偶然間在浏覽大英百科全書網站的時候，發現其關于鋼鐵生産和成型方面的内容是一篇或者說一本既全面又不失深度的好文，既适合作為科普讀物，也可以幫助相關從業者進行思維整理，同時還可以學習專業英語知識。作者利用業餘時間把這些内容翻譯，并根據自己的認知整理出來和大家分享，鑒于本人翻譯和專業水平有限，不妥之處請各位朋友多多諒解。

#1. 簡介

鋼(steel)是鐵(iron)和碳(carbon)的合金(alloy)，其中碳的含量在2%以下（含碳量更高的叫做鑄鐵(cast iron)）。鋼是目前世界上在基礎建設和工業領域應用最廣的材料。從一根針到油箱，以及生産這些産品的工具也是用鋼來制造的。

圖1 鋼的中間和最終産品

根據世界鋼鐵協會的數據：2020年全球粗鋼産量為187,800萬噸， 然而，在工業中應用第二廣泛的鋁在2020年的全球産量為6,530萬噸（國際鋁業協會2020年全球原鋁産量）。如此巨大的差距是由于鋼的低制造、成型、加工成本，巨大的存（儲）量（鐵礦石(ore)和廢鋼(scrap)）及其應用廣泛的機械性能所決定的。

#2. 鋼的特性

2.1. 構成鋼的基本金屬：鐵

鋼的主要的組成部分是鐵，但是純鐵的強度僅僅比銅強一點點。和其他金屬一樣一般情況下，固态的鐵是多晶體結構(polycrystalline structure) -- 是由多個晶體(crystal)通過邊界相連而成。晶體是原子按照一定形式規則排列而成的，可以描畫成像球挨球一樣的結構，如圖2所示。

圖2 固體的狀态

圖3 晶體中原子-晶胞-晶格的結構關系簡圖

為了便于理解，隻畫出原子的中心點，并用線将這些中心點連接起來，如圖3所示。把這些人為連接起來的線條所構成的幾何結構成為晶格(crystal lattice)，而把構成晶格的最基本單元成為晶胞(unit cell)。鐵的晶胞可以描述成中心一個鐵原子，空間四角各一個鐵原子的體心立方體(body-centred cubic (bbc))，如圖4所示。

圖4 鋼晶胞的兩種同素異形體bcc和fcc

鋼是鐵的同素異形體(allotropy)，并且鋼有兩種晶體形态，另一種形态是面心立方體(face-centred cubic (fcc))，六個面的中心各有一個鐵原子替代了立方中心的鐵原子，如圖4所示。在晶格中，由于每個晶胞是通過晶胞中的原子按照一定形式的規則緊密相連，因此單位晶胞中的每一個原子都是和其它晶胞進行共享。如圖5所示，在bcc結構和fcc結構中，單位晶胞所包含的原子數量情況：bcc-2個原子，fcc-4個原子。

圖5 bcc和fcc中單位晶胞的結構簡圖

因此，在原子直徑不變的情況下bcc和fcc結構中，單位晶胞的長度也是不同的。如圖6所示，abcc = 4r/(3^1/2)，afcc = 4r/(2^1/2)。可見：afcc/abcc = 1.225，也就是說fcc結構的晶胞尺寸比bcc的晶胞尺寸長約22.5%，意味着：在固溶物(solid solution)中，fcc結構比bcc結構能夠容納更多的外來原子（在後面的合金化(alloying)中會進一步介紹到）。

圖6 bcc和fcc晶胞的單位長度和鐵原子直徑之間的關系

鐵在912°C以下（t < 912°C）以及1394°C至它的熔點1538°C（1394°C < t < 1538°C）的區間内是bcc結構的同素異形體狀态；在t < 912°C的鐵叫做：α-Fe，在1394°C < t < 1538°C的鐵叫：δ-Fe。在溫度區間912°C到1394°C之間（912°C < t < 1394°C），鐵的結構是fcc形式，叫做：γ-Fe。此外，在770°C以上鐵幾乎就沒有磁性了，因此在溫度770°C到912°C（912°C < t < 1394°C）這個區間内的鐵也叫作：β-Fe。還有一種不常用到的鐵：ε-Fe，通常存在于11GPa以上的壓力情況下，是密排六方結構(hexagonal clos-packed structure)。

