初原載于?工大材料匯????2020-02-28

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工業(yè)的靈魂

鋼鐵

在人類出現(xiàn)十億年之前，甚至地球形成之前， 熾熱的恒星將原子融合成鐵和碳。在無數(shù)的宇宙爆炸和重生中，這些物質(zhì)進(jìn)入小行星和其他行星體，隨著宇宙的攪動(dòng)，相互撞擊。最終，一些巖石和金屬形成了地球，在那里，人類才開始他們的命運(yùn)。某一天，人類偶然發(fā)現(xiàn)了從大氣層撞到地面的隕石，它的成分主要是鐵和鎳。從此一發(fā)不可收，人類開始了對金屬近萬年的癡迷。

認(rèn)識

那么我們先來看看什么是鋼鐵。鋼鐵是一種鐵碳合金，是以鐵和碳為組元的二元合金。鐵基材料中應(yīng)用最多的一類——碳鋼和鑄鐵，就是一種工業(yè)鐵碳合金材料。鋼鐵材料適用范圍廣闊的原因，首先在于可用的成分跨度大，從近于無碳的工業(yè)純鐵到含碳4%左右的鑄鐵，在此范圍內(nèi)合金的相結(jié)構(gòu)和微觀組織都發(fā)生很大的變化；另外，還在于可采用各種熱加工工藝，尤其金屬熱處理技術(shù)，大幅度地改變某一成分合金的組織和性能。

鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及碳在合金中的存在形式有關(guān)。純鐵有三種同素異構(gòu)狀態(tài)：912℃以下為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，稱α-Fe；912～1394℃為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，稱γ-Fe；1394℃以上，又呈體心立方結(jié)構(gòu)，稱δ-Fe。在液態(tài)，在低于7%碳范圍，碳和鐵可完全互溶；在固態(tài)，碳在鐵中的溶解是有限的，并且溶解度取決于鐵（溶劑）的晶體結(jié)構(gòu)。與鐵的三種同素異構(gòu)物相對應(yīng)，碳在鐵中形成的固溶體有三種：α固溶體（鐵素體）、γ固溶體（奧氏體）和δ固溶體（8鐵素體）。這些固溶體中，鐵原子的空間分布與α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸遠(yuǎn)比鐵原子為小，在固溶體中它處于點(diǎn)陣的間隙位置，造成點(diǎn)陣畸變。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超過2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超過0.0218%；而在δ6-Fe中不超過0.09%。當(dāng)鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時(shí)，多余的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質(zhì)狀態(tài)（石墨）存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（滲碳體，6.69%C）是亞穩(wěn)相，它是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。石墨是鐵碳合金的穩(wěn)定平衡相，具有簡單六方結(jié)構(gòu)。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩(wěn)定相，但該過程在室溫下是極其緩慢的。

多元

隨著科技的發(fā)展，人們對鋼鐵的需求量也越來越大，對鋼鐵的研究也越來越深。對于不同的鋼鐵還進(jìn)行了分類，慢慢的鋼鐵在人類的發(fā)展史中慢慢的變成了一種多元化的學(xué)問。

碳素鋼有各種分類方法﹐如按化學(xué)成分（即以含碳量）可分為低碳鋼﹑中碳鋼和高碳鋼。按鋼的品質(zhì)可分為普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼。按用途則又可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼﹑碳素工具鋼。此外﹐還可以按冶煉方法和所保證的性能要求等來進(jìn)行分類。

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼又稱普通碳素鋼﹐對含碳量﹑性能范圍以及磷﹑硫和其它殘余元素含量的限制較寬。在中國和某些國家根據(jù)交貨的保證條件又分為三類﹕甲類鋼（A類鋼）是保證力學(xué)性能的鋼。乙類鋼（B類鋼）是保證化學(xué)成分的鋼。特類鋼（C類鋼）是既保證力學(xué)性能又保證化學(xué)成分的鋼﹐常用于制造較重要的結(jié)構(gòu)件。中國目前生產(chǎn)和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3鋼（甲類3號鋼）﹐主要用于工程結(jié)構(gòu)。

有的碳素結(jié)構(gòu)鋼還添加微量的鋁或鈮（或其它碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒﹐以限制晶粒長大﹐使鋼強(qiáng)化﹐節(jié)約鋼材。在中國和某些國家﹐為適應(yīng)專業(yè)用鋼的特殊要求﹐對普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和性能進(jìn)行調(diào)整﹐從而發(fā)展了一系列普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的專業(yè)用鋼（如橋梁﹑建筑﹑鋼筋﹑壓力容器用鋼等）。

