#3. 鋼的種類

目前全世界公布的、注冊的或標(biāo)準(zhǔn)化的鋼的種類有幾千多種，每一種都有不同的化學(xué)成分，不同的國家或者組織把鋼進(jìn)行了系統(tǒng)化的標(biāo)號。此外，如果再計(jì)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，那么在實(shí)際應(yīng)用中可供選擇的種類則會(huì)是一個(gè)相當(dāng)巨大的數(shù)量。雖然數(shù)量龐大，但鋼仍舊可以根據(jù)化學(xué)成分、應(yīng)用、形狀和表面條件進(jìn)行分類。

3.1. 化學(xué)成分

按照化學(xué)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)。所有的鋼里面都包含了一些從煉鋼過程中殘留下來的雜質(zhì)元素，包括在鋼包(ladle)除氧(deoxidation)的過程中殘留的錳、硅或者鋁；在高爐(blast furnace)中的礦石(ore)和燃料(fuel)里殘留下來的磷(phosphorus)和硫(sulfur)；在煉鋼爐(steelmaking furnace)中添加的廢鋼(scrap)帶來的雜質(zhì)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(yīng)用最為廣泛，占全球所有鋼產(chǎn)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(dá)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、硅、鋁、鎳、鉻、鈷、鉬、釩、鎢、鈦、鈮、鋯、氮、硫、銅、硼、鉛、碲、錫。

3.2. 應(yīng)用

鋼的廣泛應(yīng)用正體現(xiàn)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：低碳薄板鋼(sheet steel)能滿足車身所需要的深拉(deep drawn)特性、中碳結(jié)構(gòu)鋼(structural steel)、板材(plate steel)和線材(wire steel)能夠滿足建筑行業(yè)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(shí)才使用合金鋼。

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

高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)用在需要高強(qiáng)度、良好的可焊性以及在空氣環(huán)境中有很好的抗腐蝕性的應(yīng)用中。這種鋼屬于低碳鋼的范圍，同時(shí)含有一定數(shù)量的（一種或幾種）像鉻、鎳、鉬、釩、鈦、鈮等元素。HSLA鋼常用在氣體管道、船舶、海上天然氣鉆井平臺(tái)和儲(chǔ)存罐等應(yīng)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(shí)還會(huì)含有少量的碲和錫。這些元素實(shí)質(zhì)上組成的是雜質(zhì)(inclusion)，通常需要在鋼中避免存在，但類應(yīng)用恰好需要把長流線打斷，以便易于加工成小零件。應(yīng)用高速切削鋼能夠使加工工具和工件保持干凈，在提高技工速度的同時(shí)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(yè)像破碎機(jī)、挖土機(jī)等巖礦處理設(shè)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(qiáng)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(fā)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(jìn)行“打擊”變形的過程中在晶格中產(chǎn)生了大量影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的“畸變”，也就是說對鋼的“打擊”越多鋼就越強(qiáng)。用在預(yù)應(yīng)力混凝土(prestressed concrete)和汽車輪胎中的高強(qiáng)度冷拔鋼絲就是通過這種方法生產(chǎn)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(qiáng)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(yè)用鋼的一個(gè)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%的鉬，在熱處理后具有非常大的硬度。更重要的一點(diǎn)是，在軸承鋼煉鋼過程中經(jīng)過了真空除雜質(zhì)的方式，使軸承鋼非常的純凈。因?yàn)樵谳S承鋼中雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)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. 不銹鋼(stainless steel)

不銹鋼是通過加入大于10.5%的鉻，在鋼的表面形成鉻氧化物的保護(hù)膜，這個(gè)保護(hù)膜會(huì)在損壞了之后進(jìn)行自我修復(fù)來實(shí)現(xiàn)防銹功能。不銹鋼又分為三大部分：奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼（關(guān)于奧氏體、鐵素體和馬氏體的簡介參考本系列文章“關(guān)于鋼的那些事兒（一）”）。