2.2. 碳的作用

純鐵非常軟，通常不作為工程材料使用。通常的方法是在其中加入少量的碳，使純鐵轉變成鋼，起到強化的作用。在固态的鋼中，碳通常以兩種形式存在：間隙固溶體(interstitial solid solution)和間隙化合物(interstitial compound)，α-Fe中溶解微量的碳（約0.02%）形成的間隙固溶體叫做鐵素體(ferrite)，γ-Fe中溶解較多的碳（≤2%）形成的間隙固溶體叫做奧氏體(austenite)；碳和鐵形成Fe3C的間隙化合物稱為滲碳體(cementite)（有些特殊現象：在灰口鑄鐵(gray iron)中，碳呈現出雪花狀或簇狀碳纖維，其原因是其中的矽(silicon)抑制了鐵和碳化合物的形成），這種鐵和碳的化合物形式也适用與碳和其它合金，例如钛。

碳的作用可以通過鐵碳平衡圖來表示，如圖7所示。A-B-C線是液相線（也就是說在這條線上熔化狀态的鐵開始凝固）；H-J-E-C線是固相線（在這條線上金屬完全凝固）。從A-B-C線上可以看出凝固溫度随着碳含量的增加而降低（這也就解釋了為什麼含碳量為2%的灰口鑄鐵能夠在比鋼更低的溫度下進行加工）。如圖7中經過S點的虛線所示：含碳量為0.8%的熔融鋼在1475°C時開始凝固，在1400°C完全凝固。從此點開始随着溫度降低，固體鋼為奧氏體，即碳融于fcc結構的鐵中的間隙固溶體。随着溫度的降低，在723°C的S點産生了巨大的變化：奧氏體晶體變成了由交錯的片狀鐵素體和滲碳體（Fe3C）組成的細小的層狀結構。這種金相組織叫做珠光體(pearlite)，這個變化叫做共析變化(eutectoid transformation)。珠光體的維氏硬度(diamond pyramid hardness - DPH)可以達到每平方毫米200千克力，而純鐵的維氏硬度僅為70千克力每平方毫米（kgf/mm^2）。含碳量更低的鋼，例如0.25%，在冷卻的過程中其金相組織中包含約50%的珠光體和約50%的鐵素體，此時的維氏硬度為130kgf/mm^2，比單純珠光體組織的鋼要軟。含碳量大于0.8%的鋼，例如1.05%，其金相組織由珠光體和滲碳體組成，比單純珠光體組織的鋼要硬，維氏硬度可達250kgf/mm^2。

圖7 鐵碳平衡圖

2.3. 熱處理的作用

調整鋼中的碳含量是改變鋼的機械性能的最簡單的方法。此外，通過熱處理也能夠改變鋼的機械性能，例如：在奧氏體向鐵素體的轉變過程中（P-S-K線）加速冷卻（這個變化也叫做Ar1轉變，r代表法語冷卻(refroidissement)的意思）。以每分鐘200°C的速度給含碳量為0.8%組織為珠光體結構的鋼進行冷卻可以得到維氏硬度為300kgf/mm^2的鋼，如果以400°C/min的速度進行冷卻則可以得到維氏硬度為400kgf/mm^2的鋼。通過此種方法使鋼的硬度得到提升的原因是：在室溫緩慢冷卻的過程中可以得到細小的珠光體和鐵素體，理論上來說，當鋼迅速冷卻時，碳原子沒有足夠的時間從晶格中逃出來組成碳化物（滲碳體）。當冷卻速度更快的時候，例如以1000°C/min的速度對鋼進行淬火(quenching)可以完全阻止碳原子從晶格中逃出來形成碳化物，從而在鐵素體中聚集了大量的碳原子，這種組織結構叫做馬氏體(martensite)，其維氏硬度可以達到1000kgf/mm^2，這種結構的鋼硬度非常高但也非常脆。對馬氏體組織進行回火（也叫調制）(tempering)，即把馬氏體鋼進行加熱到比如400°C，同時保持一段時間。這種方法能夠降低鋼的硬度和脆性，從而得到高強度和高韌性的鋼。作為一種重要的熱處理方式，在淬火 回火（調制）的熱處理方法中的主要參數是冷卻速度、回火溫度和保溫時間。