按含碳量分類

1）小于0.25%C為低碳鋼﹐其中尤以含碳低于0.10%的08F﹐08Al等﹐由于具有很好的深沖性和焊接性而被廣泛地用作深沖件如汽車﹑制罐等﹐20G則是制造普通鍋爐的主要材料﹐此外﹐低碳鋼也廣泛地作為滲碳鋼﹐用于機(jī)械制造業(yè)﹐

2） 0.25～0.60%C為中碳鋼﹐多在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用﹐制作機(jī)械制造工業(yè)的零件。

3） 大于0.6%C為高碳鋼﹐多用于制造彈簧﹑齒輪﹑軋輥等﹐根據(jù)含錳量的不同﹐又可分為普通含錳量（0.25～0.8%）和較高含錳量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）兩鋼組。錳能改善鋼的淬透性﹐強(qiáng)化鐵素體﹐提高鋼的屈服強(qiáng)度﹑抗拉強(qiáng)度和耐磨性。通常在含錳高的鋼的牌號后附加標(biāo)記“Mn”﹐如15Mn﹑20Mn以區(qū)別于正常含錳量的碳素鋼。

碳素工具鋼含碳量在0.65～1.35%之間﹐經(jīng)熱處理后可得到高硬度和高耐磨性﹐主要用于制造各種工具﹑刃具﹑模具和量具（見工具鋼）。

含碳量在2.11%時(shí)，作為鑄鐵和碳鋼的黃金分割點(diǎn)。碳含量在2.11%之前為碳鋼。碳含量在2.11%之后為 鑄鐵。而碳含量在0.0218%至0.77%之間稱為亞共析鋼，0.77%至2.11%之間稱為過共析鋼。含碳量為2.11%為共析鋼。碳含量在2.11%至4.3%，稱為亞共晶白口鑄鐵，碳含量在4.3%至6.69%之間稱為過共晶白口鑄鐵。碳含量在4.3%為共晶白口鑄鐵。

按鑄鐵中存在形式分類

根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式不同鑄鐵可分為：白口鑄鐵（絕大部分碳以滲碳體形式存在于鑄鐵中）、灰口鑄鐵（絕大部分碳以片狀石墨形式存在）、可鍛鑄鐵（由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火制成，其中碳以團(tuán)絮狀石墨形式存在）和球墨鑄鐵（在澆注前經(jīng)球化處理，碳以球狀或團(tuán)狀石墨存在。

時(shí)代

鋼鐵工業(yè)的學(xué)術(shù)化代表著鋼鐵時(shí)代的到來，在由大英帝國為首的兩次工業(yè)革命中，鋼鐵無時(shí)無刻不在向世界宣布這主權(quán)。由于鋼鐵是支撐一切高科技產(chǎn)品的基礎(chǔ)，人們對鋼鐵的性能加以研究，并對冶煉鋼鐵的工藝進(jìn)行逐步的改造。

從20世紀(jì)80年代開始，鋼鐵冶煉技術(shù)就有了飛速的提升。創(chuàng)造了多個(gè)重要的里程碑。

1． 初煉爐的產(chǎn)生 2.熔爐大型化 3.電爐轉(zhuǎn)爐化 4.電弧爐鋼產(chǎn)量大幅增長 5.提質(zhì)降耗

毫無疑問鋼鐵的誕生對人類的進(jìn)步有著至關(guān)重要的作用，但是隨著鋼鐵技術(shù)和人們精神需求的不斷發(fā)展，人們對鋼鐵的態(tài)度似乎一直在變化著。

人類文明在不斷進(jìn)步著，但戰(zhàn)爭卻從未停止過。伴隨著金屬加入戰(zhàn)爭，鐵匠這個(gè)職業(yè)也就誕生了。印度鐵匠把“烏茲鋼”運(yùn)送到世界各地販賣。在大馬士革，敘利亞鐵匠使用這種金屬鍛造了著名的，幾乎是神話般的大馬士革刀，據(jù)說它足夠鋒利，可以在半空中切割羽毛。像《權(quán)力的游戲》中瓦雷利亞鋼鐵一樣的超級材料，被譽(yù)為世界第一名刃。

自從古羅馬的戰(zhàn)士第一次舉起鋒利的軍刀，鋼鐵也就似乎成了殺戮的代名詞，鋼鐵的靈魂似乎也充斥著戰(zhàn)爭的殘酷和絕望。從冷兵器到槍械，從騎士們身上的盔甲到劃過夕陽的戰(zhàn)斗機(jī)，鋼鐵一直活動(dòng)在戰(zhàn)場上。也許這就是人們有時(shí)反感鋼鐵的原因之一。工業(yè)革命帶來的污染使美麗的倫敦變成了霧都，這也是鋼鐵的名聲不再完美。今天鋼鐵的時(shí)代似乎已經(jīng)過去，鋼鐵業(yè)被很多新興的材料所取代。人們也就對于鋼鐵所帶來的益處漸漸淡忘。

