钢

title: 材质属性.
content: 地球地壳上所有的天然铁都是以矿石的形式存在,一般为氧化铁,例如磁铁矿及赤铁矿等。要提取铁,就要把铁矿中的氧移除,让氧与其他的化学元素结合,例如碳。这个过程叫熔炼,最早应用于熔点较低的金属,例如熔点约为250 °C的锡及熔点约为1,100 °C的铜。而铸铁的熔点则为1,375 °C。这种温度用青铜时代已经有的古老方法就可以达到。由于氧化率在800 °C以上时会急剧增加,所以保持冶炼环境低氧是很重要的。跟铜与锡不同的是,液态铁能够很容易地溶解碳。熔炼所生成的合金(生铁)含碳量过高,因此还不能叫作钢。后续的步骤会把多余的碳和氧除掉。  很多时候会向铁/碳化合物加入其他材料,来达至所需的特性。在钢里加入镍和锰会增加钢的强度,并使沃斯田铁的化学性质更加稳定,加入铬会使硬度及熔点上升,加入钒也可以使硬度上升,但同时更会减轻金属疲劳所带来的效应。为了防止腐蚀,最少会要加入11%的铬,这样表面就会生成一层硬的氧化物;这种合金叫不锈钢。钨能干预雪明碳铁的生成,使麻田散铁得以在较低的淬火率下生成,这样的成品叫高速钢。另一方面,硫、氮与磷会使钢变得更脆弱,因此必须从矿石中除掉这些普遍存在的元素。  钢的密度会随合金的成分而改变,但一般介于7,750至8,050 kg/m。  即使在不同钢里面的浓度差异是如此的小,碳-钢混合物还是可以形成一些不同的结构,这些结构各自有着很不一样特性。要炼出高品质的钢,是必须明白这些特性的。在室温下,铁最稳定的形式是体心立方晶格结构的α-铁素体。这是一种颇软的金属材料,而且只能溶解很小量的碳,于723 °C时上限为0.021 wt%,而0 °C时则为0.005%。在炼的温度下,若钢的含碳量超过0.021%,它就会转化为面心立方晶格的结构,叫沃斯田铁,或γ-铁。它亦是一种软的金属材料,但是它能溶解相当多的碳,于1,148 °C达2.1%,反映出钢的含碳量上限。  当钢的含碳量少于0.8%时(叫亚共析钢),混合物会从沃斯田铁相冷却下来,尝试回到铁素体相,并因此会有多余的碳。其中一种能让碳脱离沃斯田铁的方法是,等渗碳体因沉淀离开混合物,这样剩下的铁纯度若足够地高,就能形成铁素体,得出渗碳体-铁素体混合物。渗碳体是一种既硬且脆的金属互化物,化学式为FeC。当钢的含碳量为0.8%时(共析钢),冷却的结构会形成波来铁,名称来自于与珍珠母类似的光泽。当钢的含碳量超过0.8%(过共析钢),冷却的结构则会形成珠光体和渗碳体。  也许最重要的同质多形体是麻田散铁,因为它是一种介稳相,所以比其他钢相的强度要高很多。当钢处于沃斯田铁相时,再受到淬火后会形成马氏体,这是因为当晶格架构从面心立方转成体心立方时,原子需要被“冻结”在原位的缘故。视乎沃斯田铁相的碳含量,会形成不同的结构。当含碳量低于0.2%时,会形成体心立方结构的α-铁素体,而当含碳量较高时则会形成体心四方结构。从沃斯田铁到马氏体的变换,并不需要活化能。而且没有成分改变,因此原子一般保留变换前的邻居。  马氏体的密度比沃斯田铁低,因此两者在互相变换时体积也会改变。所以在沃斯田铁转成马氏体时,会发生膨胀。这种膨胀所做成的内部应力,一般会对马氏体的晶体进行压缩,同时对余下的铁素体施行张力,并且还有相当量的剪应力作用于这两种成分上。如果淬火做得不完全的话,内部应力可能把会在冷却时导致断裂。在最低限度上,还会导致内部加工硬化及其他微观上的瑕疵。用水作冷却处理时,很多时候会形成断裂,尽管裂痕不一定可见。
title: 热处理.
