一、什么是钢铁？

钢是一种合金，通常由铁、碳以及少量的锰、硅、磷、硫和氧组成。碳含量在 0.02%至 2.14%之间，锰含量约为 1% 

除此之外，常见的合金元素还有锰、钴、硼、镍、铬、钼、钛、钒、钨、铌等

钢的密度在7,700至8,050千克/立方米之间。碳的存在使其具有坚固的分子结构。根据温度的不同可以呈现两种晶体形态：体心立方和面心立方

纯铁通常具有延展性、柔软性或易于成型，因为晶体结构中的铁原子会相互滑动，碳和其他元素的存在起到了硬化剂的作用，防止原子的错位。因此合金中碳和其他元素的含量决定了合金的最终物理特性

这些特性包括淬火性能、退火需求、回火性能、硬度、抗拉强度和屈服强度。钢铁的生产可以追溯到公元前六世纪，产自南印度，被称为乌兹钢 

二、钢铁概况

现代演化导致高炉的使用，随后又出现了电炉来炼钢。炼钢过程包含一个初级工序，即生铁的生产。生铁是由铁矿石熔炼而成，而铁矿石中的碳含量超过炼钢所需的最佳碳含量，氧化过程用于去除多余的碳，并蒸发或结合由硅、磷和锰等元素组成的杂质

二次炼钢工艺涉及钢的精炼和合金化。二次炼钢可以使用废钢进行初始炼钢，也可以作为一次炼钢工艺的延续

这是世界上最重要的工程和建筑材料之一，因为它应用于我们生活的方方面面。汽车、建筑产品 、冰箱、洗衣机、货船以及手术刀都需要钢材来制造。钢材可以反复回收利用，且性能不会受损

