上一篇文章的兩個章節中，對鋼這種在生活和工業中廣泛使用金屬從特點和特性上進行了介紹，本段内容繼續對鋼的種類從工業生産應用的角度進行介紹。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。

#3. 鋼的種類

目前全世界公布的、注冊的或标準化的鋼的種類有幾千多種，每一種都有不同的化學成分，不同的國家或者組織把鋼進行了系統化的标号。此外，如果再計算上不同的熱處理方式、不同的金相組織、不同的冷成型條件、不同的形狀和不同的表面處理方式等因素，那麼在實際應用中可供選擇的種類則會是一個相當巨大的數量。雖然數量龐大，但鋼仍舊可以根據化學成分、應用、形狀和表面條件進行分類。

3.1. 化學成分

按照化學成分，鋼能夠分為三大類：碳鋼(carbon steel)、低合金鋼(low-alloy steel)、高合金鋼(high-alloy steel)。所有的鋼裡面都包含了一些從煉鋼過程中殘留下來的雜質元素，包括在鋼包(ladle)除氧(deoxidation)的過程中殘留的錳、矽或者鋁；在高爐(blast furnace)中的礦石(ore)和燃料(fuel)裡殘留下來的磷(phosphorus)和硫(sulfur)；在煉鋼爐(steelmaking furnace)中添加的廢鋼(scrap)帶來的雜質銅(copper)和其它金屬元素，這些總量加在一起的不超過1%元素則不能叫做合金成分。

在所有的鋼種中，碳鋼的應用最為廣泛，占全球所有鋼産量的90%。它們通常劃分為：含碳量大于0.5%的高碳鋼、含碳量在0.2%-0.49%之間的中碳鋼、含碳量在0.05%-0.19%之間的低碳鋼、含碳量在0.015%-0.05%之間的超低碳鋼和含碳量小于0.015%的超超低碳鋼。

低合金鋼中的合金含量可以達到8%，大于此合金含量的鋼為高合金鋼。除了碳元素以外有大約20種元素可以作為合金，其中包括：錳、矽、鋁、鎳、鉻、钴、钼、釩、鎢、钛、铌、锆、氮、硫、銅、硼、鉛、碲、錫。

3.2. 應用

鋼的廣泛應用正體現了這種金屬材料的多功能性，其中碳鋼就能滿足最常使用的部分，最常用的例子是：低碳薄闆鋼(sheet steel)能滿足車身所需要的深拉(deep drawn)特性、中碳結構鋼(structural steel)、闆材(plate steel)和線材(wire steel)能夠滿足建築行業中的需求，此外還有高碳軌道鋼等對不同含碳量的鋼的幾百種需求，在碳鋼的性能不能滿足使用要求時才使用合金鋼。

3.2.1. 高強度低合金鋼(high-strength low-alloy steel (HSLA))

高強度低合金鋼(HSLA)用在需要高強度、良好的可焊性以及在空氣環境中有很好的抗腐蝕性的應用中。這種鋼屬于低碳鋼的範圍，同時含有一定數量的（一種或幾種）像鉻、鎳、钼、釩、钛、铌等元素。HSLA鋼常用在氣體管道、船舶、海上天然氣鑽井平台和儲存罐等應用中。

3.2.2. 高速切削鋼(free-machining steel)

高速切削鋼用于加工和制造螺栓、螺紋、螺母，其中含0.35%的硫和0.35%的鉛，有時還會含有少量的碲和錫。這些元素實質上組成的是雜質(inclusion)，通常需要在鋼中避免存在，但類應用恰好需要把長流線打斷，以便易于加工成小零件。應用高速切削鋼能夠使加工工具和工件保持幹淨，在提高技工速度的同時還能提高加工工具的壽命。

3.2.3. 耐磨鋼(wear-resistant steel)

