关于钢的那些事儿（一）

偶然间在浏览大英百科全书网站的时候，发现其关于钢铁生产和成型方面的内容是一篇或者说一本既全面又不失深度的好文，既适合作为科普读物，也可以帮助相关从业者进行思维整理，同时还可以学习专业英语知识。作者利用业余时间把这些内容翻译，并根据自己的认知整理出来和大家分享，鉴于本人翻译和专业水平有限，不妥之处请各位朋友多多谅解。

#1. 简介

钢(steel)是铁(iron)和碳(carbon)的合金(alloy)，其中碳的含量在2%以下（含碳量更高的叫做铸铁(cast iron)）。钢是目前世界上在基础建设和工业领域应用最广的材料。从一根针到油箱，以及生产这些产品的工具也是用钢来制造的。

图1 钢的中间和最终产品

根据世界钢铁协会的数据：2020年全球粗钢产量为187,800万吨， 然而，在工业中应用第二广泛的铝在2020年的全球产量为6,530万吨（国际铝业协会2020年全球原铝产量）。如此巨大的差距是由于钢的低制造、成型、加工成本，巨大的存（储）量（铁矿石(ore)和废钢(scrap)）及其应用广泛的机械性能所决定的。

#2. 钢的特性

2.1. 构成钢的基本金属：铁

钢的主要的组成部分是铁，但是纯铁的强度仅仅比铜强一点点。和其他金属一样一般情况下，固态的铁是多晶体结构(polycrystalline structure) -- 是由多个晶体(crystal)通过边界相连而成。晶体是原子按照一定形式规则排列而成的，可以描画成像球挨球一样的结构，如图2所示。

图2 固体的状态

图3 晶体中原子-晶胞-晶格的结构关系简图

为了便于理解，只画出原子的中心点，并用线将这些中心点连接起来，如图3所示。把这些人为连接起来的线条所构成的几何结构成为晶格(crystal lattice)，而把构成晶格的最基本单元成为晶胞(unit cell)。铁的晶胞可以描述成中心一个铁原子，空间四角各一个铁原子的体心立方体(body-centred cubic (bbc))，如图4所示。

图4 钢晶胞的两种同素异形体bcc和fcc

钢是铁的同素异形体(allotropy)，并且钢有两种晶体形态，另一种形态是面心立方体(face-centred cubic (fcc))，六个面的中心各有一个铁原子替代了立方中心的铁原子，如图4所示。在晶格中，由于每个晶胞是通过晶胞中的原子按照一定形式的规则紧密相连，因此单位晶胞中的每一个原子都是和其它晶胞进行共享。如图5所示，在bcc结构和fcc结构中，单位晶胞所包含的原子数量情况：bcc-2个原子，fcc-4个原子。

图5 bcc和fcc中单位晶胞的结构简图

因此，在原子直径不变的情况下bcc和fcc结构中，单位晶胞的长度也是不同的。如图6所示，abcc = 4r/(3^1/2)，afcc = 4r/(2^1/2)。可见：afcc/abcc = 1.225，也就是说fcc结构的晶胞尺寸比bcc的晶胞尺寸长约22.5%，意味着：在固溶物(solid solution)中，fcc结构比bcc结构能够容纳更多的外来原子（在后面的合金化(alloying)中会进一步介绍到）。

图6 bcc和fcc晶胞的单位长度和铁原子直径之间的关系

铁在912°C以下（t < 912°C）以及1394°C至它的熔点1538°C（1394°C < t < 1538°C）的区间内是bcc结构的同素异形体状态；在t < 912°C的铁叫做：α-Fe，在1394°C < t < 1538°C的铁叫：δ-Fe。在温度区间912°C到1394°C之间（912°C < t < 1394°C），铁的结构是fcc形式，叫做：γ-Fe。此外，在770°C以上铁几乎就没有磁性了，因此在温度770°C到912°C（912°C < t < 1394°C）这个区间内的铁也叫作：β-Fe。还有一种不常用到的铁：ε-Fe，通常存在于11GPa以上的压力情况下，是密排六方结构(hexagonal clos-packed structure)。

