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钢

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钢、铁、以及其他铁合金
铁碳合金中的相与显微组织
铁碳合金中的相
铁碳合金中的显微组织
平衡态组织
  • 珠光体（88%铁素体，12%滲碳體）
  • 莱氏体（珠光体及渗碳体的共晶混合物，含碳量4.3%）
非平衡态组织
钢（按成分分类）
碳钢（含碳量≤2.11%）
合金钢（含有碳以外的元素）
钢（按应用分类）
结构钢
机械零件钢
工模具钢
特殊环境用钢
其他含铁材料
铸铁（含碳量>2.11%）
锻铁（熟铁、工业纯铁，含碳量≤0.04%）
表示形式各种相态所需条件的铁碳合金相图，其中粒滴斑铁为奥氏体与滲碳體的共熔混合物，而α、β及δ为不同种类的铁素体
钢桥

钢或称钢铁、钢材，是一种由铁与其他元素结合而成的合金，当中最普遍的是碳，亦是现时最受广泛应用的金属材料。碳约占钢材重量的0.02%至2.0%，视乎钢材的等级。其他有时会用到的合金元素还包括锰、铬、钒和钨[1]。碳与其他元素有硬化剂的作用，能够防止铁原子的晶格因原子滑移过其他原子而出现位错。调整合金元素的量，及其存在于钢中的形式（溶质元素及参与相），就能够控制钢成品的特性，例如硬度、延展性及强度。加了碳的钢会比纯铁更硬更强，但是这种钢的延展性会比铁差。

含碳量高于2.0%的合金叫铸铁，因为这种合金的熔点较低，可铸性强[1]。钢又跟熟铁不同，熟铁可以含有少量的碳，但这些碳杂质都是夹杂在钢中的残留熔渣。钢有两种跟铸铁和熟铁不同的特性，就是钢的耐锈度较高，以及可焊度更佳。

尽管在文艺复兴之前很久，人们已经懂得使用各种低效的方法来生产钢，但是钢的普及化要等到十七世纪，也就是有了更高效的生产方法之后。自从在十九世纪发明了贝塞麦炼钢法之后，钢就成了一种可大量生产的廉价材料。后来炼钢法经过更多的改进，例如碱性氧气炼钢法，使得钢的生产价格更低，但同时品质更好。时至今日，钢已经成为世界上普遍的材质，年生产量达十三亿吨。在各种建筑、基础设施、工具、船只、汽车、机械、电器及武器中，钢都是一种主要的成分。现代钢铁一般用各种标准化团体所制定的不同品质标准来区分。

材质属性

煤矿提升塔上的钢缆

地球地壳上所有的天然铁都是以矿石的形式存在，一般为氧化铁，例如磁铁矿及赤铁矿等。要提取铁，就要把铁矿中的氧移除，让氧与其他的化学元素结合，例如碳。这个过程叫熔炼，最早应用于熔点较低的金属，例如熔点约为250 °C的锡及熔点约为1,100 ℃的铜。而铸铁的熔点则为1,375 ℃。这种温度用于青铜时代就已经有古老的方法就可以达到。由于氧化率在800 ℃以上时就会急剧增加，所以保持冶炼环境低氧是很重要的。跟铜与锡不同的是，液态铁能够很容易地溶解碳。熔炼所生成的合金（生铁）含碳量过高，因此还不能叫作钢[2]。后续的步骤会把多余的碳和氧除掉。

很多时候会向铁／碳化合物加入其他材料，来达至所需的特性。在钢里加入镍和锰会增加钢的强度，并使奥氏体的化学性质更加稳定，加入铬会使硬度及熔点上升，加入钒也可以使硬度上升，但同时更会减轻金属疲劳所带来的效应。为了防止腐蚀，最少会要加入11%的铬，这样表面就会生成一层硬的氧化物；这种合金叫不锈钢。钨能干预滲碳體的生成，使马氏体得以在较低的淬火率下生成，这样的成品叫高速钢。另一方面，硫、氮与磷会使钢变得更脆弱，因此必须从矿石中除掉这些普遍存在的元素[3]。

