钢的等级:化学和性能

钢的决定性特征

钢分级系统考虑化学成分、处理和机械性能，使制造商能够选择适合其应用的产品。除了材料中碳和其他合金的实际百分比外，微观组织对钢的力学性能也有很大的影响。

重要的是理解微观组织的定义，以及钢的微观组织可以通过热、冷成形和制造后的操作方式。这些技术可用于开发具有特定机械性能的产品。亚博账号审核不过然而，操纵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强度降低。

微观结构

材料的微结构是分子之间的作用力结合在一起的方式。加热和冷却过程被用来改变微观结构从一种形式到另一种形式，从而改变材料的性能。

微观结构不能用肉眼观察，但可以在显微镜下研究。钢可以采用几种不同的组织-铁素体、珠光体、马氏体、渗碳体和奥氏体。

铁素体

铁氧体是指纯铁在室温下的分子结构。低碳含量的钢也会采用同样的组织。铁氧体的特征形状是体心立方(BCC)晶体结构。视觉上，想象一个立方体，每个角落都有一个分子，立方体的中心有一个分子。分子在BCC中比在每个立方体中包含更多分子的其他微观结构中更松散。然而，在不改变铁素体组织的情况下，碳的添加量很低，在室温下只有0.006%。

奥氏体

奥氏体是铁基合金在1500˚F以上、1800˚F以下加热时形成的组织。如果在钢中存在正确的合金，比如镍，即使在冷却后，材料也会保持这种组织。奥氏体的特征形状为面心立方(FCC)晶体结构。视觉上，想象一个立方体，每个角上都有一个分子，立方体的每个边的中心都有一个分子。奥氏体结构的分子比铁氧体结构的分子堆积得更密。奥氏体含有高达2%的碳，是一种常见的微观组织不锈钢．

渗碳体

当碳钢加热到奥氏体范围，然后在没有合金存在的情况下冷却以保持奥氏体形状时，其组织又恢复到铁素体形态。然而，如果碳含量大于0.006%，多余的碳原子与铁结合形成一种叫做铁碳化物(Fe3C)的化合物，也称为渗碳体。渗碳体本身不会发生，因为一些材料仍以铁素体形式存在。

珠光体

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，就会形成共晶混合物。共晶混合物是两种熔融物质同时结晶的混合物。在这些条件下，铁素体和渗碳体同时形成，导致组织内交替层。

马氏体

马氏体具有体心四方晶状结构。这种微晶形式是通过快速冷却钢获得的，这导致碳原子被困在铁晶格内。最终的结果是铁和碳形成了非常坚硬的针状结构。具有马氏体微晶结构的钢通常是含12%铬的低碳钢合金。

对于钢铁制造商和消费者来说，了解钢的微观结构及其如何影响材料的力学性能是很重要的。碳含量、合金浓度和整理方法都对组织有影响，因此可以用来控制成品的性能。由于加工方法和热处理方式的不同，具有相同合金含量的两个样品可能会有不同的显微组织。

冷热成形

一旦钢水投在生产过程中，必须先将其成形，然后进行加工以防止腐蚀。钢通常被浇铸成可供机器使用的形式:钢坯、钢坯和钢坯。然后通过轧制形成铸件形状。根据材料和目标应用，可以进行热、温或冷轧制。轧制过程中，压缩变形由两个工作辊完成。轧辊快速旋转，同时在它们之间拉动和挤压钢材。

冷成型

冷成形是在再结晶温度以下轧制钢材的过程。轧辊施加在钢上的压力在材料的组织中造成了位错，因此在材料中产生了晶粒。随着这些位错的增加，钢变得更硬，更难以进一步变形。冷轧也会使钢变脆，这可以通过热处理加以克服。

轧制完成后，钢材采用二次加工工艺进行加工，以防止腐蚀，提高机械性能:

• 涂层
• 表面处理
• 热处理

热处理

热处理效果

通过控制加热和冷却，可以改变钢的组织。这导致了各种热处理方法的发展，以修改组织和达到预期的力学性能的变化。

钢的微观组织在特定温度下会发生相变。热处理是基于对某些转化点的理解和操作:

• 正火温度
  奥氏体是形成其他组织的相。大多数热处理开始时将钢加热到1500-1800°F的均匀奥氏体相。
• 上临界温度
  临界温度的上限是渗碳体或铁素体开始形成的临界点。当钢从正火温度冷却时就会发生这种情况。根据碳含量的不同，这个温度在1333-1670华氏度之间。
• 较低的临界温度
  较低的临界温度是奥氏体向珠光体转变的临界点。奥氏体不能在低于1333°F的临界温度下存在。

