鋼

鋼或稱鋼鐵、鋼材，是一種由鐵與其他元素結合而成的合金，當中最普遍的是碳，亦是現時最受廣泛應用的金屬材料。碳約佔鋼材重量的0.02%至2.0%，視乎鋼材的等級。其他有時會用到的合金元素還包括錳、鉻、釩和鎢。碳與其他元素有硬化劑的作用，能夠防止鐵原子的晶格因原子滑移過其他原子而出現位錯。調整合金元素的量，及其存在於鋼中的形式，就能夠控制鋼成品的特性，例如硬度、延展性及強度。加了碳的鋼會比純鐵更硬更強，但是這種鋼的延展性會比鐵差。含碳量高於2.0%的合金叫鑄鐵，因為這種合金的熔點較低，可鑄性強。鋼又跟熟鐵不同，熟鐵可以含有少量的碳，但這些碳雜質都是夾雜在鋼中的殘留熔渣。鋼有兩種跟鑄鐵和熟鐵不同的特性，就是鋼的耐鏽度較高，以及可焊度更佳。儘管在文藝復興之前很久，人們已經懂得使用各種低效的方法來生產鋼，但是鋼的普及化要等到十七世紀，也就是有了更高效的生產法之後。自從在十九世紀發明瞭貝塞麥煉鋼法之後，鋼就成了一種可大量生產的廉價材料。後來煉鋼法經過更多的改進，例如鹼性氧氣煉鋼法，使得鋼的生產價格更低，但同時品質更好。時至今日，鋼已經成為世界上普遍的材質，年生產量達十三億噸。在各種建築、基礎設施、工具、船隻、汽車、機械、電器及武器中，鋼都是一種主要的成份。現代鋼鐵一般用各種標準化團體所制定的不同品質標準來區分。材質屬性.地球地殼上所有的天然鐵都是以礦石的形式存在，一般為氧化鐵，例如磁鐵礦及赤鐵礦等。要提取鐵，就要把鐵礦中的氧移除，讓氧與其他的化學元素結合，例如碳。這個過程叫熔煉，最早應用於熔點較低的金屬，例如熔點約為250 °C的錫及熔點約為1,100 ℃的銅。而鑄鐵的熔點則為1,375 ℃。這種溫度用青銅時代已經有的古老方法就可以達到。由於氧化率在800 ℃以上時會急劇增加，所以保持冶煉環境低氧是很重要的。跟銅與錫不同的是，液態鐵能夠很容易地溶解碳。熔煉所生成的合金含碳量過高，因此還不能叫作鋼。後續的步驟會把多餘的碳和氧除掉。很多時候會向鐵／碳化合物加入其他材料，來達至所需的特性。在鋼裡加入鎳和錳會增加鋼的強度，並使沃斯田鐵的化學性質更加穩定，加入鉻會使硬度及熔點上昇，加入釩也可以使硬度上昇，但同時更會減輕金屬疲勞所帶來的效應。為了防止腐蝕，最少會要加入11%的鉻，這樣表面就會生成一層硬的氧化物；這種合金叫不鏽鋼。鎢能-{幹}-預雪明碳鐵的生成，使麻田散鐵得以在較低的淬火率下生成，這樣的成品叫高速鋼。另一方面，硫、氮與磷會使鋼變得更脆弱，因此必須從礦石中除掉這些普遍存在的元素。鋼的密度會隨合金的成份而改變，但一般介於7,750至8,050 kg/m3。即使在不同鋼裡面的濃度差異是如此的小，碳－鋼混合物還是可以形成一些不同的結構，這些結構各自有著很不一樣特性。要煉出高品質的鋼，是必須明白這些特性的。在室溫下，鐵最穩定的形式是體心立方晶格結構的α-鐵素體。這是一種頗軟的金屬材料，而且只能溶解很小量的碳，於723 ℃時上限為0.021 wt%，而0 ℃時則為0.005%。在煉的溫度下，若鋼的含碳量超過0.021%，它就會轉化為面心立方晶格的結構，叫沃斯田鐵，或γ-鐵。它亦是一種軟的金屬材料，但是它能溶解相當多的碳，於1,148 ℃達2.1%，反映出鋼的含碳量上限。當鋼的含碳量少於0.8%時，冷卻的結構則會形成珠光體和滲碳體。也許最重要的同質多形體是麻田散鐵，因為它是一種介穩相，所以比其他鋼相的強度要高很多。