content: 钢有多种不同的热处理过程。最常见的是退火及调质(淬火后回火)。退火是把钢高温加热到软化的过程。这个过程发生时会经过三个相:回复、再结晶及晶粒成长。钢退火所需的温度取决于退火的类型,以及合金的成分。  调质(淬火后回火)在一开始时先把钢加热至沃斯田铁相,再用水或油进行冷却。急速的冷却导致马氏体结构既硬且脆。此时再把钢作回火处理,其实就是一种更专门的退火形式。这样的退火(回火)过程会把一部分的马氏体转化成渗碳体,或球化波来铁,转化会减少钢内部的应力和瑕疵,因此钢最后会变得更有韧性,更不易断。
title: 钢材的生产.
content: 当铁矿准备被商业过程提炼前,铁矿的含碳量仍然是太高。要得到钢,必须把矿石熔掉,并重新处理来减低含碳量至适当水平,而在这个时候还可以加入其他元素。然后把液体用连续铸造法铸成厚钢板,又或是用铸造法铸成钢锭。大约96%的钢是用连续铸造法处理,而只有4%的钢被铸成钢锭。之后把钢放进均热炉里加热,再用热轧轧成厚钢板、钢块或钢坯。厚钢板会被热或冷轧成钢片或薄钢板。钢坯会被热或冷轧成钢条、钢棒及钢线。钢块则会被被热或冷轧成结构钢,如工字梁及铁路轨道。在现代铸造厂中,这些过程一般会以装配线的形式运作,也就是铸造厂输入矿石,输出钢成品。有时钢在轧完以后会再接受一次热处理,来增加强度,然而会这样做的厂商是相对地少。
title: 炼钢的历史.
title: 古代钢.
content: 自古以来,人们已经知道钢的存在,当时的熔炼可能是用炼钢炉,或其他熔铁设施,而里面烧的是碳。  已知最早的钢成品是一块铁器,出土于土耳其安那托利亚的卡曼-卡莱赫于克遗迹,约有四千年的历史。其他古代钢来自东非,可追溯至公元前1400年。在公元前4世纪,伊比利亚半岛出产了像利刃弯刀这种钢兵器,而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器。中国人早在战国时代(公元前403-221年)就已经懂得用淬火来硬化钢材,而到了汉朝(公元前202-公元220年),中国人更创造出用熟铁和铸铁熔在一起炼钢,于是用这种技术在公元一世纪就做出了中碳钢。东非的哈亚人在接近2,000年前就发明了一种高热高炉,使得他们在那个时候能用1,802 °C的高温来锻造碳钢。
title: 乌兹钢(大马士革钢).
content: 高碳钢最早的生产证据出现于印度次大陆,出土地为斯里兰卡的莎玛纳拉威瓦。印度在公元前300年就开始生产乌兹钢。自从乌兹钢的锻造法在公元五世纪从印度传入了中国,中国人除了使用他们本身原创的锻钢法,也采用了乌兹钢的生产法,做出来的钢叫做镔铁。在斯里兰卡,这种早期的炼钢法用到一种特殊的送风式炉,它用的风是季风,能够生产出高碳钢。乌兹钢也叫大马士革钢,以其耐用性,与所制刀刃不易损而闻名。最早是由多种不同的材料制成,当中包括各种稀有元素。它本质上是一种以铁为主的复杂合金。最近研究指出,它的内部结构中含有碳纳米管,所以这可能就是它那有名特性的来源,介于当时的铸造技术有限,做出这种结构大概是出于偶然,而不是有意。送风式炉用的是天然风,炉内放置含铁的土壤,并用木材加热。古代的僧伽罗人成功从每两吨的土壤中提炼出一整吨的钢材,当时来说可谓成就卓越。考古学家在莎玛纳拉威瓦找到了这样的一个炉,并成功用古人的方法来生产钢铁。  把纯铁与碳(一般是木炭)放在一起于坩埚内慢慢加热,冷却后就能得到坩埚钢,在公元九至十世纪前,梅尔夫这个地方就已经在生产坩埚钢。在十一世纪,有证据指出宋朝的中国共有两种炼钢法:一种把小量熟铁跟铸铁熔在一起,用于生产不均匀的次等钢;另一种是现代贝塞麦炼钢法的前身,透过在冷炉风下的重复锻造,达到不完全除碳的效果。
title: 现代炼钢.
content: 从十七世纪起,欧洲式炼钢的第一步就是用高炉把铁矿炼成生铁。最早期炉子里烧的是木炭,现代方法则改为烧焦炭,事实证明后者要比前者便宜得多。
title: 从铁条开始的过程.
