钢分级：化学和特性

钢材的定义特性

钢分级系统会考虑化学成分、处理和机械性能，以使制造商能够为其应用选择合适的产品。除了材料中碳和其他合金的实际百分比外，显微组织对钢的力学性能也有显着影响。

了解微观结构的定义以及使用热成型和冷成型以及制造后操纵钢的微观结构的方式非常重要。这些技术可用于开发具有特定机械性能的产品。然而，控制成分和微观结构将导致不同性能之间的权衡。例如，较硬的钢最终可能会降低强度。

微观结构

材料的微观结构是分子通过这些分子之间的作用力结合在一起的方式。加热和冷却过程用于将微观结构从一种形式改变为另一种形式，从而改变材料的性能。

微观结构是肉眼无法观察到的，但可以在显微镜下研究。钢可以采用几种不同的微观结构——铁素体、珠光体、马氏体、渗碳体和奥氏体。

铁氧体

铁氧体是用于描述室温下纯铁分子结构的术语。碳含量非常低的钢也将采用相同的微观结构。铁氧体的特征形状是体心立方（BCC）晶体结构。在视觉上，想象一个立方体，每个角落都有一个分子，立方体中心有一个分子。与在每个立方体内包含更多分子的其他微结构相比，BCC 中的分子更松散地堆积。然而，在不改变铁素体组织的情况下，碳的添加量很低，在室温下仅为0.006%。

奥氏体

奥氏体是铁基合金加热到 1500°F 以上但低于 1800°F 时形成的微观结构。如果钢中存在正确的合金，例如镍，即使在冷却时，材料也会保持这种微观结构。奥氏体的特征形状是面心立方（FCC）晶体结构。在视觉上，想象一个立方体，每个角落都有一个分子，立方体每一侧的中心都有一个分子。奥氏体结构中的分子比铁素体的分子更密集。奥氏体含碳量可达2%，是不锈钢常见的显微组织。

水泥

当碳钢被加热到奥氏体范围时——然后在没有任何合金存在以保持奥氏体形状的情况下冷却——微观结构恢复为铁素体形式。但是，如果碳含量大于 0.006%，则多余的碳原子与铁结合形成称为碳化铁 (Fe3C) 的化合物，也称为渗碳体。渗碳体不会自行产生，因为一些材料会以铁素体形式存在。

珍珠岩

珠光体是由铁素体和渗碳体交替层形成的层状结构。当钢缓慢冷却时会发生这种情况，形成共晶混合物。共晶混合物是两种熔融材料同时结晶的混合物。在这些条件下，铁素体和渗碳体同时形成，在微观结构中形成交替层。

马氏体

马氏体具有体心四方晶体结构。这种微晶形式是通过快速冷却钢获得的，这会导致碳原子被困在铁晶格内。最终结果是铁和碳的非常坚硬的针状结构。具有马氏体微晶结构的钢通常是含铬约12%的低碳钢合金。

对于钢铁制造商和消费者来说，了解钢的微观结构以及它如何影响材料的机械性能非常重要。碳含量、合金浓度和精加工方法都会对微观结构产生影响，因此可用于控制成品的性能。两种合金含量相同的样品可能具有不同的微观结构，具体取决于所使用的精加工方法和热处理。

冷热成型

钢水一旦浇铸，就必须成型为最终形状，然后进行精加工以防止腐蚀。钢通常被铸造成机器就绪的形式：大方坯、钢坯和板坯。然后通过轧制形成铸件。根据材料和目标应用，可以进行热轧、温轧或冷轧。在轧制过程中，压缩变形是通过使用两个工作辊来完成的。轧辊快速旋转，同时拉挤轧辊之间的钢材。

冷成型

冷成型是在钢的再结晶温度以下轧制钢的过程。轧辊对钢施加的压力会导致材料微观结构中的位错，从而在材料中产生晶粒。随着这些位错的增加，钢变得更硬，更难以进一步变形。冷轧还会导致钢材变脆，可以通过热处理来克服。

轧制完成后，采用二次加工工艺对钢件进行精加工，以防止腐蚀并提高机械性能：

• 涂层
• 表面处理
• 热处理

热处理

热处理的效果

钢的微观结构可以通过控制加热和冷却来改变。这导致了各种热处理方法的发展，以改变微观结构并获得所需的机械性能变化。

钢的微观结构在特定温度下经历相变。热处理是基于对某些转变点的理解和操纵：

• 正常化温度
  奥氏体是形成其他结构的相。大多数热处理首先将钢加热到 1500-1800°F 的均匀奥氏体相。
• 上临界温度
  上限临界温度是渗碳体或铁素体开始形成的温度。这发生在钢从正火温度冷却时。根据碳含量，该点位于 1333–1670°F 之间。
• 下临界温度
  下临界温度是奥氏体向珠光体转变的点。奥氏体不能在低于 1333°F 的临界温度以下存在。