當鋼處於沃斯田鐵相時，再受到淬火後會形成馬氏體，這是因為當晶格架構從面心立方轉成體心立方時，原子需要被“凍結”在原位的緣故。視乎沃斯田鐵相的碳含量，會形成不同的結構。當含碳量低於0.2%時，會形成體心立方結構的α-鐵素體，而當含碳量較高時則會形成體心四方結構。從沃斯田鐵到馬氏體的變換，並不需要活化能。而且沒有成份改變，因此原子一般保留變換前的鄰居。馬氏體的密度比沃斯田鐵低，因此兩者在互相變換時體積也會改變。所以在沃斯田鐵轉成馬氏體時，會發生膨脹。這種膨脹所做成的內部應力，一般會對馬氏體的晶體進行壓縮，同時對餘下的鐵素體施行張力，並且還有相當量的剪應力作用於這兩種成份上。如果淬火做得不完全的話，內部應力可能把會在冷卻時導致斷裂。在最低限度上，還會導致內部加工硬化及其他微觀上的瑕疵。用水作冷卻處理時，很多時候會形成斷裂，儘管裂痕不一定可見。熱處理.鋼有多種不同的熱處理過程。最常見的是退火及調質。退火是把鋼高溫加熱到軟化的過程。這個過程發生時會經過三個相：回復、再結晶及晶粒成長。鋼退火所需的溫度取決於退火的型別，以及合金的成份。調質過程會把一部份的馬氏體轉化成滲碳體，或球化波來鐵，轉化會減少鋼內部的應力和瑕疵，因此鋼最後會變得更有韌性，更不易斷。鋼材的生產.當鐵礦準備被商業過程提煉前，鐵礦的含碳量仍然是太高。要得到鋼，必須把礦石熔掉，並重新處理來減低含碳量至適當水平，而在這個時候還可以加入其他元素。然後把液體用連續鑄造法鑄成厚鋼板，又或是用鑄造法鑄成鋼錠。大約96%的鋼是用連續鑄造法處理，而只有4%的鋼被鑄成鋼錠。之後把鋼放進均熱爐裡加熱，再用熱軋軋成厚鋼板、鋼塊或鋼坯。厚鋼板會被熱或冷軋成鋼片或薄鋼板。鋼坯會被熱或冷軋成鋼條、鋼棒及鋼線。鋼塊則會被被熱或冷軋成結構鋼，如-{zh-hans:工字梁;zh-hant:H型鋼}-及鐵路軌道。在現代鑄造廠中，這些過程一般會以裝配線的形式運作，也就是鑄造廠輸入礦石，輸出鋼成品。有時鋼在軋完以後會再接受一次熱處理，來增加強度，然而會這樣做的廠商是相對地少。煉鋼的歷史.古代鋼.自古以來，人們已經知道鋼的存在，當時的熔煉可能是用鍊鋼爐，或其他熔鐵設施，而裡面燒的是碳。已知最早的鋼成品是一塊鐵器，出土於土耳其安那託利亞的卡曼－卡萊赫於克遺跡，約有四千年的歷史。其他古代鋼來自東非，可追溯至公元前1400年。在公元前4世紀，伊比利亞半島出產了像利刃彎刀這種鋼兵器，而古羅馬軍隊則在用諾裡庫姆出產的鋼兵器。中國人早在戰國時代，中國人更創造出用熟鐵和鑄鐵熔在一起煉鋼，於是用這種技術在公元一世紀就做出了中碳鋼。東非的哈亞人在接近2,000年前就發明瞭一種高熱高爐，使得他們在那個時候能用1,802 ℃的高溫來鍛造碳鋼。烏茲鋼.高碳鋼最早的生產證據出現於印度次大陸，出土地為斯里蘭卡的莎瑪納拉威瓦。印度在公元前300年就開始生產烏茲鋼。自從烏茲鋼的鍛造法在公元五世紀從印度傳入了中國，中國人除了使用他們本身原創的鍛鋼法，也採用了烏茲鋼的生產法，做出來的鋼叫做鑌鐵。在斯里蘭卡，這種早期的煉鋼法用到一種特殊的送風式爐，它用的風是季風，能夠生產出高碳鋼。烏茲鋼也叫大馬士革鋼，以其耐用性，與所製刀刃不易損而聞名。最早是由多種不同的材料製成，當中包括各種稀有元素。它本質上是一種以鐵為主的複雜合金。最近研究指出，它的內部結構中含有碳奈米管，所以這可能就是它那有名特性的介於當時的鑄造技術有限，做出這種結構大概是出於偶然，而不是有意。送風式爐用的是天然風，爐內放置含鐵的土壤，並用木材加熱。