关于钢的那些事儿（二）

关于钢的那些事⼉（⼆）
#3. 钢的种类
⽬前全世界公布的、注册的或标准化的钢的种类有⼏千多种，每⼀种都有不同的化学成分，不同的国家或者组织把钢进⾏了系统化的标号。

此外，如果再计算上不同的热处理⽅式、不同的⾦相组织、不同的冷成型条件、不同的形状和不同的表⾯处理⽅式等因素，那么在实际应⽤中可供选择的种类则会是⼀个相当巨⼤的数量。

虽然数量庞⼤，但钢仍旧可以根据化学成分、应⽤、形状和表⾯条件进⾏分类。

3.1. 化学成分
按照化学成分，钢能够分为三⼤类：碳钢(carbon steel)、低合⾦钢(low-alloy steel)、⾼合⾦钢(high-alloy steel)。

所有的钢⾥⾯都包含了⼀些从炼钢过程中残留下来的杂质元素，包括在钢包(ladle)除氧(deoxidation)的过程中残留的锰、硅或者铝；在⾼炉(blast furnace)中的矿⽯(ore)和燃料(fuel)⾥残留下来的磷(phosphorus)和硫(sulfur)；在炼钢炉(steelmaking furnace)中添加的废钢(scrap)带来的杂质铜(copper)和其它⾦属元素，这些总量加在⼀起的不超过1%元素则不能叫做合⾦成分。

在所有的钢种中，碳钢的应⽤最为⼴泛，占全球所有钢产量的90%。

它们通常划分为：含碳量⼤于0.5%的⾼碳钢、含碳量在0.2%-0.49%之间的中碳钢、含碳量在0.05%-0.19%之间的低碳钢、含碳量在0.015%-0.05%之间的超低碳钢和含碳量⼩于0.015%的超超低碳钢。

低合⾦钢中的合⾦含量可以达到8%，⼤于此合⾦含量的钢为⾼合⾦钢。

除了碳元素以外有⼤约20种元素可以作为合⾦，其中包括：锰、硅、铝、镍、铬、钴、钼、钒、钨、钛、铌、锆、氮、硫、铜、硼、铅、碲、锡。

3.2. 应⽤
钢的⼴泛应⽤正体现了这种⾦属材料的多功能性，其中碳钢就能满⾜最常使⽤的部分，最常⽤的例⼦是：低碳薄板钢(sheet steel)能满⾜车⾝所需要的深拉(deep drawn)特性、中碳结构钢(structural steel)、板材(plate steel)和线材(wire steel)能够满⾜建筑⾏业中的需求，此外还有⾼碳轨道钢等对不同含碳量的钢的⼏百种需求，在碳钢的性能不能满⾜使⽤要求时才使⽤合⾦钢。

3.2.1. ⾼强度低合⾦钢(high-strength low-alloy steel (HSLA))
⾼强度低合⾦钢(HSLA)⽤在需要⾼强度、良好的可焊性以及在空⽓环境中有很好的抗腐蚀性的应⽤中。

这种钢属于低碳钢的范围，同时含有⼀定数量的（⼀种或⼏种）像铬、镍、钼、钒、钛、铌等元素。

HSLA钢常⽤在⽓体管道、船舶、海上天然⽓钻井平台和储存罐等应⽤中。

3.2.2. ⾼速切削钢(free-machining steel)
⾼速切削钢⽤于加⼯和制造螺栓、螺纹、螺母，其中含0.35%的硫和0.35%的铅，有时还会含有少量的碲和锡。