其中抗腐蝕性最好的是奧氏體不銹鋼。這類鋼的金相組織由呈面心立方(face centre cubic (fcc))結(jié)構(gòu)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(qiáng)的奧氏體成型元素，而且有時(shí)候會(huì)用錳來替代鎳）。奧氏體鋼不能被熱處理強(qiáng)化，同時(shí)它們也是沒有磁性的。應(yīng)用最多的不銹鋼種類是18/8（或者叫做304）不銹鋼，其中有18%的鉻和8%的鎳。

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

有一種特殊的不銹鋼是在高溫下使用（例如，800° C），可以通過固溶強(qiáng)化使其在高溫下具有很高的強(qiáng)度。這種鋼有25%的鉻和20%的鎳，此外還加入了鈮和鈦的碳化物(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(fā)動(dòng)機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)中，則使用高溫合金(super alloy)。高溫合金的結(jié)構(gòu)和工作等原理和鋼一樣，只不過它的主要成分不像鋼一樣是鐵，而是鎳、鈷或者兩者都有，有時(shí)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(dá)到其熔點(diǎn)的80%。

3.2.6. 電工鋼(electrical steel)

在發(fā)電和輸電領(lǐng)域使用的是硅含量很高的電工鋼。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(shí)每片電工鋼都彼此絕緣來減少由渦流產(chǎn)生的電流損失和熱量損失。通過把硅含量提高到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，其中硅含量為3.5%，經(jīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用上的總體數(shù)量比較少，一般都是按公斤進(jìn)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(shè)備上。工具鋼包含很穩(wěn)定的碳化鎢、碳化鉬、碳化釩和碳化鉻，有時(shí)也會(huì)加入鈷或鎳來提高高溫性能。

3.3. 鋼的形狀和表面

通常情況下，鋼的產(chǎn)品為扁平材（此處用“扁平材(flat)”這個(gè)概念來與具體的“板材(plate)”進(jìn)行區(qū)分）和長材(long product)。這兩類產(chǎn)品都可以通過熱軋(hot rolling)、冷軋(cold rolling)和表面處理(coating)工藝來達(dá)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：板材(plate)、薄板材(sheet)、帶材(strip)。從成型方式包括：熱軋板材(hot-rolled plate)、熱軋板薄材(hot-rolled sheet)、冷軋薄板材(cold-rolled sheet)、熱軋帶材(hot-rolled strip)、冷軋帶材(cold-rolled strip)。這些產(chǎn)品都是由板坯(slab)（板坯通常是中間過程產(chǎn)品，一般不用做成品銷售）通過軋制而成，板坯由連鑄機(jī)(continuous caster)或板坯軋機(jī)(slab mill)通過軋制鑄坯獲得。板坯一般的厚度為50mm-250mm，寬度為0.6m-2.6m，長度可以達(dá)到12m。

板材可以由板坯或者鑄坯通過熱軋獲得，最大的尺寸根據(jù)板坯或鑄坯的寬度、軋機(jī)尺寸和輔助設(shè)備來決定。厚度最薄可以達(dá)到5mm，但通常很厚（25mm），最厚可以達(dá)到200mm。板材的寬度通常在1.5m-3.5m之間，但有廠家可以軋到5.5m寬。最大的軋機(jī)所生產(chǎn)的板材最大長度可以到35m。板材通常以小批量、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）的方式生產(chǎn)。板材的邊緣可以根據(jù)訂單需要生產(chǎn)成軋制狀態(tài)、機(jī)械切割狀態(tài)、機(jī)加工狀態(tài)或氣割狀態(tài)進(jìn)行交付。板材有時(shí)也會(huì)通過復(fù)合軋制的方式覆蓋上一層防腐板帶材。

通過熱軋帶材軋機(jī)生產(chǎn)的熱軋帶材通常是一個(gè)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(jī)的能力。通常大卷會(huì)被分成幾個(gè)窄卷，或者對邊部進(jìn)行修剪，或者在精整工藝段從長度上剪切成薄板。熱卷或薄板的表面在熱軋狀態(tài)或除鱗(scale)+涂油狀態(tài)進(jìn)行交付。