古代的僧伽羅人成功從每兩噸的土壤中提煉出一整噸的鋼材，當時來說可謂成就卓越。考古學家在莎瑪納拉威瓦找到了這樣的一個爐，並成功用古人的方法來生產鋼鐵。把純鐵與碳放在一起於坩堝內慢慢加熱，冷卻後就能得到坩堝鋼，在公元九至十世紀前，梅爾夫這個地方就已經在生產坩堝鋼。在十一世紀，有證據指出宋朝的中國共有兩種煉鋼法：一種把小量熟鐵跟鑄鐵熔在一起，用於生產不均勻的次等鋼；另一種是現代貝塞麥煉鋼法的前身，透過在冷爐風下的重覆鍛造，達到不完全除碳的效果。現代煉鋼.從十七世紀起，歐洲式煉鋼的第一步就是用高爐把鐵礦煉成生鐵。最早期爐子裡燒的是木炭，現代方法則改為燒焦炭，事實證明後者要比前者便宜得多。從鐵條開始的過程.在這些過程中，生鐵需要在精煉廠中接受精煉，以生產出鐵條，之後再拿鐵條去煉鋼。用滲碳法煉鋼的程式被記載於一篇在1574年布拉格出版的論文中，並且早在1601年紐倫堡人就在用這方法煉鋼。一本在1589年那不勒斯出版的書中有提及相近的方法，用於製作經表面硬化的盔甲與銼。這套程式在1614年被引入英格蘭，而巴茲爾·布魯克爵士於1610年代在什羅普郡的柯爾布魯德爾生產這種鋼。這套方法的原材料是熟鐵造的鐵條。在十七世紀期間，最好的熟鐵是瑞典斯德哥爾摩以北所產的厄勒格倫德鐵。到了十九世紀這種鐵還是最常用的原料，也就是在用這套方法的期間，幾乎用的都是這種鐵。在坩堝裡燒出來的鋼叫坩堝鋼，它是沒有經過鍛造的，因此成品會比均勻。以前大部份的爐都不能達到能熔掉鋼的溫度。現代的坩堝鋼工業最早是由本傑明·漢特斯曼於1740年代的發明所衍生的。一般會把滲碳鋼放在坩堝或熔爐裡面熔掉，然後鑄成鋼錠。從生鐵開始的過程.煉鋼的現代史從1858年引進亨利·貝塞麥的貝塞麥煉鋼法開始。他的原料是生鐵。他的煉鋼法讓低成本大量生產變得可行，因此從前用熟鐵的地方現在都用軟鋼。吉爾克萊斯特-託馬斯煉鋼法是貝塞麥煉鋼法的改良版，就是在轉爐內部鋪上一層鹽基材料，以達到除磷的效果。煉鋼的另一項改良就是西門子－馬丁煉鋼法，能夠補足貝塞麥煉鋼法的缺點。在使用鹼性氧氣煉鋼的林茨－多納維茨煉鋼法出現後，上述的煉鋼法都被淘汰了，鹼性氧氣煉鋼法及其他氧氣煉鋼法是在1950年代被開發出來的。鹼性氧氣煉鋼法比其他方法優勝是因為，被泵到表面上的氧氣會限制雜質，而從前雜質能夠從所用的空氣中進入。時至今日，用電弧爐來重新處理廢金屬是很常見的，處理後能生產出新的鋼。它也可用於把生鐵轉化成鋼，但需要使用大量電力，所以一般只能在有大量廉價電力供應的情況下才有經濟效益。鋼鐵工業.現在我們都把鋼和鐵工業合稱為“鋼鐵工業”，好像它們本身就是一個個體，但是在歷史上它們是不同的產品。鋼工業通常被用作經濟進度的指標，因為鋼在基礎設施與整體經濟發展中有著舉足輕重的角色。在1980年，美國共有500,000名鋼鐵工人。到2000年，數量減至224,000人。中國與印度經濟的急劇增長，導致近年對鋼鐵的需求量也跟著大量增加。在2000年至2005年之間，世界鋼鐵的需求量共增加了6%。自2000年起，好幾家印度及中國鋼鐵商成功突圍而出，晉身世界一流，例如塔塔鋼鐵、上海寶鋼集團及江蘇沙鋼集團。然而，安賽樂米塔爾仍然是世界最大的鋼鐵生產商。英國地質調查局指出，在2005年中國是世界第一名的鋼鐵生產國，佔全球總產量的三分之一，而第二、三、四名分別為日本、俄羅斯及美國。倫敦金屬交易所於2008年開始將鋼材列入交易範圍。在2008年底，鋼鐵工業面對了一場激烈的衰退，因此做了不少削減。