content: 在这些过程中,生铁需要在精炼厂中接受精炼,以生产出铁条(熟铁),之后再拿铁条去炼钢。  用渗碳法炼钢的程序被记载于一篇在1574年布拉格出版的论文中,并且早在1601年纽伦堡人就在用这方法炼钢。一本在1589年那不勒斯出版的书中有提及相近的方法,用于制作经表面硬化的盔甲与锉。这套程序在1614年被引入英格兰,而巴兹尔·布鲁克爵士于1610年代在什罗普郡的柯尔布鲁德尔生产这种钢。这套方法的原材料是熟铁造的铁条。在十七世纪期间,最好的熟铁是瑞典斯德哥尔摩以北所产的厄勒格伦德铁。到了十九世纪这种铁还是最常用的原料,也就是在用这套方法的期间,几乎用的都是这种铁。  在坩埚里烧出来的钢叫坩埚钢,它是没有经过锻造的,因此成品会比均匀。以前大部分的炉都不能达到能熔掉钢的温度。现代的坩埚钢工业最早是由本杰明·汉特斯曼于1740年代的发明所衍生的。一般会把渗碳钢(以渗碳法制成的钢)放在坩埚或熔炉里面熔掉,然后铸成钢锭。
title: 从生铁开始的过程.
content: 炼钢的现代史从1858年 引进亨利·贝塞麦的贝塞麦炼钢法开始。他的原料是生铁。他的炼钢法让低成本大量生产变得可行,因此从前用熟铁的地方现在都用软钢。吉尔克莱斯特-托马斯炼钢法(或基本贝塞麦炼钢法)是贝塞麦炼钢法的改良版,就是在转炉内部铺上一层盐基材料,以达到除磷的效果。炼钢的另一项改良就是西门子-马丁炼钢法,能够补足贝塞麦炼钢法的缺点。  在使用碱性氧气炼钢的林茨-多纳维茨炼钢法出现后,上述的炼钢法都被淘汰了,碱性氧气炼钢法及其他氧气炼钢法是在1950年代被开发出来的。碱性氧气炼钢法比其他方法优胜是因为,被泵到表面上的氧气会限制杂质,而从前杂质能够从所用的空气中进入。时至今日,用电弧炉来重新处理废金属是很常见的,处理后能生产出新的钢。它也可用于把生铁转化成钢,但需要使用大量电力(每吨需要约440 kWh),所以一般只能在有大量廉价电力供应的情况下才有经济效益。
title: 钢铁工业.
content: 现在我们都把钢和铁工业合称为“钢铁工业”,好像它们本身就是一个个体,但是在历史上它们是不同的产品。钢工业通常被用作经济进度的指标,因为钢在基础设施与整体经济发展中有着举足轻重的角色。  在1980年,美国共有500,000名钢铁工人。到2000年,数量减至224,000人。  中国与印度经济的急剧增长,导致近年对钢铁的需求量也跟着大量增加。在2000年至2005年之间,世界钢铁的需求量共增加了6%。自2000年起,好几家印度及中国钢铁商成功突围而出,晋身世界一流,例如塔塔钢铁(于2007年收购柯以斯集团)、上海宝钢集团及江苏沙钢集团。然而,安赛乐米塔尔仍然是世界最大的钢铁生产商。  英国地质调查局指出,在2005年中国是世界第一名的钢铁生产国,占全球总产量的三分之一,而第二、三、四名分别为日本、俄罗斯及美国。  伦敦金属交易所于2008年开始将钢材列入交易范围。在2008年底,钢铁工业面对了一场激烈的衰退,因此做了不少削减。
title: 现代钢材.
