钢材分级详解：化学成分、性能与选材指南

钢材的定义特征

钢材分级系统考虑化学成分、处理和力学性能，使制造商能为应用选择合适产品。除材料中实际碳和其他合金百分比外，显微组织对钢材力学性能也有显著影响。

理解显微组织定义——及钢材显微组织如何通过热加工、冷加工和制造后处理操控——至关重要。这些技术可开发具有特定力学性能的产品。然而，操控成分和显微组织会导致不同性能间权衡。例如，更硬钢材可能最终强度降低。

显微组织

材料显微组织是分子结合方式及分子间作用力的排布。加热冷却工艺用于将显微组织从一种形式转变为另一种，从而改变材料性能。

显微组织肉眼不可见，但可显微镜下研究。钢可采用几种截然不同的显微组织——铁素体、珠光体、马氏体、渗碳体、奥氏体。

铁素体

铁素体是室温下纯铁分子结构术语。极低碳钢也采用此显微组织。铁素体特征形状为体心立方 (BCC) 晶体结构。形象地，想象立方体每角一个分子、立方体中心一个分子。分子在 BCC 中堆积较疏松，不如其他含更多分子单位晶胞的显微组织紧密。但室温下不改变铁素体显微组织所能添加碳量极低，仅 0.006%。

奥氏体

奥氏体是铁基合金加热至 1500°F 以上 1800°F 以下形成的显微组织。若钢含正确合金（如镍），冷却后仍保持此显微组织。奥氏体特征形状为面心立方 (FCC) 晶体结构。形象地，想象立方体每角一个分子、每面中心一个分子。奥氏体构型分子比铁素体更密集。奥氏体可含碳达 2%，是不锈钢常见显微组织。

渗碳体

碳钢加热至奥氏体范围——然后无合金保持奥氏体形状冷却——显微组织恢复铁素体形式。但若碳含量超 0.006%，多余碳原子与铁结合形成化合物碳化铁 (Fe3C)，即渗碳体。渗碳体不单独存在，因部分材料保持铁素体形式。

珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体交替层形成的层状结构。钢缓慢冷却形成共晶混合物时产生。共晶混合物指两种熔融材料同时结晶。此条件下铁素体和渗碳体同时形成，导致显微组织内交替层。

马氏体

马氏体具有体心四方晶体结构。此微晶形式通过快速冷却钢获得，致使碳原子困在铁晶格内。净结果是极硬、针状铁碳结构。马氏体微晶结构钢通常为含约 12% 铬的低碳钢合金。

钢材制造商和消费者理解钢显微组织及其对力学性能影响很重要。碳含量、合金浓度、精加工方法均影响显微组织，可用于操控成品性能。两相同合金含量样品因精加工方法和热处理不同，可能有不同显微组织。

热加工与冷加工

熔融钢铸造后，须成型最终形状再精加工防腐蚀。钢通常铸造成机加工就绪形式：大方锭、方坯、板坯。铸造形状再轧制成型。轧制可热、温、冷进行，视材料和目标应用。轧制时，用两个工作辊实现压缩变形。辊快速旋转同时拉拽挤压钢材。

冷加工

冷加工是再结晶温度以下轧制钢材过程。辊对钢施加压力导致材料显微组织位错，从而形成晶粒。位错累积随钢变硬、更难进一步变形。冷轧也致钢变脆，可通过热处理克服。

轧制完成后，钢件用二次加工技术精加工防腐蚀改善力学性能：

• 涂层
• 表面处理
• 热处理

热处理

热处理效果

钢显微组织可通过受控加热冷却改变。这导致开发各种热处理方法修改显微组织达成期望力学性能变化。

钢显微组织在特定温度经历相变。热处理基于理解操控特定转变点：

• 正火温度
  奥氏体是形成其他结构的相。大多数热处理始于将钢加热至 1500-1800°F 均匀奥氏体相。
• 上临界温度
  上临界温度是渗碳体或铁素体开始形成的点。钢从正火温度冷却时发生。视碳含量，此点在 1333-1670°F 间。
• 下临界温度
  下临界温度是奥氏体-珠光体转变点。奥氏体不能存在于 1333°F 以下下临界温度。

