鋼的基本概念、分類(lèi)及應(yīng)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(qiáng)度高、韌性好、易于加工成形、原材料資源豐富、冶煉容易、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的一種金屬材料。

  中國(guó)在春秋末期(前476年以前)已出現(xiàn)人工鍛煉的鋼。到東漢時(shí)期已掌握了煉鋼技術(shù)。鋼的工業(yè)生產(chǎn)最早采用坩堝法，產(chǎn)量低、成本高，難于滿(mǎn)足工業(yè)發(fā)展的需要。1856年，英國(guó)的H.貝塞麥發(fā)明了轉(zhuǎn)爐煉鋼法，1856~1864年，英國(guó)的K.W.西門(mén)子和法國(guó)的P.E.馬丁發(fā)明了平爐煉鋼法。1899年，法國(guó)的P.L.T.埃魯發(fā)明了電弧爐煉鋼法。20世紀(jì)50年代后，先后出現(xiàn)了真空除氣、電渣重熔、鋼包精煉、真空熔煉等精煉技術(shù)，使電爐鋼的品質(zhì)更好，各種新鋼種也相繼出現(xiàn)。鋼是現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活所必需的基本材料，而鋼和鋼材的產(chǎn)量、品種、質(zhì)量已作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)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(jié)構(gòu)，一是體心立方結(jié)構(gòu)(存在于兩個(gè)溫度范圍內(nèi)，912℃以上稱(chēng)α鐵，1394℃以上稱(chēng)δ鐵);另一是面心立方結(jié)構(gòu)(存在于912~1394℃之間，稱(chēng)γ鐵)。碳是鋼中另一主要元素，對(duì)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(qiáng)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(xué)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(chēng)滲碳體(Fe3C)，其硬度高、脆性大。碳溶于α鐵中形成的固溶體稱(chēng)鐵素體;溶于γ鐵中形成的固溶體稱(chēng)奧氏體，其最大溶解度為2.11%。鋼在冷卻過(guò)程中，過(guò)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(chēng)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(chǔ)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(qiáng)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(duì)鋼的組織轉(zhuǎn)變影響不同分為擴(kuò)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(diǎn)位置、相變、碳的擴(kuò)散及鋼的淬透性等。除加入合金元素外，通過(guò)熱處理工藝，也可改變鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能，如提高鋼的強(qiáng)度、增加韌性、獲得良好的加工工藝性能等。

  鋼的分類(lèi)方法有多種。按冶煉方法分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼。平爐煉鋼脫除硫、磷和氧的條件比轉(zhuǎn)爐好，故平爐鋼的品質(zhì)優(yōu)于轉(zhuǎn)爐鋼。轉(zhuǎn)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(mǎn)足工業(yè)上的一般應(yīng)用。但轉(zhuǎn)爐鋼含氧、氮量高，品質(zhì)較差，不能適應(yīng)重要產(chǎn)品的要求。電弧爐煉鋼脫除硫、磷和氧的條件好，合金成分調(diào)整容易，冶煉速度比平爐煉鋼快，適于生產(chǎn)各種優(yōu)質(zhì)鋼。按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼。按品質(zhì)分為普通鋼(磷≤0.045%、硫≤0.055%)、優(yōu)質(zhì)鋼(磷、硫≤0.035%)和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(磷、硫≤0.03%)。按用途分為結(jié)構(gòu)鋼，用以制造各種承力結(jié)構(gòu)件和機(jī)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(guò)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(hào)實(shí)際應(yīng)用中，各種類(lèi)型的鋼分別以各自的牌號(hào)來(lái)表示。鋼的牌號(hào)命名，各國(guó)均有自己的規(guī)則和方法。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法。通常，用漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母表示鋼的名稱(chēng)、用途、特性和工藝方法，如氧氣轉(zhuǎn)爐鋼用Y，沸騰鋼用F。普通碳素鋼分甲、乙、特3種質(zhì)量，分別用A、B、C表示，并以數(shù)字表示其含碳量;如AY2F、AY3F表示甲類(lèi)氧氣轉(zhuǎn)爐沸騰鋼，后者比前者含碳量高。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用數(shù)字或數(shù)字加元素符號(hào)表示，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在數(shù)字后加A，數(shù)字表示其平均含碳量(以千分之幾計(jì));如20A表示平均含碳量0.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。碳素工具鋼用字母T、數(shù)字(表示千分之幾計(jì)的平均含碳量)和高級(jí)優(yōu)質(zhì)符號(hào)A表示，如T9A。合金鋼用元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，其含碳量放在最前邊。合金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量以萬(wàn)分之幾計(jì)，不銹鋼、耐熱鋼等以千分之幾計(jì)。合金鋼中的合金元素含量用元素符號(hào)后邊的數(shù)字表示，含量小于1.5%的不予標(biāo)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(jié)構(gòu)鋼，鑄鋼用漢語(yǔ)拼音符號(hào)ZG和數(shù)字表示，如ZG45，表示含碳量為0.45%的鑄鋼。