耐磨鋼通常用于礦山行業像破碎機、挖土機等岩礦處理設備。耐磨鋼通常是含碳量在1.2%、含錳量在12%的奧氏體鋼。其中錳元素是一種很強的奧氏體成型元素，能夠使鋼在室溫下形成奧氏體。錳鋼通常也叫做哈德菲爾德(Hadfield)鋼，用它發明者羅伯特·哈德菲爾德(Robert Hadfield)的名字來命名。

耐磨鋼具有很高的加工硬化(work-hardening)能力，也就是在對鋼的表面進行“打擊”變形的過程中在晶格中産生了大量影響位錯運動的“畸變”，也就是說對鋼的“打擊”越多鋼就越強。用在預應力混凝土(prestressed concrete)和汽車輪胎中的高強度冷拔鋼絲就是通過這種方法生産的。在特殊情況下，用耐磨鋼制造的含碳量為0.8%的鋼琴線能夠擁有275kgf/mm^2的抗拉強度。

3.2.4. 軸承鋼(bearing steel)

制造滾柱和滾柱軸承用的軸承鋼是工業用鋼的一個重要組成部分。軸承鋼通常含1%的碳、1.2%的鉻、0.25%的鎳和0.25%的钼，在熱處理後具有非常大的硬度。更重要的一點是，在軸承鋼煉鋼過程中經過了真空除雜質的方式，使軸承鋼非常的純淨。因為在軸承鋼中雜質會産生應力集中(stress concentration)，降低軸承鋼的疲勞壽命(fatigue life)，給軸承鋼帶來非常大的危害。

3.2.5. 不鏽鋼(stainless steel)

不鏽鋼是通過加入大于10.5%的鉻，在鋼的表面形成鉻氧化物的保護膜，這個保護膜會在損壞了之後進行自我修複來實現防鏽功能。不鏽鋼又分為三大部分：奧氏體不鏽鋼、鐵素體不鏽鋼和馬氏體不鏽鋼（關于奧氏體、鐵素體和馬氏體的簡介參考本系列文章“關于鋼的那些事兒（一）”）。

其中抗腐蝕性最好的是奧氏體不鏽鋼。這類鋼的金相組織由呈面心立方(face centre cubic (fcc))結構的固溶物組成,所有的合金元素都保持在了固溶物之中，包含了16%-26%的鉻和35%的鎳（鎳和上面提到的錳一樣是很強的奧氏體成型元素，而且有時候會用錳來替代鎳）。奧氏體鋼不能被熱處理強化，同時它們也是沒有磁性的。應用最多的不鏽鋼種類是18/8（或者叫做304）不鏽鋼，其中有18%的鉻和8%的鎳。

鐵素體和馬氏體不鏽鋼的金相組織中都是呈體心立方的結構(body centre cubic (bcc))，其中馬氏體不鏽鋼的含碳量更高，可以到1.2%，能夠被強化，常用于制作刀等工具。鐵素體不鏽鋼僅含0.12%的碳，這兩種不鏽鋼都含11.5%-29%的鉻，不含鎳。它們的防鏽功能一般，但是具有鐵磁性。

有一種特殊的不鏽鋼是在高溫下使用（例如，800° C），可以通過固溶強化使其在高溫下具有很高的強度。這種鋼有25%的鉻和20%的鎳，此外還加入了铌和钛的碳化物(carbide)來鎖緊碳原子并且減少在晶界(crystal boundary)上鉻元素的消耗。對于更惡劣的情況，比如在航空發動機或者燃氣輪機中，則使用高溫合金(super alloy)。高溫合金的結構和工作等原理和鋼一樣，隻不過它的主要成分不像鋼一樣是鐵，而是鎳、钴或者兩者都有，有時候根本就沒有鐵或者含量不超過30%的鐵。高溫合金的最大工作溫度可以達到其熔點的80%。

3.2.6. 電工鋼(electrical steel)