这些元素实质上组成的是杂质(inclusion)，通常需要在钢中避免存在，但类应⽤恰好需要把长流线打断，以便易于加⼯成⼩零件。

应⽤⾼速切削钢能够使加⼯⼯具和⼯件保持⼲净，在提⾼技⼯速度的同时还能提⾼加⼯⼯具的寿命。

3.2.3. 耐磨钢(wear-resistant steel)
耐磨钢通常⽤于矿⼭⾏业像破碎机、挖⼟机等岩矿处理设备。

耐磨钢通常是含碳量在1.2%、含锰量在12%的奥⽒体钢。

其中锰元素是⼀种很强的奥⽒体成型元素，能够使钢在室温下形成奥⽒体。

锰钢通常也叫做哈德菲尔德(Hadfield)钢，⽤它发明者罗伯特·哈德菲尔德(Robert Hadfield)的名字来命名。

耐磨钢具有很⾼的加⼯硬化(work-hardening)能⼒，也就是在对钢的表⾯进⾏“打击”变形的过程中在晶格中产⽣了⼤量影响位错运动的“畸变”，也就是说对钢的“打击”越多钢就越强。

⽤在预应⼒混凝⼟(prestressed concrete)和汽车轮胎中的⾼强度冷拔钢丝就是通过这种⽅法⽣产的。

在特殊情况下，⽤耐磨钢制造的含碳量为0.8%的钢琴线能够拥有275kgf/mm^2的抗拉强度。

3.2.
4. 轴承钢(bearing steel)
制造滚柱和滚柱轴承⽤的轴承钢是⼯业⽤钢的⼀个重要组成部分。

轴承钢通常含1%的碳、1.2%的铬、0.25%的镍和0.25%的钼，在热处理后具有⾮常⼤的硬度。

更重要的⼀点是，在轴承钢炼钢过程中经过了真空除杂质的⽅式，使轴承钢⾮常的纯净。

因为在轴承钢中杂质会产⽣应⼒集
中(stress concentration)，降低轴承钢的疲劳寿命(fatigue life)，给轴承钢带来⾮常⼤的危害。

3.2.5. 不锈钢(stainless steel)
不锈钢是通过加⼊⼤于10.5%的铬，在钢的表⾯形成铬氧化物的保护膜，这个保护膜会在损坏了之后进⾏⾃我修复来实现防锈功能。

不锈钢⼜分为三⼤部分：奥⽒体不锈钢、铁素体不锈钢和马⽒体不锈钢（关于奥⽒体、铁素体和马⽒体的简介参考本系列⽂章“关于钢的那些事⼉（⼀）”）。

其中抗腐蚀性最好的是奥⽒体不锈钢。

这类钢的⾦相组织由呈⾯⼼⽴⽅(face centre cubic (fcc))结构的固溶物组成,所有的合⾦元素都保持在了固溶物之中，包含了16%-26%的铬和35%的镍（镍和上⾯提到的锰⼀样是很强的奥⽒体成型元素，⽽且有时候会⽤锰来替代镍）。

奥⽒体钢不能被热处理强化，同时它们也是没有磁性的。

应⽤最多的不锈钢种类是18/8（或者叫做304）不锈钢，其中有18%的铬和8%的镍。

铁素体和马⽒体不锈钢的⾦相组织中都是呈体⼼⽴⽅的结构(body centre cubic (bcc))，其中马⽒体不锈钢的含碳量更⾼，可以到1.2%，能够被强化，常⽤于制作⼑等⼯具。

铁素体不锈钢仅含0.12%的碳，这两种不锈钢都含11.5%-29%的铬，不含镍。

它们的防锈功能⼀般，但是具有铁磁性。

有⼀种特殊的不锈钢是在⾼温下使⽤（例如，800° C），可以通过固溶强化使其在⾼温下具有很⾼的强度。

这种钢有25%的铬和20%的镍，此外还加⼊了铌和钛的碳化物(carbide)来锁紧碳原⼦并且减少在晶界(crystal boundary)上铬元素的消耗。

对于更恶劣的情况，⽐如在航空发动机或者燃⽓轮机中，则使⽤⾼温合⾦(super alloy)。

⾼温合⾦的结构和⼯作等原理和钢⼀样，只不过它的主要成分不像钢⼀样是铁，⽽是镍、钴或者两者都有，有时候根本就没有铁或者含量不超过30%的铁。

⾼温合⾦的最⼤⼯作温度可以达到其熔点的80%。

3.2.6. 电⼯钢(electrical steel)
在发电和输电领域使⽤的是硅含量很⾼的电⼯钢。

通过把很多薄⽚电⼯钢层叠在⼀起，使之在施加交流电的条件下具有电磁特性，同时每⽚电⼯钢都彼此绝缘来减少由涡流产⽣的电流损失和热量损失。

通过把硅含量提⾼到4.5%可以得到⾼电阻。

在变压器中使⽤的是晶粒取向(grain-oriented)电⼯钢，其中硅含量为3.5%，经过轧制和退⽕(annealing)处理，并且单位⽴⽅体的边缘平⾏于轧制⽅向，这种结构能够提⾼30%的磁通量密度(magnetic flux density)。

