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#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(chǔ)建設(shè)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的材料。從一根針到油箱，以及生產(chǎn)這些產(chǎn)品的工具也是用鋼來制造的。

圖1 鋼的中間和最終產(chǎn)品

根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)：2020年全球粗鋼產(chǎn)量為187,800萬噸， 然而，在工業(yè)中應(yīng)用第二廣泛的鋁在2020年的全球產(chǎn)量為6,530萬噸（國際鋁業(yè)協(xié)會(huì)2020年全球原鋁產(chǎn)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(chǔ)）量（鐵礦石(ore)和廢鋼(scrap)）及其應(yīng)用廣泛的機(jī)械性能所決定的。

#2. 鋼的特性

2.1. 構(gòu)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(qiáng)度僅僅比銅強(qiáng)一點(diǎn)點(diǎn)。和其他金屬一樣一般情況下，固態(tài)的鐵是多晶體結(jié)構(gòu)(polycrystalline structure) -- 是由多個(gè)晶體(crystal)通過邊界相連而成。晶體是原子按照一定形式規(guī)則排列而成的，可以描畫成像球挨球一樣的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 固體的狀態(tài)

圖3 晶體中原子-晶胞-晶格的結(jié)構(gòu)關(guān)系簡圖

為了便于理解，只畫出原子的中心點(diǎn)，并用線將這些中心點(diǎn)連接起來，如圖3所示。把這些人為連接起來的線條所構(gòu)成的幾何結(jié)構(gòu)成為晶格(crystal lattice)，而把構(gòu)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(gè)鐵原子，空間四角各一個(gè)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態(tài)，另一種形態(tài)是面心立方體(face-centred cubic (fcc))，六個(gè)面的中心各有一個(gè)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(gè)晶胞是通過晶胞中的原子按照一定形式的規(guī)則緊密相連，因此單位晶胞中的每一個(gè)原子都是和其它晶胞進(jìn)行共享。如圖5所示，在bcc結(jié)構(gòu)和fcc結(jié)構(gòu)中，單位晶胞所包含的原子數(shù)量情況：bcc-2個(gè)原子，fcc-4個(gè)原子。

圖5 bcc和fcc中單位晶胞的結(jié)構(gòu)簡圖

因此，在原子直徑不變的情況下bcc和fcc結(jié)構(gòu)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)?？梢姡篴fcc/abcc = 1.225，也就是說fcc結(jié)構(gòu)的晶胞尺寸比bcc的晶胞尺寸長約22.5%，意味著：在固溶物(solid solution)中，fcc結(jié)構(gòu)比bcc結(jié)構(gòu)能夠容納更多的外來原子（在后面的合金化(alloying)中會(huì)進(jìn)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(guān)系

鐵在912°C以下（t < 912°C）以及1394°C至它的熔點(diǎn)1538°C（1394°C < t < 1538°C）的區(qū)間內(nèi)是bcc結(jié)構(gòu)的同素異形體狀態(tài)；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(qū)間912°C到1394°C之間（912°C < t < 1394°C），鐵的結(jié)構(gòu)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(gè)區(qū)間內(nèi)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(jié)構(gòu)(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(zhuǎn)變成鋼，起到強(qiáng)化的作用。在固態(tài)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(xiàn)象：在灰口鑄鐵(gray iron)中，碳呈現(xiàn)出雪花狀或簇狀碳纖維，其原因是其中的硅(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適用與碳和其它合金，例如鈦。

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態(tài)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隨著碳含量的增加而降低（這也就解釋了為什么含碳量為2%的灰口鑄鐵能夠在比鋼更低的溫度下進(jìn)行加工）。如圖7中經(jīng)過S點(diǎn)的虛線所示：含碳量為0.8%的熔融鋼在1475°C時(shí)開始凝固，在1400°C完全凝固。從此點(diǎn)開始隨著溫度降低，固體鋼為奧氏體，即碳融于fcc結(jié)構(gòu)的鐵中的間隙固溶體。隨著溫度的降低，在723°C的S點(diǎn)產(chǎn)生了巨大的變化：奧氏體晶體變成了由交錯(cuò)的片狀鐵素體和滲碳體（Fe3C）組成的細(xì)小的層狀結(jié)構(gòu)。這種金相組織叫做珠光體(pearlite)，這個(gè)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(dá)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(shí)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(dá)250kgf/mm^2。