钢的密度会随合金的成分而改变，但一般介于7,750至8,050 kg/m3[4]。

即使在不同钢里面的浓度差异是如此的小，碳－钢混合物还是可以形成一些不同的结构，这些结构各自有着很不一样的特性。要炼出高品质的钢，是必须明白这些特性的。在室温下，铁最稳定的形式是体心立方晶格结构的α-铁素体。这是一种颇软的金属材料，而且只能溶解很小量的碳，于723 ℃时上限为0.021 wt%，而0 ℃时则为0.005%。在炼的温度下，若钢的含碳量超过0.021%，它就会转化为面心立方晶格的结构，叫奥氏体，或γ-铁。它亦是一种软的金属材料，但是它能溶解相当多的碳，于1,148 ℃达2.1%[5]，反映出钢的含碳量上限[6]。

当钢的含碳量少于0.8%时（叫亚共析钢），混合物会从奥氏体相冷却下来，尝试回到铁素体相，并因此会有多余的碳。其中一种能让碳脱离奥氏体的方法是，等滲碳體因沉淀离开混合物，这样剩下的铁纯度若足够地高，就能形成铁素体，得出滲碳體－铁素体混合物。滲碳體是一种既硬且脆的金属互化物，化学式为Fe3C。当钢的含碳量为0.8%时（共析钢），冷却的结构会形成珠光体，名称来自于与珍珠母类似的光泽。当钢的含碳量超过0.8%（过共析钢），冷却的结构则会形成珠光体和渗碳体[7]。

也许最重要的同质多形体是马氏体，因为它是一种介稳相，所以比其他钢相的强度要高很多。当钢处于奥氏体相时，再受到淬火后会形成马氏体，这是因为当晶格架构从面心立方转成体心立方时，原子需要被“冻结”在原位的缘故。视乎奥氏体相的碳含量，会形成不同的结构。当含碳量低于0.2%时，会形成体心立方结构的α-铁素体，而当含碳量较高时则会形成体心四方结构。从奥氏体到马氏体的变换，并不需要活化能。而且没有成分改变，因此原子一般保留变换前的邻居[8]。

马氏体的密度比奥氏体低，因此两者在互相变换时体积也会改变。所以在奥氏体转成马氏体时，会发生膨胀。这种膨胀所做成的内部应力，一般会对马氏体的晶体进行压缩，同时对余下的铁素体施行张力，并且还有相当量的剪应力作用于这两种成分上。如果淬火做得不完全的话，内部应力可能把会在冷却时导致断裂。在最低限度上，还会导致内部加工硬化及其他微观上的瑕疵。用水作冷却处理时，很多时候会形成断裂，尽管裂痕不一定可见[9]。

热处理

钢有多种不同的热处理过程。最常见的是退火及调质（淬火后回火）。退火是把钢高温加热到软化的过程。这个过程发生时会经过三个相：回复、再结晶及晶粒成长。钢退火所需的温度取决于退火的类型，以及合金的成分[10]。

调质（淬火后回火）在一开始时先把钢加热至奥氏体相，再用水或油进行冷却。急速的冷却导致马氏体结构既硬且脆[8]。此时再把钢作回火处理，其实就是一种更专门的退火形式。这样的退火（回火）过程会把一部分的马氏体转化成滲碳體，或球化珠光体，转化会减少钢内部的应力和瑕疵，因此钢最后会变得更有韧性，更不易断[9]。

钢材的生产

准备用来生产钢的铁矿堆
主条目：炼钢
参见：各国钢产量列表

当铁矿准备被商业过程提炼前，铁矿的含碳量仍然是太高。要得到钢，必须把矿石熔掉，并重新处理来减低含碳量至适当水平，而在这个时候还可以加入其他元素。然后把液体用连续铸造法铸成厚钢板，又或是用铸造法铸成钢锭。大约96%的钢是用连续铸造法处理，而只有4%的钢被铸成钢锭[11]。之后把钢放进均热炉里加热，再用热轧轧成厚钢板、钢块或钢坯。厚钢板会被热或冷轧成钢片或薄钢板。钢坯会被热或冷轧成钢条、钢棒及钢线。钢块则会被热或冷轧成结构钢，如工字梁及铁路轨道。在现代铸造厂中，这些过程一般会以装配线的形式运作，也就是铸造厂输入矿石，输出钢成品[12]。有时钢在轧完以后会再接受一次热处理，来增加强度，然而会这样做的厂商是相对地少[13]。