3.2.7. ⼯具钢(tool steel)
含有贵合⾦的⼯具钢的在应⽤上的总体数量⽐较少，⼀般都是按公⽄进⾏买卖。

⼯具钢通常都具有⾼硬度、⾼耐磨性、⾼韧性，能够承受局部过热，常⽤⽤在有特殊需求的设备上。

⼯具钢包含很稳定的碳化钨、碳化钼、碳化钒和碳化铬，有时也会加⼊钴或镍来提⾼⾼温性能。

3.3. 钢的形状和表⾯
通常情况下，钢的产品为扁平材（此处⽤“扁平材(flat)”这个概念来与具体的“板材(plate)”进⾏区分）和长材(long product)。

这两类产品都可以通过热轧(hot rolling)、冷轧(cold rolling)和表⾯处理(coating)⼯艺来达到不同的使⽤要求。

3.3.1. 扁平材
扁平形状类的钢材按照厚度从厚道薄分为：板材(plate)、薄板材(sheet)、带材(strip)。

从成型⽅式包括：热轧板材(hot-rolled plate)、热轧板薄材(hot-rolled sheet)、冷轧薄板材(cold-rolled sheet)、热轧带材(hot-rolled strip)、冷轧带材(cold-rolled strip)。

这些产品都是由板坯(slab)（板坯通常是中间过程产品，⼀般不⽤做成品销售）通过轧制⽽成，板坯由连铸机(continuous caster)或板坯轧机(slab mill)通过轧制铸坯获得。

板坯⼀般的厚度为50mm-250mm，宽度为
0.6m-2.6m，长度可以达到12m。

板材可以由板坯或者铸坯通过热轧获得，最⼤的尺⼨根据板坯或铸坯的宽度、轧机尺⼨和辅助设备来决定。

厚度最薄可以达到5mm，但通常很厚（25mm），最厚可以达到200mm。

板材的宽度通常在1.5m-3.5m之间，但有⼚家可以轧到5.5m宽。

最⼤的轧机所⽣产的板材最⼤长度可以到35m。

板材通常以⼩批量、客户订制（包括：尺⼨、平⾯度公差、外形公差、平直度公差和其它特性）的⽅式⽣产。

板材的边缘可以根据订单需要⽣产成轧制状态、机械切割状态、机加⼯状态或⽓割状态进⾏交付。

板材有时也会通过复合轧制的⽅式覆盖上⼀层防腐板带材。

通过热轧带材轧机⽣产的热轧带材通常是⼀个重量为10吨-35吨的⼤卷，热轧带材的厚度⼀般为1.5mm-12mm，厚度为0.7m-2m取决于轧机的能⼒。

通常⼤卷会被分成⼏个窄卷，或者对边部
进⾏修剪，或者在精整⼯艺段从长度上剪切成薄板。

热卷或薄板的表⾯在热轧状态或除鳞(scale)+涂油状态进⾏交付。

冷轧带材通过进⼀步对热轧带材进⾏轧制获得，根据设备的能⼒，⼀般厚度为0.1mm-
2mm，宽度可以到2m。

钢⼚也是通过卷或单张薄板（通过专⽤剪切线进⾏加⼯）的形式出⼚产品。

冷轧产品有很多不同的表⾯交付状态，例如粗糙度、表⾯电解清洁、表⾯化学处理、表⾯涂油、表⾯⾦属（锌、锡、铬、铝）镀层或有机物涂层。

冷轧产品对尺⼨公差有着⾮常苛刻的要求来满⾜汽车⾏业或⼯业消费品市场的需要。

3.3.2. 长材(long product)
长材通过的轧制⼤⽅（矩形）坯(bloom)或⼩⽅坯(billet)来获得，⼀般⽤⼤⽅（矩形）坯作为轧制型材的坯料，⽤⼩⽅坯作为轧制棒材的坯料，如图1所⽰。