2.2. 碳的作用

纯铁非常软，通常不作为工程材料使用。通常的方法是在其中加入少量的碳，使纯铁转变成钢，起到强化的作用。在固态的钢中，碳通常以两种形式存在：间隙固溶体(interstitial solid solution)和间隙化合物(interstitial compound)，α-Fe中溶解微量的碳（约0.02%）形成的间隙固溶体叫做铁素体(ferrite)，γ-Fe中溶解较多的碳（≤2%）形成的间隙固溶体叫做奥氏体(austenite)；碳和铁形成Fe3C的间隙化合物称为渗碳体(cementite)（有些特殊现象：在灰口铸铁(gray iron)中，碳呈现出雪花状或簇状碳纤维，其原因是其中的硅(silicon)抑制了铁和碳化合物的形成），这种铁和碳的化合物形式也适用与碳和其它合金，例如钛。

碳的作用可以通过铁碳平衡图来表示，如图7所示。A-B-C线是液相线（也就是说在这条线上熔化状态的铁开始凝固）；H-J-E-C线是固相线（在这条线上金属完全凝固）。从A-B-C线上可以看出凝固温度随着碳含量的增加而降低（这也就解释了为什么含碳量为2%的灰口铸铁能够在比钢更低的温度下进行加工）。如图7中经过S点的虚线所示：含碳量为0.8%的熔融钢在1475°C时开始凝固，在1400°C完全凝固。从此点开始随着温度降低，固体钢为奥氏体，即碳融于fcc结构的铁中的间隙固溶体。随着温度的降低，在723°C的S点产生了巨大的变化：奥氏体晶体变成了由交错的片状铁素体和渗碳体（Fe3C）组成的细小的层状结构。这种金相组织叫做珠光体(pearlite)，这个变化叫做共析变化(eutectoid transformation)。珠光体的维氏硬度(diamond pyramid hardness - DPH)可以达到每平方毫米200千克力，而纯铁的维氏硬度仅为70千克力每平方毫米（kgf/mm^2）。含碳量更低的钢，例如0.25%，在冷却的过程中其金相组织中包含约50%的珠光体和约50%的铁素体，此时的维氏硬度为130kgf/mm^2，比单纯珠光体组织的钢要软。含碳量大于0.8%的钢，例如1.05%，其金相组织由珠光体和渗碳体组成，比单纯珠光体组织的钢要硬，维氏硬度可达250kgf/mm^2。

图7 铁碳平衡图

2.3. 热处理的作用

调整钢中的碳含量是改变钢的机械性能的最简单的方法。此外，通过热处理也能够改变钢的机械性能，例如：在奥氏体向铁素体的转变过程中（P-S-K线）加速冷却（这个变化也叫做Ar1转变，r代表法语冷却(refroidissement)的意思）。以每分钟200°C的速度给含碳量为0.8%组织为珠光体结构的钢进行冷却可以得到维氏硬度为300kgf/mm^2的钢，如果以400°C/min的速度进行冷却则可以得到维氏硬度为400kgf/mm^2的钢。通过此种方法使钢的硬度得到提升的原因是：在室温缓慢冷却的过程中可以得到细小的珠光体和铁素体，理论上来说，当钢迅速冷却时，碳原子没有足够的时间从晶格中逃出来组成碳化物（渗碳体）。当冷却速度更快的时候，例如以1000°C/min的速度对钢进行淬火(quenching)可以完全阻止碳原子从晶格中逃出来形成碳化物，从而在铁素体中聚集了大量的碳原子，这种组织结构叫做马氏体(martensite)，其维氏硬度可以达到1000kgf/mm^2，这种结构的钢硬度非常高但也非常脆。对马氏体组织进行回火（也叫调制）(tempering)，即把马氏体钢进行加热到比如400°C，同时保持一段时间。这种方法能够降低钢的硬度和脆性，从而得到高强度和高韧性的钢。作为一种重要的热处理方式，在淬火+回火（调制）的热处理方法中的主要参数是冷却速度、回火温度和保温时间。