content: 为了满足各样不同的用途,现代钢材有着各种不同的合金金属组合。碳钢的构成很简单,只有碳和铁两种元素,占钢材生产量的90% 。高强度低合金钢含有小量其他元素(正常重量最多占钢的2%),一般为1.5%锰,用于增加钢的强度,这样价格会高一点。低合金钢是与其他元素合成的钢,通常为钼、镁、铬或镍,总加入量上限为钢重量的10%,用于加强厚部分的可硬化性。不锈钢为了抵抗腐蚀(生锈),需要加入最少11%的铬,通常还会再加镍。一些不锈钢,如铁素体不锈钢带磁性,而沃斯田铁不锈钢则不带磁性。  其他更现代的钢材还包括工具钢,合金元素为大量的钨与钴或其他元素,它们能够使固体溶液强化的效果最大化。同时还使析出硬化变得可行,并因此加强了钢的耐热性。工具钢一般用于制作斧头、钻头及其他需要又锋利又耐久刃面的设备。其他特殊用的钢还包括耐候钢,例如高登钢,在风化作用下会生成一层稳定的氧化表层,因而可以在不需涂漆就能在户外使用。  还有其他高强度钢,例如双相钢,它是用热处理来使其钢体同时含有铁素体及马氏体微结构,因此强度较一般钢高。变态诱发塑性钢本身是没有沃斯田铁的低合金钢,但用了特殊的合金和热处理,因此其沃斯田铁的量能够在室温中稳定下来。在这种钢上施加应力,就能够在没有加热的情况下,将沃斯田铁相变成马氏体。麻时效钢是铁、镍及其他元素的合金,但与其他钢不同的是,它基本上不含碳,所以就生成了一种强度非常高,但同时带有延展性的金属。双晶诱发塑性钢用一种特殊的应变,来增加加工硬化对合金的有效度。埃格林钢用了超过十二种的元素,以不同量的组合来做出一种可用于碉堡破坏弹等武器的合金,而且成本相对地低。哈特菲钢(以罗伯特·哈特菲爵士命名)含有12-14%的锰,能在磨损时生成一层极硬的表层,防止磨耗。应用例子包括坦克履带、推土机上的推土刀边缘,以及生命之钳的切割刃。  大部分常用钢铁合金,一般用各种标准化团体所制定的不同品质标准来区分。例如,汽车工程师协会有一系列的等级,区分很多种不同的钢铁。美国材料和试验协会有另外一套标准,将合金进行区分,例如美国最常用的结构钢A36钢。  将钢热浸于锌中或在钢上电镀上一层锌,这样能保护表层防止生锈,虽然这种镀锌钢不是一种合金,但是它也是一种常用的钢。
title: 用途.
content: 铁和钢都被广泛地应用于建造道路、铁路、其他基础设施、设备与建筑。大部分的现代架构,诸如体育场与摩天大楼、桥梁与机场,都是用钢制的支架来支撑。就算是用混凝土的结构,也要用钢筋来加固。此外,钢在家用电器与汽车制造都有广泛应用。尽管用铝的汽车主体正在增加,但是它们的主要材料仍然是钢。钢也被用于各种建造用的材料,例如螺栓、钉子及螺丝。其他常见应用还包括造船、输送管道、采矿、离岸建设、航天、白色家电(如洗衣机)、工程作业车辆(如推土机)、办公室家具、钢棉、工具及个人用背心式盔甲或载具用装甲(当中最有名的是轧压均质装甲)。钢还是不少现代雕塑家喜用的金属素材。
title: 历史上.
content: 在引进贝塞麦炼钢法及其他现代方法以前,钢是价值不菲的,所以只在没有更便宜替代品的情况下使用,尤其是各种需要又硬又锋利刀刃的切割工具,例如刀子、刮胡刀、剑等。钢也被用于制作弹簧,包括钟表里的弹簧。自从生产方法改进,变得更迅速更节约后,要得到钢就比较容易,价格也因而降下来,二十世纪后期塑胶的出现,使得钢的一些应用被取代,因为塑胶成本更低,而且重量更轻。
title: 低背景钢.
content: 由于核试的关系,所以在第二次世界大战之后生产的钢,会受到放射性同位素的污染。于是1945年之前生产的钢,被称为低背景钢,这种钢材被用于对辐射敏感的特定用途,例如盖革计数器及辐射屏蔽。

Summary: 钢或称钢铁、钢材,是一种由铁与其他元素结合而成的合金,当中最普遍的是碳。碳约占钢材重量的0.02%至2.0%,视乎钢材的等级。其他有时会用到的合金元素还包括锰、铬、钒和钨。碳与其他元素有硬化剂的作用,能够防止铁原子的晶格因原子滑移过其他原子而出现位错。调整合金元素的量,及其存在与钢中的形式(溶质元素及参与相),就能够控制钢成品的特性,例如硬度、延展性及强度。加了碳的钢会比纯铁更硬更强,但是这种钢的延展性会比铁差。

Stahl: Stahl ist ein Werkstoff, der zum größten Teil aus Eisen besteht. Stahl lässt sich warm oder kalt umformen, er kann also gewalzt, gebogen, gezogen und geschmiedet werden.