图1 坯料及产品
⼤⽅（矩形）坯和⼩⽅坯和板坯⼀样都属于中间产品，通过连铸或⽅坯轧机(bloom mill)⽣产获得。

⼩⽅坯的横截⾯积⼀般为50mm^2-125mm^2，⼤⽅坯的横截⾯积⼀般为125mm^2-
400mm^2。

但实际上，⼤⽅（矩形）坯和⼩⽅坯的尺⼨不是严格界定的，其相互之间有⼀定的交叉。

长材包括了：型材、铁轨钢、⽅棒、圆棒、线材、管材。

⽅棒和圆棒的截⾯积形状由⽅形、矩形、扁平、圆形、六边形、⼋边形。

其中圆棒作为应⽤最⼴泛的产品其直径可以达到250mm，有时通过冷拔(cold drawn)成型，然后其尺⼨精度通过机加⼯来保证。

圆棒中⼀类重要的产品是钢筋(renforcing bar)，直径范围在10mm-50mm，为混凝⼟结构提供预紧(tensile strength)⼒来承受弯曲载荷。

⼀些棒材轧机也⽣产⼩槽钢、⾓钢、T型钢、Z型钢、最⼤法兰长度为75mm的钢板桩。

热轧线材(hot-rolled wire)的直径在5.5mm-12.5mm，成卷发货，重量可达2吨。

线材的另外⼀类重要产品是冷拔线材，通常在表⾯报上⼀层⾦属材料⽤以防腐。

线材的应⽤⾮常⼴泛，从轮胎钢丝到桥梁拉索都能看到它的⾝影。

通常型钢的形状包括：宽法兰I型梁、标准I型梁、槽钢、⾓钢、T型钢、Z型钢、H型桩、板桩。

所有这些形状的钢材都是标准化产品，每⼀家钢⼚都有对应产品的价格清单。

铁轨钢都是按照国标来⽣产，但也有起重设备轨道等特殊应⽤领域的标准。

管材(tubular steel)分为焊接管(welded tube)和⽆缝管(seamless tube)两⼤类。

直线焊接管(longitudunally welded tube)，如图2所⽰，其直径可以达到500mm、壁厚10mm。

由厚板(haevy plate)焊接⽽成的管道通常也是采⽤直线焊接的⽅式，⾸先把厚板弯成U型或O型，然后沿着连接缝进⾏直线焊接，其直径可达800mm-2000mm、壁厚180mm。

图2 直线焊接管材预处理 -- 弯管
还有⼀种是螺旋焊接管(spiral welded pipe)，如图3所⽰，其焊接线沿螺线进⾏，直径可达1500mm。

图3 螺旋焊接管产品
⽆缝钢管(seamless tube)，如图4所⽰，通过对圆棒坯直接轧制⽽成，其直径为120mm-
400mm、厚度可达15mm，特殊轧机可以轧制直径为650mm的⽆缝钢管。

图4 ⽆缝钢管产品
关于直线焊接管、螺线焊接管和⽆缝管的制造⼯艺及设备会在后⾯的章节中介绍到。

此外，对于⼩直径管还能够通过缩管机或冷拔拉床加⼯得到。

管材的出⼚状态通常是对两端进⾏机加⼯来配合不同的链接⽅式，表⾯涂上有机材料。

3.4. 标准(standard)
⼤多数⼯业国家对钢材产品的规格和检验⽅法都有各⾃的标准体系，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)，还有我国的国标GB。

此外，很多的组织和协会根据特殊产品的应⽤也都发布了很多产品规范和⼿册。

需要说的是，每⼀家钢铁⽣产企业也都对⾃⼰所能⽣产交付的钢种进⾏了公布，并且通常都有⾃⼰的注册商标。