从正火温度到上临界温度和下临界温度的冷却速率将决定钢在室温下的显微组织。

热处理包括一系列过程，包括退火、淬火和回火。钢的延性与强度成反比关系。热处理可以增加延展性而降低强度，反之亦然。

热处理类型

球化处理

球化时碳钢加热到大约1290华氏度，并持续30小时。珠光体组织中的渗碳体层转变成球状，形成最柔软、最具韧性的钢形式。

完全退火

碳钢的退火过程是这样的:首先加热温度略高于临界温度，保持该温度一小时，然后以大约每小时36°F的速度冷却。这一过程产生了粗珠光体结构，在没有内应力的情况下具有延展性。

中间退火

工艺退火可以减轻冷加工低碳钢(> 0.3% C)的应力。将钢加热至1025-1292°F一小时。显微组织中的位错在冷却前通过晶体的重整得到修复。

等温退火

首先将高碳钢加热到临界温度以上。然后它被维持，冷却到较低的临界温度，并再次维持。然后逐渐冷却到室温。这一过程确保材料在下一步冷却前达到均匀的温度和微观结构。

正常化

将碳钢加热至正火温度一小时。此时，钢完全进入奥氏体相。然后用空气冷却钢。正火可产生良好的珠光体组织，具有较高的强度和硬度。

淬火

中碳钢或高碳钢加热至正火温度，然后淬火(浸入水、盐水或油中快速冷却)至临界温度上限。淬火过程会产生马氏体组织——极硬但易脆。

热处理淬火钢

最常见的热处理，因为它的结果可以准确预测。淬火钢再加热到低于低临界点的温度，然后冷却。温度根据预期的结果而变化，最常见的温度范围是298-401°F。这个过程通过形成一些球状体，使淬火后的钢恢复一些韧性。

机械性能

机械性能的测量符合国际标准，如ASTM(美国测试与材料学会)或SAE(汽车工程师协会)。

钢的关键力学性能

硬度

硬度是指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导致马氏体的形成来实现。

强度

金属强度是使材料变形所必需的力的大小。通过在整个材料中创建一致的微观结构，将一块钢正常化将提高其强度。

延性

延展性是金属在拉应力作用下变形的能力。冷弯钢由于组织中存在位错，塑性较低。工艺退火将改善这一点，使晶体重新形成，从而消除一些位错。

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使其更加坚硬，回火使其组织中增加了球状体。

切削加工性能

可加工性是指通过切割、磨削或钻削使钢成形的容易程度。可加工性主要受硬度的影响。材料越硬，越难加工。

可焊性

可焊性是指钢焊接时无缺陷的能力。它主要取决于化学成分和热处理。熔点，以及电导率和导热率，都对材料的可焊性有影响。

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

质量描述符适用于钢铁产品的广泛类别，如商业、工业或结构质量。亚博账号审核不过这些标签表明某些钢适合于特定的应用和制造过程，允许更快的市场导航和决策。根据几个不同的因素，钢铁被分为不同的类别:

• 内部质量
• 化学成分及均匀性
• 表面缺陷度
• 制造过程中测试的范围
• 夹杂物的数量、大小和分布
• 淬透性

钢分级系统

ASTM、AISI(美国钢铁协会)和SAE发布的规范为工程师、制造商和消费者交流钢的性能提供了标准语言。分级通常是非常具体的，包括化学成分、物理性质、热处理、制造工艺和形状等。

ASTM

ASTM系统使用一个描述性的字母，后面跟着一个连续的数字。例如，“A”表示黑色金属，“53”是镀锌碳钢的编号。

ASTM A53具有以下特性:

• 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
• 机械性能
  • 抗拉强度，UTS: 330 MPa或48000 psi (A级)，414 MPa或60000 psi (B级)
  • 抗拉强度，屈服:207 MPa或30,000 psi (A级)，241 MPa或35,000 psi (B级)
• 形式和治疗
  • 管道NPS 1/8 - NPS 26
  • 镀锌钢
  • 黑色和热浸镀
  • 锌涂层
  • 焊接和无缝

SAE

AISI/SAE编号系统使用4位数字进行分类。前两个数字表示钢的类型和合金元素的浓度，后两个数字表示碳的浓度。

例如，SAE 5130描述的是一种含有1%铬和0.30%碳的钢。字母前缀被用作商家质量的描述符。