圖7 鐵碳平衡圖

2.3. 熱處理的作用

調(diào)整鋼中的碳含量是改變鋼的機(jī)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(jī)械性能，例如：在奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變過程中（P-S-K線）加速冷卻（這個(gè)變化也叫做Ar1轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的鋼進(jìn)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(jìn)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(xì)小的珠光體和鐵素體，理論上來說，當(dāng)鋼迅速冷卻時(shí)，碳原子沒有足夠的時(shí)間從晶格中逃出來組成碳化物（滲碳體）。當(dāng)冷卻速度更快的時(shí)候，例如以1000°C/min的速度對(duì)鋼進(jìn)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(jié)構(gòu)叫做馬氏體(martensite)，其維氏硬度可以達(dá)到1000kgf/mm^2，這種結(jié)構(gòu)的鋼硬度非常高但也非常脆。對(duì)馬氏體組織進(jìn)行回火（也叫調(diào)制）(tempering)，即把馬氏體鋼進(jìn)行加熱到比如400°C，同時(shí)保持一段時(shí)間。這種方法能夠降低鋼的硬度和脆性，從而得到高強(qiáng)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(diào)制）的熱處理方法中的主要參數(shù)是冷卻速度、回火溫度和保溫時(shí)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(duì)鋼的金相組織、冷卻速度、回火溫度、保溫時(shí)間都有著很大的影響。這種方法實(shí)際上是改變了奧氏體和鐵素體之間的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，改變了固溶和擴(kuò)散的速度，同時(shí)與其他元素爭(zhēng)奪從而形成金屬化合物（例如：碳化物和氮化物）。對(duì)于合金化如何影響熱處理?xiàng)l件、金相組織和機(jī)械性能則需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累來得到。然而根據(jù)一定的基礎(chǔ)理論，通過計(jì)算機(jī)輔助的方法還是能夠讓工程技術(shù)人員來預(yù)測(cè)合金化對(duì)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(duì)鋼的一個(gè)非常好的作用體現(xiàn)在鋼的高強(qiáng)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?yàn)樘荚诤附又袝?huì)產(chǎn)生脆性區(qū)域。通過降低碳含量并加入少量像鎳(nickel)和錳(manganese)等強(qiáng)化材料可以實(shí)現(xiàn)鋼的高強(qiáng)度和良好的可焊性。理論上金屬強(qiáng)度的提高可以通過提高晶格對(duì)位錯(cuò)(dislocation)（位錯(cuò)是晶體和晶格中的缺陷，金屬的成形變化是位錯(cuò)在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果）運(yùn)動(dòng)的阻力來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)像鎳等元素存在于鐵素體固溶物里面的時(shí)候，鎳原子嵌入到鐵的晶格中阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做固溶強(qiáng)化(solution hardening)。一種更加有效的提高強(qiáng)度的方法是析出強(qiáng)化(precipitation)，在這種方法中合金元素（例如：鈦(titanium)、鈮(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(xì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)。此外，大多數(shù)這種類型的晶體能夠形成很小的晶粒(gain)，這些細(xì)小的晶粒的析出具有成核作用，能夠在金屬冷卻再結(jié)晶(recrystallization)過程中阻止經(jīng)歷的長大。產(chǎn)生細(xì)晶是另外一種鋼的強(qiáng)化方法，因?yàn)榫Ы缤瑯幽軌蜃柚刮诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)。

由于合金元素通過阻止原子在鐵晶格中擴(kuò)散來減緩?fù)禺愋误w的轉(zhuǎn)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內(nèi)部應(yīng)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、鉬(molybdenum)、鉻(chromium)元素來獲得。此外，這些元素還能實(shí)現(xiàn)更高的回火溫度，從而使鋼在同樣的硬度和強(qiáng)度下具有更好的延展性。

2.5. 性能檢測(cè)

通常鋼的性能的檢測(cè)都是從檢測(cè)硬度開始的。硬度的檢測(cè)是通過在鋼的表面按壓金剛石椎體或硬鋼球來實(shí)現(xiàn)的。維氏硬度的測(cè)定人員使用頂角(included angle)為136°的金剛石棱錐體作為壓頭(indenter)，然后給壓頭施加10千克力（kgf）、30kgf或50kgf的載荷，印記的對(duì)角線通過光學(xué)儀器測(cè)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）?？估瓘?qiáng)度(tensile strength)和屈服強(qiáng)度(yield strength)通過在液壓機(jī)上拉標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)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(píng)判鋼在冷成型過程中的重要指標(biāo)--屈服強(qiáng)度等于伸長量為0.2%時(shí)的拉力除以被拉樣件的橫截面積。使用擺錘撞擊一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的帶有切口的棱柱樣件，記錄擊斷樣件時(shí)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(cè)量獲得，因?yàn)殡S著溫度的降低，材料的脆性會(huì)增加。

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