冷却速度——从正火温度到上下临界温度——将决定最终钢在室温下的微观结构。

热处理包括一系列工艺，包括退火、淬火和回火。在钢中，延展性和强度成反比关系。热处理可以以牺牲强度为代价增加延展性，反之亦然。

热处理的种类

球化

当碳钢加热到大约 1290°F 30 小时时，就会发生球化。珠光体显微组织中的渗碳体层转变为球状体，是钢的最软和最具延展性的形式。

完全退火

碳钢通过首先加热略高于上限临界温度（保持该温度一小时）进行退火，然后以每小时约 36°F 的速度冷却。这个过程产生了粗大的珠光体结构，具有延展性，没有内应力。

工艺退火

工艺退火可减轻冷加工低碳钢 (> 0.3% C) 的应力。将钢加热到 1025–1292°F 持续一小时。微观结构中的位错通过冷却前晶体的重整得到修复。

等温退火

高碳钢首先加热到上临界温度以上。然后保持，冷却到较低的临界温度，并再次保持。然后逐渐冷却至室温。该过程确保材料在下一个冷却步骤之前达到均匀的温度和微观结构。

标准化

碳钢加热到正火温度一小时。此时，钢完全进入奥氏体相。然后将钢进行空气冷却。正火可形成具有高强度和硬度的精细珠光体显微组织。

淬火

中碳钢或高碳钢加热到正火温度，然后淬火（通过浸入水、盐水或油中快速冷却）到上限临界温度。淬火过程会产生马氏体结构——非常硬，但很脆。

回火淬火钢

最常见的热处理，因为它的结果可以准确预测。将淬火钢重新加热到低于下临界点的温度，然后冷却。温度因预期结果而异——最常见的是 298–401°F 范围。这个过程通过使一些球状体形成来恢复脆性淬火钢的一些韧性。

机械性能

机械性能是根据 ASTM（美国材料试验协会）或 SAE（汽车工程师协会）等国际标准测量的。

钢的关键力学性能

硬度

硬度是材料承受磨损的能力。提高硬度可以通过提高碳含量和淬火形成马氏体来实现。

实力

金属强度是使材料变形所需的力。正火处理一块钢将通过在整个材料中形成一致的微观结构来提高其强度。

延展性

延展性是金属在拉应力下变形的能力。由于微观结构中的位错，冷成型钢具有低延展性。工艺退火将通过使晶体重新形成从而消除一些位错来改善这一点。

韧性

韧性是承受压力而不断裂的能力。淬火钢可以通过回火来提高韧性，从而在微观结构中增加球体。

可加工性

可加工性是钢通过切割、磨削或钻孔成型的难易程度。可加工性主要受硬度影响。材料越硬，加工就越困难。

焊接性

可焊性是钢被焊接而没有缺陷的能力。它主要取决于化学成分和热处理。熔点以及导电性和导热性都会对材料的可焊性产生影响。

有关钢的机械性能和测试的更多信息，请参阅铸钢件的性能和生产。

质量描述符

质量描述符适用于广泛类别的钢铁产品，例如商业、工业或结构质量。这些标签将某些钢材标记为适用于特定应用和制造工艺，从而加快市场导航和决策制定。钢材根据几个不同的因素被划分到特定的类别中：

• 内部健全
• 化学成分和均匀度
• 表面缺陷程度
• 制造过程中的测试范围
• 夹杂物的数量、大小和分布
• 淬透性

钢材分级系统

规范，例如由 ASTM、AISI（美国钢铁协会）和 SAE 发布的规范，为工程师、制造商和消费者提供了一种标准语言来交流钢的特性。分级通常非常具体——包括化学成分、物理特性、热处理、制造工艺和形式等所有方面。

ASTM

ASTM 系统使用描述性字母后跟序列号。例如，“A”表示黑色金属，“53”表示镀锌碳钢的编号。

ASTM A53 将具有以下特性：

• 化学成分，最大百分比
  • 碳：0.25（A 级）、0.30（B 级）
  • 锰：0.95（A 级）、1.20（B 级）
  • 磷：0.05
  • 硫：0.045
• 机械性能
  • 抗拉强度，UTS：330 MPa 或 48,000 psi（A 级）、414 MPa 或 60,000 psi（B 级）
  • 抗拉强度，屈服强度：207 MPa 或 30,000 psi（A 级）、241 MPa 或 35,000 psi（B 级）
• 形式与治疗
  • 管道 NPS 1/8 – NPS 26
  • 镀锌钢
  • 黑色和热浸
  • 镀锌
  • 焊接无缝

SAE

AISI/SAE 编号系统使用 4 位数字进行分类。前两位数字表示钢种和合金元素浓度，后两位数字表示碳浓度。

例如，SAE 5130 描述了一种含有 1% 铬和 0.30% 碳的钢。字母前缀用作商家质量的质量描述符。