在發電和輸電領域使用的是矽含量很高的電工鋼。通過把很多薄片電工鋼層疊在一起，使之在施加交流電的條件下具有電磁特性，同時每片電工鋼都彼此絕緣來減少由渦流産生的電流損失和熱量損失。通過把矽含量提高到4.5%可以得到高電阻。在變壓器中使用的是晶粒取向(grain-oriented)電工鋼，其中矽含量為3.5%，經過軋制和退火(annealing)處理，并且單位立方體的邊緣平行于軋制方向，這種結構能夠提高30%的磁通量密度(magnetic flux density)。

3.2.7. 工具鋼(tool steel)

含有貴合金的工具鋼的在應用上的總體數量比較少，一般都是按公斤進行買賣。工具鋼通常都具有高硬度、高耐磨性、高韌性，能夠承受局部過熱，常用用在有特殊需求的設備上。工具鋼包含很穩定的碳化鎢、碳化钼、碳化釩和碳化鉻，有時也會加入钴或鎳來提高高溫性能。

3.3. 鋼的形狀和表面

通常情況下，鋼的産品為扁平材（此處用“扁平材(flat)”這個概念來與具體的“闆材(plate)”進行區分）和長材(long product)。這兩類産品都可以通過熱軋(hot rolling)、冷軋(cold rolling)和表面處理(coating)工藝來達到不同的使用要求。

3.3.1. 扁平材

扁平形狀類的鋼材按照厚度從厚道薄分為：闆材(plate)、薄闆材(sheet)、帶材(strip)。從成型方式包括：熱軋闆材(hot-rolled plate)、熱軋闆薄材(hot-rolled sheet)、冷軋薄闆材(cold-rolled sheet)、熱軋帶材(hot-rolled strip)、冷軋帶材(cold-rolled strip)。這些産品都是由闆坯(slab)（闆坯通常是中間過程産品，一般不用做成品銷售）通過軋制而成，闆坯由連鑄機(continuous caster)或闆坯軋機(slab mill)通過軋制鑄坯獲得。闆坯一般的厚度為50mm-250mm，寬度為0.6m-2.6m，長度可以達到12m。

闆材可以由闆坯或者鑄坯通過熱軋獲得，最大的尺寸根據闆坯或鑄坯的寬度、軋機尺寸和輔助設備來決定。厚度最薄可以達到5mm，但通常很厚（25mm），最厚可以達到200mm。闆材的寬度通常在1.5m-3.5m之間，但有廠家可以軋到5.5m寬。最大的軋機所生産的闆材最大長度可以到35m。闆材通常以小批量、客戶訂制（包括：尺寸、平面度公差、外形公差、平直度公差和其它特性）的方式生産。闆材的邊緣可以根據訂單需要生産成軋制狀态、機械切割狀态、機加工狀态或氣割狀态進行交付。闆材有時也會通過複合軋制的方式覆蓋上一層防腐闆帶材。

通過熱軋帶材軋機生産的熱軋帶材通常是一個重量為10噸-35噸的大卷，熱軋帶材的厚度一般為1.5mm-12mm，厚度為0.7m-2m取決于軋機的能力。通常大卷會被分成幾個窄卷，或者對邊部進行修剪，或者在精整工藝段從長度上剪切成薄闆。熱卷或薄闆的表面在熱軋狀态或除鱗(scale) 塗油狀态進行交付。

冷軋帶材通過進一步對熱軋帶材進行軋制獲得，根據設備的能力，一般厚度為0.1mm-2mm，寬度可以到2m。鋼廠也是通過卷或單張薄闆（通過專用剪切線進行加工）的形式出廠産品。冷軋産品有很多不同的表面交付狀态，例如粗糙度、表面電解清潔、表面化學處理、表面塗油、表面金屬（鋅、錫、鉻、鋁）鍍層或有機物塗層。冷軋産品對尺寸公差有着非常苛刻的要求來滿足汽車行業或工業消費品市場的需要。

3.3.2. 長材(long product)