現代鋼材.為了滿足各樣不同的用途，現代鋼材有著各種不同的合金金屬組合。碳鋼的構成很簡單，只有碳和鐵兩種元素，佔鋼材生產量的90% 。高強度低合金鋼含有小量其他元素，需要加入最少11%的鉻，通常還會再加鎳。一些不鏽鋼，如鐵素體不鏽鋼帶磁性，而沃斯田鐵不鏽鋼則不帶磁性。其他更現代的鋼材還包括工具鋼，合金元素為大量的鎢與鈷或其他元素，它們能夠使固體溶液強化的效果最大化。同時還使析出硬化變得可行，並因此加強了鋼的耐熱性。工具鋼一般用於製作斧頭、鑽頭及其他需要又鋒利又耐久刃面的裝置。其他特殊用的鋼還包括耐候鋼，例如高登鋼，在風化作用下會生成一層穩定的氧化表層，因而可以在不需塗漆就能在戶外使用。還有其他高強度鋼，例如雙相鋼，它是用熱處理來使其鋼體同時含有鐵素體及馬氏體微結構，因此強度較一般鋼高。相變誘發塑性鋼也就是TRIP鋼，是一種含有殘餘奧氏體的低碳、低合金高強度鋼。TRIP效應是指殘餘奧氏體向馬氏體轉變使得強度和塑性同時提高的效應。TRIP鋼的典型顯微組織主要由鐵素體、貝氏體、殘餘奧氏體組成，可能還有少量馬氏體。碳是奧氏體穩定化元素，碳含量太低，則不會產生TRIP效應，但是碳含量過高，會造成焊接效能下降。矽是鐵素體元素，不僅可以增加參與奧氏體穩定性，還能夠抑制冷卻過程中滲碳體的形成。更高的矽和碳含量會使TRIP鋼中的殘餘奧氏體體積分數提高。。麻時效鋼是鐵、鎳及其他元素的合金，但與其他鋼不同的是，它基本上不含碳，所以就生成了一種強度非常高，但同時帶有延展性的金屬。雙晶誘發塑性鋼用一種特殊的應變，來增加加工硬化對合金的有效度。埃格林鋼用了超過十二種的元素，以不同量的組合來做出一種可用於碉堡破壞彈等武器的合金，而且成本相對地低。哈特菲鋼含有12-14%的錳，能在磨損時生成一層極硬的表層，防止磨耗。應用例子包括坦克履帶、推土機上的推土刀邊緣，以及生命之鉗的切割刃。大部份常用鋼鐵合金，一般用各種標準化團體所制定的不同品質標準來區分。例如，汽車工程師協會有一系列的等級，區分很多種不同的鋼鐵。美國材料和試驗協會有另外一套標準，將合金進行區分，例如美國最常用的結構鋼A36鋼。將鋼熱浸於鋅中或在鋼上電鍍上一層鋅，這樣能保護表層防止生鏽，雖然這種鍍鋅鋼不是一種合金，但是它也是一種常用的鋼。用途.鐵和鋼都被廣泛地應用於建造道路、鐵路、其他基礎設施、裝置與建築。大部份的現代架構，諸如體育場與摩天大樓、橋樑與機場，都是用鋼製的支架來支撐。就算是用混凝土的結構，也要用鋼筋來加固。此外，鋼在家用電器與汽車製造都有廣泛應用。儘管用鋁的汽車主體正在增加，但是它們的主要材料仍然是鋼。鋼也被用於各種建造用的材料，例如螺栓、釘子及螺絲。其他常見應用還包括造船、輸送管道、採礦、離岸建設、航天、白色家電。鋼還是不少現代雕塑家喜用的金屬素材。歷史上.在引進貝塞麥煉鋼法及其他現代方法以前，鋼是價值不菲的，所以只在沒有更便宜替代品的情況下使用，尤其是各種需要又硬又鋒利刀刃的切割工具，例如刀子、刮鬍刀、劍等。鋼也被用於製作彈簧，包括鐘錶裡的彈簧。自從生產方法改進，變得更迅速更節約後，要得到鋼就比較容易，價格也因而降下來，二十世紀後期塑膠的出現，使得鋼的一些應用被取代，因為塑膠成本更低，而且重量更輕。低背景鋼.由於核試的關係，所以在第二次世界大戰之後生產的鋼，會受到放射性同位素的汙染。於是1945年之前生產的鋼，被稱為低背景鋼，這種鋼材被用於對輻射敏感的特定用途，例如蓋革計數器及輻射遮蔽。