2.4. 合金化的作用

第三种改变钢的性能的方法是：除了加入碳以外再加入合金元素。大概有20多种合金元素可以加到合金钢中，且各种不同的合金元素对钢的金相组织、冷却速度、回火温度、保温时间都有着很大的影响。这种方法实际上是改变了奥氏体和铁素体之间的转换点，改变了固溶和扩散的速度，同时与其他元素争夺从而形成金属化合物（例如：碳化物和氮化物）。对于合金化如何影响热处理条件、金相组织和机械性能则需要大量的实验数据积累来得到。然而根据一定的基础理论，通过计算机辅助的方法还是能够让工程技术人员来预测合金化对钢的金相组织、性能和热轧、热处理、冷轧过程的影响。

合金化对钢的一个非常好的作用体现在钢的高强度和良好的可焊性。这种性能上的提升仅仅通过碳是不够的，因为碳在焊接中会产生脆性区域。通过降低碳含量并加入少量像镍(nickel)和锰(manganese)等强化材料可以实现钢的高强度和良好的可焊性。理论上金属强度的提高可以通过提高晶格对位错(dislocation)（位错是晶体和晶格中的缺陷，金属的成形变化是位错在晶体内运动的结果）运动的阻力来实现。当像镍等元素存在于铁素体固溶物里面的时候，镍原子嵌入到铁的晶格中阻止了位错运动，这种现象叫做固溶强化(solution hardening)。一种更加有效的提高强度的方法是析出强化(precipitation)，在这种方法中合金元素（例如：钛(titanium)、铌(niobium)、钒(vanadium)）在钢的冷却过程中不是存在于铁素体的固溶体中，而是形成细小的、分散的碳化物或氮化物晶体，这些晶体能够非常有效的阻止位错运动。此外，大多数这种类型的晶体能够形成很小的晶粒(gain)，这些细小的晶粒的析出具有成核作用，能够在金属冷却再结晶(recrystallization)过程中阻止经历的长大。产生细晶是另外一种钢的强化方法，因为晶界同样能够阻止位错运动。

由于合金元素通过阻止原子在铁晶格中扩散来减缓同素异形体的转化，因此合金化同样能够给热处理带来很大的影响，例如，通常由快速淬火得到的马氏体也可以通过降低淬火速度来得到。通过减慢淬火速度能够减少金属的内部应力(internal stress)，更为重要的是能够得到更厚的淬火深度。更好的淬透性可以通过添加锰、钼(molybdenum)、铬(chromium)元素来获得。此外，这些元素还能实现更高的回火温度，从而使钢在同样的硬度和强度下具有更好的延展性。

2.5. 性能检测

通常钢的性能的检测都是从检测硬度开始的。硬度的检测是通过在钢的表面按压金刚石椎体或硬钢球来实现的。维氏硬度的测定人员使用顶角(included angle)为136°的金刚石棱锥体作为压头(indenter)，然后给压头施加10千克力（kgf）、30kgf或50kgf的载荷，印记的对角线通过光学仪器测量得到。维氏硬度通过施加的千克力除以印记的面积来表示，单位是千克力每平方毫米（kgf/mm^2）。抗拉强度(tensile strength)和屈服强度(yield strength)通过在液压机上拉标准的机加工样件，并且记录样件在拉长过程中（直至拉断）的拉力变化来得到。评判钢在冷成型过程中的重要指标--屈服强度等于伸长量为0.2%时的拉力除以被拉样件的横截面积。使用摆锤撞击一个标准的带有切口的棱柱样件，记录击断样件时所做的功，从而可以得到材料的冲击韧性(impact toughness)。冲击韧性需要在不同的温度下测量获得，因为随着温度的降低，材料的脆性会增加。

此外，在工业中钢的机械性能还有许多其它的测量种类，像铁轨的耐磨性、带材的可拉拔性、线材的弯曲试验等。在金相实验室中，通过计算机电子显微镜来观察打磨、蚀刻后的钢样件的金相组织。在实验室中还会测量热拉伸性和电磁特性，化学成分通过全自动的光普分析仪来测定。通常还会有一些无损检验(non-destructive test)，例如：超声波检测(ultrasonic test)、磁粉检测(magnaflux test)，用以检查褶皱(lamination)或裂纹(crack)等缺陷。