预计到 2022 年，世界粗钢产量将达到 19.9 亿吨 (Mt)。理想情况下，除不锈钢（铬合金钢）外，钢都是磁性的

在这种情况下，铁磁性取决于合金元素。与其他材料相比，它完全可回收且耐用，生产所需的能量相对较低

钢铁是世界上回收率最高的材料之一，回收率超过60%。中国、日本、俄罗斯和美国分别是世界上最大的钢铁生产国

三、钢材性能

3.1. 拉伸强度

材料的抗拉强度定义为材料在结构变形前所能承受的应力大小。钢材的抗拉强度相对较高，因此具有很强的抗断裂或破损能力

3.2. 延展性

延展性是一种机械性能，描述的是材料在受力时改变形状而不发生断裂的能力。钢材延展性极佳，可用于生产各种形状和结构，从细线到大型汽车部件和面板。

3.3. 耐用性

由于钢中含有碳，因此淬硬性较高，这反映钢抵抗应变的能力。钢具有很强的抗外部磨损能力，因此是一种非常耐用的材料。

3.4. 可塑性

延展性是指材料被压缩成薄片的能力，使钢材在压缩下变形。钢材可以加工成不同厚度的薄片，通常通过锤击或轧制制成。

3.5. 电导率

钢材是热和电的优良导体。因此，钢材是家用炊具行业以及电线行业的首选材料

四、钢材分类

制造各种不同类型的钢材，其碳含量按重量计从 0.2% 到 2.1% 不等，分类取决于其成分和物理特性

虽然钢中的主要元素是碳，但也有其他合金元素，如钨、铬、钒和镁，以及少量的硫、硅、磷和氧

合金材料的数量及其在铁中的存在形式决定钢的延展性、硬度和抗拉强度等重要特性

例如，增加碳含量会使钢变得更硬、更坚固，但延展性降低。

由于钢材的特性和用途众多，其分类也更加复杂。此外，目前已开发出全面的分级系统，以便准确识别特定类型的钢材及其所属的组别和子组别。

钢铁是一种用途广泛的材料，可用于各行各业 。钢铁通常根据化学成分、物理特性和用途等标准进行分类 。 以下是四种最常见的钢铁类型：

1、Carbon steels  碳钢

2、Alloy steels  合金钢

3、Stainless steels  不锈钢

4、Tool steels  工具钢

下面详细解释主要的钢材类型：

4.1.碳钢

碳钢通常含有不到 2% 的碳以及微量的锰、硫、硅和磷

碳钢的特性主要受钢中碳含量的影响，合金元素仅引起微不足道的变化。根据碳的含量，普通碳钢可进一步分为四类

中碳钢 – 0.30 – 0.60% C

高碳钢 – 0.61 -1.00% C

超高碳钢 – 1.25–1.5% C

详细分类如下：

4.1-1 Low Carbon Steel  低碳钢

低碳钢的含碳量限制在0.30%以下，是最常用的钢种

这种钢材易于加工和焊接，延展性也高于高碳钢。常用于制造管道、螺栓和电线

4.1-2 Medium Carbon Steel  中碳钢

中碳钢的含碳量在0.30%至0.60%之间。碳含量的增加表示硬度和抗拉强度的增加，以及延展性的降低

但由于碳含量较高，其硬度增加，导致其加工性能和焊接性能低于低碳钢，常用于制造齿轮和铁轨

4.1-3 High Carbon Steel  高碳钢

高碳钢的含量为0.61%至1.00%。这类钢的焊接和加工性能比较复杂

因此，对于任何类型的成型工作，热处理都是必要的，以确保焊缝合格。热处理也用于控制焊接后钢材的机械性能

4.1-4 Very High Carbon Steel 极高碳钢

超高碳钢的碳含量高于1.00%，最高可达2%。为应对钢中较高的碳含量，需要在焊接前、焊接中和焊接后进行热处理，以控制其机械性能

这种高碳钢用于制造硬钢产品，例如卡车弹簧和金属切削工具。这些产品的碳含量不超过2%

碳钢的命名体系：美国钢铁协会 (AISI) 与美国汽车工程师协会 (SAE) 共同推出了四位数名称系统，以便更好地识别每个元素

说明：SAE 1XXX

First digit  第一位数字

数字的第一个字母表示它是合金钢还是碳钢

数字 1 表示碳钢，数字 2-9 表示合金钢

Second digit  第二位数字

第二位数字用于表示钢材是否经过改性

0 – 未改性普通碳

1 – 再硫化

2 – 再硫化和磷化

5 – 未脱硫，锰含量超过1.0%

Last two digits  最后两位数字

最后两位数字表示碳浓度，以 0.01% 为单位

例如，SAE 1045：其中 1 表示普通碳钢（未改性钢），含碳量为 0.45%

4.1-A 碳钢用途

碳素结构钢

碳素结构钢含碳量小于0.8%，除几个含碳很低的钢号可以熔炼沸腾钢外，其余都是镇静钢。分建筑结构钢和机器制造结构钢两种，主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等

普通碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 。其中，Q195、 Q215、 Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等；Q255、 Q275可轧制成型钢、钢板等

优质碳素结构钢以碳的平均质量万分数表示。如20＃、45＃等，其中20＃表示含C：0.20%（万分之20）。主要用于制造各种机器零件

碳素工具钢

碳素工具钢是基本上不含合金元素的高碳钢，含碳量在0.65%-1.35%范围内。生产成本低，加工性良好，热处理后硬度高、耐磨性好，是被广泛使用的钢种，用于制造各种刀具、量具、模具等。但红硬性差，工作温度小于250°C

碳素工具钢以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。如T9、T12等。 T9表示含C：0.9%（千分之9）

铸钢

铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等

4.2. 合金钢

合金钢是一种碳钢，由添加一种或多种除碳以外的元素组成，以产生所需的特性

每种添加元素都会为最终产品带来不同的属性。通常，硅、硼、铬钼、锰、镍、钒等元素作为外部元素添加

合金钢有两种类型：低合金钢和高合金钢。具体解释如下：

4.2-1 Low alloy steel  低合金钢

低合金钢中，碳含量一般在0.15%至0.25%之间，适合焊接用途

一些使用的合金元素是锰、镍、铬、钼、硅、钒和硼，不太常见的合金元素是铝、钴、铜、钛、钨、锡和锆

低合金钢是最佳选择，因为具有更好的淬硬性和在特定环境下更高的耐腐蚀性。焊接困难是这类钢的一个缺点

如果将碳含量降低至0.10%，并结合其他合金材料，则可以提高材料的强度。这些材料的多功能性使其成为现代工业发展中不可或缺的材料

常见的应用包括电线、热交换器、防钻板、高强度保险箱、管道、电力变压器和永磁体。

4.2-2 High alloy steel  高合金钢

一般将钢中除碳和铁以外的其他元素含量超过8%的钢称为高合金钢。高合金钢本质上是由两种化学元素组成的，一个是碳，另一个是添加元素

这类钢材的性能取决于其中化学元素的百分比。其主要优点之一是高耐腐蚀性和高可靠性

这些类型的高碳钢广泛用于干燥机、管道、联轴器、阀门、螺栓、制盐、核电站、热交换器、离心分离器、废气脱硫、石化、制药和半导体清洗设备。

合金钢命名系统

美国钢铁协会 (AISI) 与美国汽车工程师协会 (SAE) 共同开发了一套四位数命名系统，以便更好地识别合金钢。根据 SAE-AISI 系统的四位数分类，合金钢的命名方式如下：

说明：SAE XXXX

First digit  第一位数字

第一位数字表示合金钢的等级

2-镍钢

3-镍铬钢

4-钼钢

5-铬钢

6- 铬钒钢

7-钨铬钢

9-硅锰钢

Second digit  第二位数字

第二位数字表示主要元素的浓度，以百分比表示。如果第二位元素为 1 或 2，则分别表示 1% 或 2%

Last two digits  最后两位数字

最后两位数字表示碳浓度，以0.01%为单位

例如，SAE 6230：表示铬钒钢合金，由 2% 的铬和 0.30% 的碳组成。

4.3. 不锈钢

不锈钢是一种耐腐蚀、防锈的钢材。它由英国人哈里·布里尔利于1913年发明，并于1915年向世界发

铬元素使其与众不同，赋予材料光泽。但这不仅仅是一种化妆品的魅力，铬具有抗氧化作用，因此防锈性能与材料寿命的延长息息相关

不锈钢的铬含量超过10.5%，在某些应用中甚至高达30%。铬含量直接影响抛光时的光泽度和耐腐蚀性。不锈钢有近150个等级，但常用的只有15种

因其在医疗设备和家电制造以及厨房电器中的应用而广为人知。当铬电镀到另一种金属上时，不锈钢会产生不同的效果，并形成坚韧、抛光的涂层，它分为四类，每类都有不同的用途。