炼钢的历史

中世纪时的锻铁炉熔炼
主条目：黑色金属冶炼史

古代钢

自古以来，人们就已经知道钢的存在，当时的熔炼可能是用炼钢炉，或其他熔铁设施，而里面烧的是碳[14]。

已知最早的钢成品是一块铁器，出土于土耳其安那托利亚的卡曼－卡莱赫于克遗迹，约有四千年的历史[15]。其他古代钢来自东非，可追溯至公元前1400年[16]。在公元前4世纪，伊比利亚半岛出产了像利刃弯刀这种钢兵器，而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器[17]。在战国时代（公元前403－221年）中国用淬火来硬化钢材[18]，而到了汉朝（公元前202－公元220年），采用熟铁和铸铁熔在一起炼钢，以此技术在公元一世纪做出了中碳钢[19][20]。东非的哈亚人在接近2,000年前发明了一种高热高炉，使得他们在那个时候能用1,802 ℃的高温来锻造碳钢[21]。

乌兹钢（大马士革钢）

主条目：大马士革钢

高碳钢最早的生产证据出现于印度次大陆，出土地为斯里兰卡的莎玛纳拉威瓦。[22]印度在公元前300年就开始生产乌兹钢[23]。自从乌兹钢的锻造法在公元五世纪从印度传入了中国，中国人除了使用他们本身原创的锻钢法，也采用了乌兹钢的生产法[24]，做出来的钢叫做镔铁。在斯里兰卡，这种早期的炼钢法用到一种特殊的送风式炉，它用的风是季风，能够生产出高碳钢[25]。乌兹钢也叫大马士革钢，以其耐用性，与所制刀刃不易损而闻名。最早是由多种不同的材料制成，当中包括各种稀有元素。它本质上是一种以铁为主的复杂合金。最近研究指出，它的内部结构中含有碳纳米管，所以这可能就是它那有名特性的来源，介于当时的铸造技术有限，做出这种结构大概是出于偶然，而不是有意[26]。送风式炉用的是天然风，炉内放置含铁的土壤，并用木材加热。古代的僧伽罗人成功从每两吨的土壤中提炼出一整吨的钢材，在当时来说可谓成就卓越。考古学家在莎玛纳拉威瓦找到了这样的一个炉，并成功用古人的方法来生产钢铁[25][27]。

把纯铁与碳（一般是木炭）放在一起于坩埚内慢慢加热，冷却后就能得到坩埚钢，在公元九至十世纪前，梅尔夫这个地方就已经在生产坩埚钢。在十一世纪，有证据指出宋朝的中国共有两种炼钢法：一种把小量熟铁跟铸铁熔在一起，用于生产不均匀的次等钢；另一种是现代贝塞麦炼钢法的前身，透过在冷炉风下的重复锻造，达到不完全除碳的效果[28]。

现代炼钢

一座位于英格兰锡菲尔德的贝塞麦转炉

从十七世纪起，欧洲式炼钢的第一步就是用高炉把铁矿炼成生铁[29]。最早期炉子里烧的是木炭，现代方法则改为烧焦炭，事实证明后者要比前者便宜得多[30][31][32]。

从铁条开始的过程

主条目：渗碳法和坩埚钢

在这些过程中，生铁需要在精炼厂中接受精炼，以生产出铁条（熟铁），之后再拿铁条去炼钢[29]。

用渗碳法炼钢的程序被记载于一篇在1574年布拉格出版的论文中，并且早在1601年纽伦堡人就在用这方法炼钢。一本在1589年那不勒斯出版的书中有提及相近的方法，用于制作经表面硬化的盔甲与锉。这套程序在1614年被引入英格兰，而巴兹尔·布鲁克爵士于1610年代在什罗普郡的柯尔布鲁德尔生产这种钢[33]。这套方法的原材料是熟铁造的铁条。在十七世纪期间，最好的熟铁是瑞典斯德哥尔摩以北所产的厄勒格伦德铁。到了十九世纪这种铁还是最常用的原料，也就是在用这套方法的期间，几乎用的都是这种铁[34][35]。