冷軋帶材通過進(jìn)一步對熱軋帶材進(jìn)行軋制獲得，根據(jù)設(shè)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板（通過專用剪切線進(jìn)行加工）的形式出廠產(chǎn)品。冷軋產(chǎn)品有很多不同的表面交付狀態(tài)，例如粗糙度、表面電解清潔、表面化學(xué)處理、表面涂油、表面金屬（鋅、錫、鉻、鋁）鍍層或有機(jī)物涂層。冷軋產(chǎn)品對尺寸公差有著非?？量痰囊髞頋M足汽車行業(yè)或工業(yè)消費(fèi)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 坯料及產(chǎn)品

大方（矩形）坯和小方坯和板坯一樣都屬于中間產(chǎn)品，通過連鑄或方坯軋機(jī)(bloom mill)生產(chǎn)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(shí)際上，大方（矩形）坯和小方坯的尺寸不是嚴(yán)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(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品其直徑可以達(dá)到250mm，有時(shí)通過冷拔(cold drawn)成型，然后其尺寸精度通過機(jī)加工來保證。圓棒中一類重要的產(chǎn)品是鋼筋(renforcing bar)，直徑范圍在10mm-50mm，為混凝土結(jié)構(gòu)提供預(yù)緊(tensile strength)力來承受彎曲載荷。一些棒材軋機(jī)也生產(chǎn)小槽鋼、角鋼、T型鋼、Z型鋼、最大法蘭長度為75mm的鋼板樁。

熱軋線材(hot-rolled wire)的直徑在5.5mm-12.5mm，成卷發(fā)貨，重量可達(dá)2噸。線材的另外一類重要產(chǎn)品是冷拔線材，通常在表面報(bào)上一層金屬材料用以防腐。線材的應(yīng)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、標(biāo)準(zhǔn)I型梁、槽鋼、角鋼、T型鋼、Z型鋼、H型樁、板樁。所有這些形狀的鋼材都是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，每一家鋼廠都有對應(yīng)產(chǎn)品的價(jià)格清單。鐵軌鋼都是按照國標(biāo)來生產(chǎn)，但也有起重設(shè)備軌道等特殊應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。

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(dá)到500mm、壁厚10mm。由厚板(haevy plate)焊接而成的管道通常也是采用直線焊接的方式，首先把厚板彎成U型或O型，然后沿著連接縫進(jìn)行直線焊接，其直徑可達(dá)800mm-2000mm、壁厚180mm。

圖2 直線焊接管材預(yù)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(jìn)行，直徑可達(dá)1500mm。

圖3 螺旋焊接管產(chǎn)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(dá)15mm，特殊軋機(jī)可以軋制直徑為650mm的無縫鋼管。

圖4 無縫鋼管產(chǎn)品

關(guān)于直線焊接管、螺線焊接管和無縫管的制造工藝及設(shè)備會(huì)在后面的章節(jié)中介紹到。

此外，對于小直徑管還能夠通過縮管機(jī)或冷拔拉床加工得到。管材的出廠狀態(tài)通常是對兩端進(jìn)行機(jī)加工來配合不同的鏈接方式，表面涂上有機(jī)材料。

3.4. 標(biāo)準(zhǔn)(standard)

大多數(shù)工業(yè)國家對鋼材產(chǎn)品的規(guī)格和檢驗(yàn)方法都有各自的標(biāo)準(zhǔn)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)，還有我國的國標(biāo)GB。此外，很多的組織和協(xié)會(huì)根據(jù)特殊產(chǎn)品的應(yīng)用也都發(fā)布了很多產(chǎn)品規(guī)范和手冊。需要說的是，每一家鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)也都對自己所能生產(chǎn)交付的鋼種進(jìn)行了公布，并且通常都有自己的注冊商標(biāo)。