  不銹鋼及其應(yīng)用：

  耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。又稱(chēng)不銹耐酸鋼。實(shí)際應(yīng)用中，常將耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼稱(chēng)為不銹鋼，而將耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼稱(chēng)為耐酸鋼。由于兩者在化學(xué)成分上的差異，前者不一定耐化學(xué)介質(zhì)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(dāng)鋼中含鉻量達(dá)到12%左右時(shí)，鉻與腐蝕介質(zhì)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(jìn)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(mǎn)足各種用途對(duì)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(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于其他種類(lèi)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(zhì)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(diǎn)，并具有超塑性。④馬氏體不銹鋼。強(qiáng)度高，但塑性和可焊性較差。

  碳素鋼及其應(yīng)用：

  含碳量小于1.35%，除鐵、碳和限量以?xún)?nèi)的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)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(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類(lèi)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(zhì)量分為普通碳素鋼，其有害雜質(zhì)磷、硫含量均小于0.05%，包括甲類(lèi)鋼(A類(lèi)鋼，保證力學(xué)性能)、乙類(lèi)鋼(B類(lèi)鋼，保證化學(xué)成分)和特類(lèi)鋼(C類(lèi)鋼，保證力學(xué)性能和化學(xué)成分);優(yōu)質(zhì)碳素鋼，有害雜質(zhì)磷、硫含量均小于0.04%;高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼，有害雜質(zhì)磷、硫含量小于0.03%。按用途又分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼，前者主要用于制造各種結(jié)構(gòu)件和機(jī)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(yīng)用：

  在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當(dāng)?shù)募庸すに?，可獲得高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無(wú)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(qiáng)碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在適當(dāng)條件下，就能形成各自的碳化物，當(dāng)缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進(jìn)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(jìn)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(lèi)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(zhì)量分為優(yōu)質(zhì)合金鋼、特質(zhì)合金鋼;按特性和用途又分為合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、滾動(dòng)軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼(如軟磁鋼、永磁鋼、無(wú)磁鋼)等。

  工具鋼及其應(yīng)用：

  用于制造切削工具、量具、模具及抗高溫軟化彈簧、各類(lèi)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(jiàn)高速鋼)。①碳素工具鋼。簡(jiǎn)稱(chēng)碳工鋼。為一種優(yōu)質(zhì)高碳鋼(含碳0.65%~1.35%)。其特點(diǎn)是冷、熱加工性能好，淬火后硬度為HRC66～67，耐磨性好，價(jià)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(gòu)成。合金元素的作用是提高鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐熱性和耐磨性，以滿(mǎn)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(jiàn)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用：

  用于制造各種類(lèi)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(dāng)模具尺寸大時(shí)，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(jù)使用條件可采用碳素鋼或合金鋼。④基體鋼。其化學(xué)成分相當(dāng)于高速工具鋼淬火后基體組織的化學(xué)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(wú)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(chǎng)中使用不會(huì)被磁化。

  高速鋼及其應(yīng)用：

  硬度高，耐磨性、耐熱性好，并有適當(dāng)?shù)捻g性的鋼。高速工具鋼的簡(jiǎn)稱(chēng)。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(jī)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(dāng)碳含量達(dá)到平衡值(鋼中的合金元素形成相應(yīng)碳化物所需碳量)時(shí)，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(dá)HRC63以上，綜合性能好，廣泛用于制造各類(lèi)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(yīng)用：

  用于制造各類(lèi)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(yīng)力松弛性能以及一定的冷熱成型性能。按化學(xué)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(qiáng)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(guò)5%，其淬透性好(淬火時(shí)淬硬層深厚)，綜合力學(xué)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(chǎn)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(chē)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。