在坩埚里烧出来的钢叫坩埚钢，它是没有经过锻造的，因此成品会比较均匀。以前大部分的炉都不能达到能熔掉钢的温度。现代的坩埚钢工业最早是由本杰明·汉特斯曼于1740年代的发明所衍生的。一般会把渗碳钢（以渗碳法制成的钢）放在坩埚或熔炉里面熔掉，然后铸成钢锭[35][36]。

从生铁开始的过程

位于勃兰登堡工业博物馆的一台西门子－马丁烤钢炉
从电弧炉倒出来的白热钢

炼钢的现代史从1858年[37][38] 引进亨利·贝塞麦的贝塞麦炼钢法开始。他的原料是生铁[39]。他的炼钢法让低成本大量生产变得可行，因此从前用熟铁的地方现在都用软钢[40]。吉尔克莱斯特-托马斯炼钢法（或基本贝塞麦炼钢法）是贝塞麦炼钢法的改良版，就是在转炉内部铺上一层盐基材料，以达到除磷的效果。炼钢的另一项改良就是西门子－马丁炼钢法，能够补足贝塞麦炼钢法的缺点[35]。

在使用碱性氧气炼钢的林茨－多纳维茨炼钢法出现后，上述的炼钢法都被淘汰了，碱性氧气炼钢法及其他氧气炼钢法是在1950年代被开发出来的。碱性氧气炼钢法比其他方法优胜是因为，被泵到表面上的氧气会限制杂质，而从前杂质能够从所用的空气中进入[41]。时至今日，用电弧炉来重新处理废金属是很常见的，处理后能生产出新的钢。它也可用于把生铁转化成钢，但需要使用大量电力（每吨需要约440 kWh），所以一般只能在有大量廉价电力供应的情况下才有经济效益[42]。

钢铁工业

英国的一家炼钢厂
2007年各国钢铁产量
参见：现代钢铁工业史、世界钢铁工业趋势、各国钢产量列表和钢铁生产商列表

现在我们都把钢和铁工业合称为“钢铁工业”，好像它们本身就是一个个体，但是在历史上它们是不同的产品。钢工业通常被用作经济进度的指标，因为钢在基础设施与整体经济发展中有着举足轻重的角色[43]。

在1980年，美国共有500,000名钢铁工人。到2000年，数量减至224,000人[44]。

中国与印度经济的急剧增长，导致近年对钢铁的需求量也跟着大量增加。在2000年至2005年之间，世界钢铁的需求量共增加了6%。自2000年起，好几家印度[45]及中国钢铁商成功突围而出，晋身世界一流，例如塔塔钢铁（于2007年收购柯以斯集团）、上海宝钢集团及江苏沙钢集团。然而，安赛乐米塔尔仍然是世界最大的钢铁生产商。

英国地质调查局指出，在2005年中国是世界第一名的钢铁生产国，占全球总产量的三分之一，而第二、三、四名分别为日本、俄罗斯及美国[46]。

伦敦金属交易所于2008年开始将钢材列入交易范围。在2008年底，钢铁工业面对了一场激烈的衰退，因此做了不少削减[47]。

现代钢材

在2003年关闭之前，位于美国宾夕法尼亚州伯利恒市的伯利恒钢铁是世界上最大的钢铁生产商。
参见：钢铁等级

为了满足各样不同的用途，现代钢材有着各种不同的合金金属组合[3]。碳钢的构成很简单，只有碳和铁两种元素，占钢材生产量的90% [1]。高强度低合金钢含有小量其他元素（正常重量最多占钢的2%），一般为1.5%锰，用于增加钢的强度，这样价格会高一点[48]。低合金钢是与其他元素合成的钢，通常为钼、镁、铬或镍，总加入量上限为钢重量的10%，用于加强厚部分的可硬化性[1]。不锈钢为了抵抗腐蚀（生锈），需要加入最少11%的铬，通常还会再加镍。一些不锈钢，如铁素体不锈钢带磁性，而奥氏体不锈钢则不带磁性[49]。