2.4. 合金化的作用

第三種改變鋼的性能的方法是：除了加入碳以外再加入合金元素。大概有20多種合金元素可以加到合金鋼中，且各種不同的合金元素對鋼的金相組織、冷卻速度、回火溫度、保溫時間都有着很大的影響。這種方法實際上是改變了奧氏體和鐵素體之間的轉換點，改變了固溶和擴散的速度，同時與其他元素争奪從而形成金屬化合物（例如：碳化物和氮化物）。對于合金化如何影響熱處理條件、金相組織和機械性能則需要大量的實驗數據積累來得到。然而根據一定的基礎理論，通過計算機輔助的方法還是能夠讓工程技術人員來預測合金化對鋼的金相組織、性能和熱軋、熱處理、冷軋過程的影響。

合金化對鋼的一個非常好的作用體現在鋼的高強度和良好的可焊性。這種性能上的提升僅僅通過碳是不夠的，因為碳在焊接中會産生脆性區域。通過降低碳含量并加入少量像鎳(nickel)和錳(manganese)等強化材料可以實現鋼的高強度和良好的可焊性。理論上金屬強度的提高可以通過提高晶格對位錯(dislocation)（位錯是晶體和晶格中的缺陷，金屬的成形變化是位錯在晶體内運動的結果）運動的阻力來實現。當像鎳等元素存在于鐵素體固溶物裡面的時候，鎳原子嵌入到鐵的晶格中阻止了位錯運動，這種現象叫做固溶強化(solution hardening)。一種更加有效的提高強度的方法是析出強化(precipitation)，在這種方法中合金元素（例如：钛(titanium)、铌(niobium)、釩(vanadium)）在鋼的冷卻過程中不是存在于鐵素體的固溶體中，而是形成細小的、分散的碳化物或氮化物晶體，這些晶體能夠非常有效的阻止位錯運動。此外，大多數這種類型的晶體能夠形成很小的晶粒(gain)，這些細小的晶粒的析出具有成核作用，能夠在金屬冷卻再結晶(recrystallization)過程中阻止經曆的長大。産生細晶是另外一種鋼的強化方法，因為晶界同樣能夠阻止位錯運動。

由于合金元素通過阻止原子在鐵晶格中擴散來減緩同素異形體的轉化，因此合金化同樣能夠給熱處理帶來很大的影響，例如，通常由快速淬火得到的馬氏體也可以通過降低淬火速度來得到。通過減慢淬火速度能夠減少金屬的内部應力(internal stress)，更為重要的是能夠得到更厚的淬火深度。更好的淬透性可以通過添加錳、钼(molybdenum)、鉻(chromium)元素來獲得。此外，這些元素還能實現更高的回火溫度，從而使鋼在同樣的硬度和強度下具有更好的延展性。

2.5. 性能檢測

通常鋼的性能的檢測都是從檢測硬度開始的。硬度的檢測是通過在鋼的表面按壓金剛石椎體或硬鋼球來實現的。維氏硬度的測定人員使用頂角(included angle)為136°的金剛石棱錐體作為壓頭(indenter)，然後給壓頭施加10千克力（kgf）、30kgf或50kgf的載荷，印記的對角線通過光學儀器測量得到。維氏硬度通過施加的千克力除以印記的面積來表示，單位是千克力每平方毫米（kgf/mm^2）。抗拉強度(tensile strength)和屈服強度(yield strength)通過在液壓機上拉标準的機加工樣件，并且記錄樣件在拉長過程中（直至拉斷）的拉力變化來得到。評判鋼在冷成型過程中的重要指标--屈服強度等于伸長量為0.2%時的拉力除以被拉樣件的橫截面積。使用擺錘撞擊一個标準的帶有切口的棱柱樣件，記錄擊斷樣件時所做的功，從而可以得到材料的沖擊韌性(impact toughness)。沖擊韌性需要在不同的溫度下測量獲得，因為随着溫度的降低，材料的脆性會增加。

此外，在工業中鋼的機械性能還有許多其它的測量種類，像鐵軌的耐磨性、帶材的可拉拔性、線材的彎曲試驗等。在金相實驗室中，通過計算機電子顯微鏡來觀察打磨、蝕刻後的鋼樣件的金相組織。在實驗室中還會測量熱拉伸性和電磁特性，化學成分通過全自動的光普分析儀來測定。通常還會有一些無損檢驗(non-destructive test)，例如：超聲波檢測(ultrasonic test)、磁粉檢測(magnaflux test)，用以檢查褶皺(lamination)或裂紋(crack)等缺陷。

待續。。。關于鋼的那些事兒（二）：#3. 鋼的種類

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