冷却速率——从正火温度经上下临界温度至室温——决定室温下钢最终显微组织。

热处理包括多种工艺：退火、淬火、回火。钢中延展性与强度呈反比。热处理可牺牲强度增韧，或反之。

热处理类型

球化退火

碳钢加热至约 1290°F 保持 30 小时发生球化。珠光体显微组织中渗碳体层转化为球状，产生最软最延展钢形式。

完全退火

碳钢先加热略超上临界温度——保持 1 小时——再以约 36°F/小时速率冷却。此工艺产生粗珠光体结构，延展且无内应力。

工艺退火

工艺退火消除冷加工低碳钢（>0.3% C）应力。钢加热至 1025-1292°F 1 小时。显微组织位错通过晶体重组修复再冷却。

等温退火

高碳钢先加热超上临界温度。然后保持、冷却至下临界温度、再保持。然后逐渐冷却至室温。此工艺确保材料达均匀温度显微组织后再进一步冷却步骤。

正火

碳钢加热至正火温度 1 小时。此时钢完全进入奥氏体相。然后空冷。正火产生细珠光体显微组织，高强高硬。

淬火

中高碳钢加热至正火温度，然后淬火（水、盐水、油中快速冷却）至上临界温度。淬火产生马氏体结构——极硬但脆。

回火淬火钢

最常用热处理因结果可准确预测。淬火钢再加热至下临界点以下温度，然后冷却。温度视预期结果变化——298-401°F 最常用。此工艺允许一些球化体形成，恢复脆性淬火钢部分韧性。

力学性能

力学性能按 ASTM（美国材料试验协会）或 SAE（汽车工程师学会）等国际标准测量。

钢材关键力学性能

硬度

硬度是材料耐磨损能力。提高碳含量、淬火形成马氏体可增加硬度。

强度

金属强度是使材料变形所需力。正火钢材通过创建一致显微组织提高强度。

延展性

延展性是金属在拉应力下变形能力。冷成型钢因显微组织位错延展性低。工艺退火通过晶体重组消除部分位错改善此项。

韧性

韧性是承受应力不破裂能力。淬火钢回火添加球化体改善韧性。

可加工性

可加工性是钢材通过切削、磨削、钻孔成型难易度。主要受硬度影响。材料越硬越难加工。

可焊性

可焊性是钢材无缺陷焊接能力。主要取决于化学成分和热处理。熔点、电热导率均影响材料可焊性。

钢铸件性能与生产详见钢铸件性能与生产。

质量描述符

质量描述符按商业、工业、结构质量等大类应用于钢产品。这些标签标记特定钢适合特定应用制造工艺，加快市场导航决策。钢基于以下因素分入特定类别：

• 内部健全性
• 化学成分均匀性
• 表面缺陷程度
• 制造中测试程度
• 夹杂物数量、大小、分布
• 淬透性

钢材分级系统

ASTM、AISI（美国钢铁协会）、SAE 等发布的规范为工程师、制造商、消费者提供沟通钢材性能的标准语言。分级常极具体——含化学成分、物理性能、热处理、制造工艺、形式等一切。

ASTM

ASTM 系统用描述字母加顺序号。如 'A' 表示铁基金属，'53' 为镀锌碳钢编号。

ASTM A53 具有以下性能：

• 化学成分，最大 %
  • 碳：0.25 (A 级)，0.30 (B 级)
  • 锰：0.95 (A 级)，1.20 (B 级)
  • 磷：0.05
  • 硫：0.045
• 力学性能
  • 抗拉强度，UTS：330 MPa 或 48,000 psi (A 级)，414 MPa 或 60,000 psi (B 级)
  • 屈服强度：207 MPa 或 30,000 psi (A 级)，241 MPa 或 35,000 psi (B 级)
• 形式与处理
  • 管 NPS 1/8 – NPS 26
  • 镀锌钢
  • 黑管和热浸镀锌
  • 锌涂层
  • 焊接和无缝

SAE

AISI/SAE 编号系统用 4 位数字分类。前两位指示钢类和合金元素浓度，后两位指示碳浓度。

例如 SAE 5130 描述含 1% 铬和 0.30% 碳的钢。字母前缀用作商业质量描述符。