但是即使是在今天，在建筑和交通等方面，我們依然可以找到鋼鐵的身影。它就像一位年邁的護(hù)林人，默默地堅(jiān)守在需要它的地方。人們就是這樣，有時(shí)會(huì)把一些壞處放大，讓它擋住所有的好。你也許會(huì)記得某個(gè)傍晚在一個(gè)路口摔了一跤，摔得很痛；卻不記得在某天得到過老師獎(jiǎng)勵(lì)的一塊糖，甜得合不上嘴，想去和全世界分享。讓戰(zhàn)陣變得更加殘酷的是鋼鐵，但天災(zāi)來臨時(shí)，為我們遮風(fēng)擋雨的也是鋼鐵。一種材料本身并沒有對錯(cuò)，有對錯(cuò)的永遠(yuǎn)是它的使用者。

工業(yè)的靈魂從未在發(fā)展中磨滅，在改變中退縮。也許鋼鐵可以在戰(zhàn)場上肆無忌憚的殺戮但人類不能。誤會(huì)并不可怕，可怕的是即使被誤會(huì)了還在不斷地發(fā)展著，進(jìn)步著。當(dāng)鋼鐵隨著人類的需求不斷改變，它就是最好的材料。

Q1:文中提到了幾種鋼鐵的分類方法？

答案：五種素鋼有各種分類方法﹐如按化學(xué)成分（即以含碳量）可分為低碳鋼﹑中碳鋼和高碳鋼。按鋼的品質(zhì)可分為普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼。按用途則又可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼﹑碳素工具鋼。此外﹐還可以按冶煉方法和所保證的性能要求等來進(jìn)行分類。

Q2：鋼鐵材料在未來有哪些發(fā)展前景？

精選留言：

可能會(huì)提升鋼鐵材料的功能性，探索鋼鐵材料更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? --------Вперед, товарищи

親愛的讀者朋友們：

???? 春天好！我們“好久不見”！不問想念，只希望大家安好！

這個(gè)寒假已經(jīng)悄然過去，由于新冠（guān）肺炎的影響，從1月下旬開始家家戶戶都減少了外出，不知道在家里宅的怎樣？反正我已經(jīng)非常渴望摘下口罩外出玩耍，能夠盡早返校?？上в捎谝咔檫€在持續(xù)，風(fēng)險(xiǎn)還沒有解除，只能在家里上網(wǎng)課了，也算是體驗(yàn)了一把新式教學(xué)方法。

在此呼吁大家在疫情期間一定要盡量減少外出，外出要帶好口罩，盡量不要去人多的地方扎堆，在家勤洗手，多喝水，少熬夜，多鍛煉，多吃新鮮蔬果，提高自身免疫力的同時(shí)也要記著按時(shí)上網(wǎng)課，給自己的大腦補(bǔ)充能量。

這十幾天來好消息頻傳，已經(jīng)有不少省份出現(xiàn)了0新增，湖北省新增病例已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)低，我相信在國家雷厲風(fēng)行的不斷開展抗疫行動(dòng)情況下，不久的將來疫情的陰霾會(huì)逐漸消散，同學(xué)們可以繼續(xù)相聚在工大校園內(nèi)一起學(xué)習(xí)進(jìn)步。

雖然返校延期了，但是我們材料視角的更新不會(huì)延期，從2月24日起每周五我們會(huì)繼續(xù)更新科普文章，希望大家能夠多多關(guān)注我們的材料視角，積極回答問題，我們也會(huì)給大家?guī)砀嘤腥さ目茖W(xué)知識。由于疫情的影響本來應(yīng)該在本學(xué)期初的發(fā)獎(jiǎng)環(huán)節(jié)只能被迫延后，獎(jiǎng)品頒發(fā)環(huán)節(jié)會(huì)視返校時(shí)間而定，本學(xué)期我們依舊為大家準(zhǔn)備了精美的科普書籍和各種各樣的精美小獎(jiǎng)品。

希望大家能夠認(rèn)真回答問題，領(lǐng)取大獎(jiǎng)。

材料視角，強(qiáng)勢回歸。你，準(zhǔn)備好了嗎！

參考文獻(xiàn)：

《鐵碳合金薄帶氣固反應(yīng)脫碳工藝》 洪陸闊; 艾立群; 程榮; 孫彩嬌; 趙定國 《鋼鐵研究學(xué)報(bào)》 2016-04-27

《淺析鐵碳合金相圖意義》 黎金琴 《湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)》 2016-01-15

百度百科 ?鋼鐵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

知乎《鋼鐵的發(fā)展史》

本文作者：劉海成

時(shí)任審閱：于世龍? 劉孟茜

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