擊韌性。耐沖擊工具鋼含碳量0.35%~0.65%，主要合金元素是鉻、鎢和硅，熱處理后的沖擊韌性、疲勞強度和耐磨性均較高，故適于制造受沖擊載荷大的工具。

  模具鋼及其應用：

  用于制造各種類型模具的鋼。按成分分為碳素鋼和合金鋼。按用途又分為：①冷作模具鋼。用于制造冷沖模、冷擠壓模、冷拉絲模、壓彎模、滾絲模、冷成形模、搓絲板等。其硬度高，耐磨性和韌性好。常采用高碳工具鋼，當模具尺寸大時，也采用高碳低合金鋼。②熱作模具鋼。用于制造熱鍛模、熱擠壓模、精密鑄造和金屬壓鑄的鑄型。由于模具都是在較高溫度下工作，因此多采用合金鋼，其高溫性能、韌性和抗熱疲勞性能好，等向性好。③塑料模具鋼。用于制造塑料成型模。其工藝性能好，如熱處理變形小，加工性、研磨性、拋光性能好，光潔度高，圖案花紋刻蝕性好等。根據使用條件可采用碳素鋼或合金鋼。④基體鋼。其化學成分相當于高速工具鋼淬火后基體組織的化學成分，故而得名。用于制造工作溫度在600～680℃的熱模具和耐磨性要求高的冷模具。⑤無磁模具鋼。用于制造磁性材料成型的模具。其硬度高、耐磨性好，在磁場中使用不會被磁化。

  高速鋼及其應用：

  硬度高，耐磨性、耐熱性好，并有適當的韌性的鋼。高速工具鋼的簡稱。主要用于制造高速切削工具，也可用于制造高溫軸承、模具及一些要求高硬度、耐磨性好的機械零件等。高速鋼的碳含量(0.70%~1.65%)和合金元素總含量(10%~25%)均較高。主要合金元素是鎢、鉬，此外還有鉻、釩、鈷、硅、鋁、氮等。碳和合金元素以碳化物形態(tài)存在于鋼組織中。隨著含碳量的增加，鋼的硬度增加。當碳含量達到平衡值(鋼中的合金元素形成相應碳化物所需碳量)時，鋼的淬火、回火硬度值最高。高速鋼按用途分為普通高速鋼和特種高速鋼兩種。前者硬度可達HRC63以上，綜合性能好，廣泛用于制造各類切削刀具。后者又分為高釩高速鋼、粉末高速鋼、含鈷高速鋼和超硬高速鋼，主要用于制造難切削加工等特殊用途刀具。

  彈簧鋼及其應用：

  用于制造各類彈簧和彈性元件的鋼。有高的彈性極限和疲勞極限，足夠的沖擊韌性和塑性、良好的抗應力松弛性能以及一定的冷熱成型性能。按化學成分分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼。前者含碳0.6%~0.8%，還含有少量的錳及其他合金元素，其強度高，加工性能好，但淬透性不高，僅適于制作小彈簧或性能要求不高的大彈簧。后者含碳0.4%~0.7%，合金元素含量不超過5%，其淬透性好(淬火時淬硬層深厚)，綜合力學性能優(yōu)良，可制作截面尺寸大、性能要求高、工作溫度高的彈簧。按生產方法又分為：①熱軋彈簧鋼?？芍圃旖孛娉叽巛^大的彈簧，如各種車輛的減振彈簧等。②冷軋彈簧鋼。有冷軋鋼帶和冷拉鋼絲，用以制造小型高精度彈簧，如鐘表發(fā)條、儀表中的簧片等。其中冷拉鋼絲又分為鉛浴等溫淬火鋼絲、油淬火回火鋼絲和退火態(tài)鋼絲3種。