4.3-1 Martensitic Alloys  马氏体合金

马氏体合金极其坚韧，但已被证实具有腐蚀性。这类合金由快速冷却工艺制成，非常适合热处理，常用于餐具、医疗器械和钳子

4.3-2 Ferritic Alloys  铁素体合金

铁素体合金的碳和镍含量较低，价格较低，且因其铬元素带来的强度和光泽，在汽车行业得到广泛应用

4.3-3 Austenitic Alloys  奥氏体合金

这些材料含有较高的铬和镍含量，有助于提高耐腐蚀性，并具有非磁性。由于其耐用性和易于清洁的特性，在商用厨房行业最常用

4.3-4 Duplex Alloys  双相合金

双相合金是奥氏体合金和特氟龙合金的混合物，其强度加倍，同时继承了两者的特性。由于铬含量高，双相合金具有很强的耐腐蚀性，并以其良好的延展性而闻名

不锈钢命名系统

美国钢铁协会（AISI）为不锈钢创建了一个三位数系统：

2XX 系列：铬镍锰 奥氏体不锈钢（Chromium-nickel-manganese austenitic stainless steels）

3XX 系列：铬镍 奥氏体不锈钢（Chromium-nickel austenitic stainless）

5XX 系列：低铬马氏体不锈钢（Low chromium martensitic stainless steels）

316 不锈钢 – 16% Cr、10% Ni、2% Mo

双相不锈钢 – 22% 铬、5% 镍、3% 钼

410 不锈钢——含铬 11%

添加镍元素可进一步增强耐腐蚀性。不锈钢价格较高，但在需要防锈的场合却必不可少。它广泛应用于对耐腐蚀和防污性能至关重要的领域，例如厨房用具、餐具和医疗设备

4.4. 工具和模具钢

工具和模具钢的理想碳含量范围为0.7%至1.5%。这些钢材的生产工艺严格控制，以确保达到所需的质量

工具钢可热处理，是一种高碳钢（碳钢或合金钢），具有高硬度、强度和耐磨性。在钢中添加能形成坚硬稳定的碳化物的元素，可以提高钢制工具的硬度

回火、高温、快速冷却和加热等工艺使工具钢具有极高的硬度和耐热性。这些工艺广泛应用于高冲击环境，并且具有很强的磨蚀性。

这些主要用于制造锤子、钻头、刀具、剪切刀片、凿子、锻模、钻头和剃须刀。

工具钢和模具钢可根据其用途、成分、机械性能和热处理方法进行分类。各种等级的工具和模具钢适用于不同的应用目的。添加的元素决定了其适用的具体用途。

Air Hardening  空气硬化

由于这种钢含有高碳，因此可以暴露在高温下而不会变形

Water Hardening  水硬化

该工具在使用过程中经过水淬火，是最经济实惠的工具类型。广泛用于制造普通工具

Oil Hardening  油硬化

这种工具在使用过程中经过油淬火，具有极强的耐磨性和抗打滑性。它通常用于生产刀具和剪刀

High-Speed Steel  高速钢

顾名思义，这类材料专为高强度冲击使用而设计，具有极强的磨蚀性。通常用于电锯和钻头

Hot Working  热加工

耐高温是这种钢的独特之处。它用于锻造和铸造。

Shock Resistant  耐冲击

添加少量碳、硅和钼来增强这种钢的硬度，使其适用于冲头和铆接工具

工具钢和模具钢的命名系统

美国钢铁协会 (AISI) 与美国汽车工程师协会 (SAE) 共同开发了用于识别工具钢的单字母系统

W- water-hardened plain carbon tool

W- 水硬化普通碳工具

O- oil hardening cold work alloy

O-油硬化冷作合金

A- air hardening cold work alloy

A-空气硬化冷作合金

D- diffused hardening cold work alloy

D-扩散硬化冷作合金

S- shock resistance low carbon tool

S-耐冲击低碳工具

T- high-speed tungsten tool

T-高速钨钢刀具

M-high-speed molybdenum tool

M-高速钼刀具

H- hot work tool and

H-热加工工具和

P- plastic mold tool steel

P-塑料模具工具钢

5、如何炼钢

获得生铁后，下一步就是将其转化为钢。生铁含碳量约为 4-5%，这使得生铁非常脆，不适合大多数用途。将生铁熔化后，用氧气吹入，将碳含量降低至 0.2-2.1%。这会使碳氧化，并以一氧化碳气体的形式从铁中逸出。在此过程中，通常会将废金属和其他合金添加到熔融的生铁中，以获得最终钢产品所需的成分

钢水被浇铸成半成品，例如板坯、方坯和钢锭。这些半成品经过进一步加工，例如热轧或冷轧以及额外的热处理，最终生产出具有所需形状和性能的最终钢材产品