其他更现代的钢材还包括工具钢，合金元素为大量的钨与钴或其他元素，它们能够使固体溶液强化的效果最大化。同时还使析出硬化变得可行，并因此加强了钢的耐热性[1]。工具钢一般用于制作斧头、钻头及其他需要又锋利又耐久刃面的设备。其他特殊用的钢还包括耐候钢，例如高登钢，在风化作用下会生成一层稳定的氧化表层，因而可以在不需涂漆就能在户外使用[50]。

还有其他高强度钢，例如双相钢，它是用热处理来使其钢体同时含有铁素体及马氏体微结构，因此强度较一般钢高[51]。相变诱发塑性钢也就是TRIP钢，是一种含有残余奥氏体的低碳、低合金高强度钢。TRIP效应是指残余奥氏体向马氏体转变使得强度和塑性同时提高的效应。TRIP钢的典型显微组织主要由铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成，可能还有少量马氏体。碳是奥氏体的稳定化学元素，碳含量太低，则不会产生TRIP效应，但是碳含量过高，会造成焊接效能下降。硅是铁素体元素，不仅可以增加参与奥氏体稳定性，还能够抑制冷却过程中滲碳體的形成。更高的硅和碳含量会使TRIP钢中的残余奥氏体体积分数提高。[52]。麻时效钢是铁、镍及其他元素的合金，但与其他钢不同的是，它基本上不含碳，所以就生成了一种强度非常高，但同时带有延展性的金属[53]。双晶诱发塑性钢用一种特殊的应变，来增加加工硬化对合金的有效度[54]。埃格林钢用了超过十二种的元素，以不同量的组合来做出一种可用于碉堡破坏弹等武器的合金，而且成本相对地低。哈特菲钢（以罗伯特·哈特菲爵士命名）含有12-14%的锰，能在磨损时生成一层极硬的表层，防止磨耗。应用例子包括坦克履带、推土机上的推土刀边缘，以及生命之钳的切割刃[55]。

大部分常用钢铁合金，一般用各种标准化团体所制定的不同品质标准来区分。例如，汽车工程师协会有一系列的等级，区分很多种不同的钢铁[56]。美国材料和试验协会有另外一套标准，将合金进行区分，例如美国最常用的结构钢A36钢[57]。

将钢热浸于锌中或在钢上电镀上一层锌，这样能保护表层防止生锈，虽然这种镀锌钢不是一种合金，但是它也是一种常用的钢[58]。

用途

钢棉

铁和钢都被广泛地应用于建造道路、铁路、其他基础设施、设备与建筑。大部分的现代架构，诸如体育场与摩天大楼、桥梁与机场，都是用钢制的支架来支撑。就算是用混凝土的结构，也要用钢筋来加固。此外，钢在家用电器与汽车制造都有广泛应用。尽管用铝的汽车主体正在增加，但是它们的主要材料仍然是钢。钢也被用于各种建造用的材料，例如螺栓、钉子及螺丝[59]。其他常见应用还包括造船、输送管道、采矿、离岸建设、航天、白色家电（如洗衣机）、工程作业车辆（如推土机）、办公室家具、钢棉、工具及个人用背心式盔甲或载具用装甲（当中最有名的是轧压均质装甲）。钢还是不少现代雕塑家喜用的金属素材。

历史上

碳钢刀

在引进贝塞麦炼钢法及其他现代方法以前，钢是价值不菲的，所以只在没有更便宜替代品的情况下使用，尤其是各种需要又硬又锋利刀刃的切割工具，例如刀子、刮胡刀、剑等。钢也被用于制作弹簧，包括钟表里的弹簧[35]。自从生产方法改进，变得更迅速更节约后，要得到钢就比较容易，价格也因而降下来，二十世纪后期塑胶的出现，使得钢的一些应用被取代，因为塑胶成本更低，而且重量更轻[60]。

长钢

悬挂着架空高压线的钢塔

扁碳钢

不锈钢

不锈钢制的酱料船
主条目：不锈钢

低背景钢

由于核试的关系，所以在第二次世界大战之后生产的钢，会受到放射性同位素的污染。于是1945年之前生产的钢，被称为低背景钢，这种钢材被用于对辐射敏感的特定用途，例如盖革计数器及辐射屏蔽。

另见

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参考书目

延伸阅读

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