長材通過的軋制大方（矩形）坯(bloom)或小方坯(billet)來獲得，一般用大方（矩形）坯作為軋制型材的坯料，用小方坯作為軋制棒材的坯料，如圖1所示。

圖1 坯料及産品

大方（矩形）坯和小方坯和闆坯一樣都屬于中間産品，通過連鑄或方坯軋機(bloom mill)生産獲得。小方坯的橫截面積一般為50mm^2-125mm^2，大方坯的橫截面積一般為125mm^2-400mm^2。但實際上，大方（矩形）坯和小方坯的尺寸不是嚴格界定的，其相互之間有一定的交叉。

長材包括了：型材、鐵軌鋼、方棒、圓棒、線材、管材。方棒和圓棒的截面積形狀由方形、矩形、扁平、圓形、六邊形、八邊形。其中圓棒作為應用最廣泛的産品其直徑可以達到250mm，有時通過冷拔(cold drawn)成型，然後其尺寸精度通過機加工來保證。圓棒中一類重要的産品是鋼筋(renforcing bar)，直徑範圍在10mm-50mm，為混凝土結構提供預緊(tensile strength)力來承受彎曲載荷。一些棒材軋機也生産小槽鋼、角鋼、T型鋼、Z型鋼、最大法蘭長度為75mm的鋼闆樁。

熱軋線材(hot-rolled wire)的直徑在5.5mm-12.5mm，成卷發貨，重量可達2噸。線材的另外一類重要産品是冷拔線材，通常在表面報上一層金屬材料用以防腐。線材的應用非常廣泛，從輪胎鋼絲到橋梁拉索都能看到它的身影。

通常型鋼的形狀包括：寬法蘭I型梁、标準I型梁、槽鋼、角鋼、T型鋼、Z型鋼、H型樁、闆樁。所有這些形狀的鋼材都是标準化産品，每一家鋼廠都有對應産品的價格清單。鐵軌鋼都是按照國标來生産，但也有起重設備軌道等特殊應用領域的标準。

管材(tubular steel)分為焊接管(welded tube)和無縫管(seamless tube)兩大類。直線焊接管(longitudunally welded tube)，如圖2所示，其直徑可以達到500mm、壁厚10mm。由厚闆(haevy plate)焊接而成的管道通常也是采用直線焊接的方式，首先把厚闆彎成U型或O型，然後沿着連接縫進行直線焊接，其直徑可達800mm-2000mm、壁厚180mm。

圖2 直線焊接管材預處理 -- 彎管

還有一種是螺旋焊接管(spiral welded pipe)，如圖3所示，其焊接線沿螺線進行，直徑可達1500mm。

圖3 螺旋焊接管産品

無縫鋼管(seamless tube)，如圖4所示，通過對圓棒坯直接軋制而成，其直徑為120mm-400mm、厚度可達15mm，特殊軋機可以軋制直徑為650mm的無縫鋼管。

圖4 無縫鋼管産品

關于直線焊接管、螺線焊接管和無縫管的制造工藝及設備會在後面的章節中介紹到。

此外，對于小直徑管還能夠通過縮管機或冷拔拉床加工得到。管材的出廠狀态通常是對兩端進行機加工來配合不同的鍊接方式，表面塗上有機材料。

3.4. 标準(standard)

大多數工業國家對鋼材産品的規格和檢驗方法都有各自的标準體系，例如：ASTM(American Society for Testing and Materials, Philadelphia)、BS(British Standards Institute, London)、DIN(Deutsches Institut für Normung, Berlin)、JIS(Japanese Industrial Standards Committee, Tokyo)、EN(Comité Européen de Normalisation, Brussels)、ISO(International Organization for Standardization, Geneva)，還有我國的國标GB。此外，很多的組織和協會根據特殊産品的應用也都發布了很多産品規範和手冊。需要說的是，每一家鋼鐵生産企業也都對自己所能生産交付的鋼種進行了公布，并且通常都有自己的注冊商标。

待續。。。關于鋼的那些事兒（三）：#4. 一次煉鋼

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!