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材質(zhì)屬性

 煤礦提升塔上的鋼纜

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(xué)元素結(jié)合，例如碳。這個(gè)過程叫熔煉，最早應(yīng)用于熔點(diǎn)較低的金屬，例如熔點(diǎn)約為250 °C的錫及熔點(diǎn)約為1,100 ℃的銅。而鑄鐵的熔點(diǎn)則為1,375 ℃。這種溫度用青銅時(shí)代已經(jīng)有的古老方法就可以達(dá)到。由于氧化率在800 ℃以上時(shí)會(huì)急劇增加，所以保持冶煉環(huán)境低氧是很重要的。跟銅與錫不同的是，液態(tài)鐵能夠很容易地溶解碳。熔煉所生成的合金（生鐵）含碳量過高，因此還不能叫作鋼。后續(xù)的步驟會(huì)把多余的碳和氧除掉。

很多時(shí)候會(huì)向鐵／碳化合物加入其他材料，來達(dá)至所需的特性。在鋼里加入鎳和錳會(huì)增加鋼的強(qiáng)度，并使奧氏體的化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，加入鉻會(huì)使硬度及熔點(diǎn)上升，加入釩也可以使硬度上升，但同時(shí)更會(huì)減輕金屬疲勞所帶來的效應(yīng)。為了防止腐蝕，最少會(huì)要加入11%的鉻，這樣表面就會(huì)生成一層硬的氧化物；這種合金叫不銹鋼。鎢能干預(yù)滲碳體的生成，使馬氏體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(huì)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(huì)隨合金的成分而改變，但一般介與7,750至8,050 kg/m。

即使在不同鋼里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(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)各自有著很不一樣特性。要煉出高品質(zhì)的鋼，是必須明白這些特性的。在室溫下，鐵最穩(wěn)定的形式是體心立方晶格結(jié)構(gòu)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，于723 ℃時(shí)上限為0.021wt%，而0 ℃時(shí)則為0.005%。在煉的溫度下，若鋼的含碳量超過0.021%，它就會(huì)轉(zhuǎn)化為面心立方晶格的結(jié)構(gòu)，叫奧氏體，或γ-鐵。它亦是一種軟的金屬材料，但是它能溶解相當(dāng)多的碳，于1,148 ℃達(dá)2.1%，反映出鋼的含碳量上限。

當(dāng)鋼的含碳量少于0.8%時(shí)（叫亞共析鋼），混合物會(huì)從奧氏體相冷卻下來，嘗試回到鐵素體相，并因此會(huì)有多余的碳。其中一種能讓碳脫離奧氏體的方法是，等滲碳體因沉淀離開混合物，這樣剩下的鐵純度若足夠地高，就能形成鐵素體，得出滲碳體－鐵素體混合物。滲碳體是一種既硬且脆的金屬互化物，化學(xué)式為Fe3C。當(dāng)鋼的含碳量為0.8%時(shí)（共析鋼），冷卻的結(jié)構(gòu)會(huì)形成珠光體，名稱來自于與珍珠母類似的光澤。當(dāng)鋼的含碳量超過0.8%（過共析鋼），冷卻的結(jié)構(gòu)則會(huì)形成珠光體和滲碳體。

也許最重要的同質(zhì)多形體是馬氏體，因?yàn)樗且环N介穩(wěn)相，所以比其他鋼相的強(qiáng)度要高很多。當(dāng)鋼處于奧氏體相時(shí)，再受到淬火后會(huì)形成馬氏體，這是因?yàn)楫?dāng)晶格架構(gòu)從面心立方轉(zhuǎn)成體心立方時(shí)，原子需要被“凍結(jié)”在原位的緣故。視乎奧氏體相的碳含量，會(huì)形成不同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)含碳量低于0.2%時(shí)，會(huì)形成體心立方結(jié)構(gòu)的α-鐵素體，而當(dāng)含碳量較高時(shí)則會(huì)形成體心四方結(jié)構(gòu)。從奧氏體到馬氏體的變換，并不需要活化能。而且沒有成分改變，因此原子一般保留變換前的鄰居。

馬氏體的密度比奧氏體低，因此兩者在互相變換時(shí)體積也會(huì)改變。所以在奧氏體轉(zhuǎn)成馬氏體時(shí)，會(huì)發(fā)生膨脹。這種膨脹所做成的內(nèi)部應(yīng)力，一般會(huì)對(duì)馬氏體的晶體進(jìn)行壓縮，同時(shí)對(duì)余下的鐵素體施行張力，并且還有相當(dāng)量的剪應(yīng)力作用于這兩種成分上。如果淬火做得不完全的話，內(nèi)部應(yīng)力可能把會(huì)在冷卻時(shí)導(dǎo)致斷裂。在最低限度上，還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部加工硬化及其他微觀上的瑕疵。用水作冷卻處理時(shí)，很多時(shí)候會(huì)形成斷裂，盡管裂痕不一定可見。

熱處理

鋼有多種不同的熱處理過程。最常見的是退火及調(diào)質(zhì)（淬火后回火）。退火是把鋼高溫加熱到軟化的過程。這個(gè)過程發(fā)生時(shí)會(huì)經(jīng)過三個(gè)相：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒成長。鋼退火所需的溫度取決于退火的類型，以及合金的成分。

調(diào)質(zhì)（淬火后回火）在一開始時(shí)先把鋼加熱至奧氏體相，再用水或油進(jìn)行冷卻。急速的冷卻導(dǎo)致馬氏體結(jié)構(gòu)既硬且脆。此時(shí)再把鋼作回火處理，其實(shí)就是一種更專門的退火形式。這樣的退火（回火）過程會(huì)把一部分的馬氏體轉(zhuǎn)化成滲碳體，或球化珠光體，轉(zhuǎn)化會(huì)減少鋼內(nèi)部的應(yīng)力和瑕疵，因此鋼最后會(huì)變得更有韌性，更不易斷。

鋼材的生產(chǎn)

  準(zhǔn)備用來生產(chǎn)鋼的鐵礦堆

當(dāng)鐵礦準(zhǔn)備被商業(yè)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，并重新處理來減低含碳量至適當(dāng)水平，而在這個(gè)時(shí)候還可以加入其他元素。然后把液體用連續(xù)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(xù)鑄造法處理，而只有4%的鋼被鑄成鋼錠。之后把鋼放進(jìn)均熱爐里加熱，再用熱軋軋成厚鋼板、鋼塊或鋼坯。厚鋼板會(huì)被熱或冷軋成鋼片或薄鋼板。鋼坯會(huì)被熱或冷軋成鋼條、鋼棒及鋼線。鋼塊則會(huì)被被熱或冷軋成結(jié)構(gòu)鋼，如工字梁及鐵路軌道。在現(xiàn)代鑄造廠中，這些過程一般會(huì)以裝配線的形式運(yùn)作，也就是鑄造廠輸入礦石，輸出鋼成品。有時(shí)鋼在軋完以后會(huì)再接受一次熱處理，來增加強(qiáng)度，然而會(huì)這樣做的廠商是相對(duì)地少。

煉鋼的歷史

 中世紀(jì)時(shí)的鍛鐵爐熔煉

古代鋼

自古以來，人們已經(jīng)知道鋼的存在，當(dāng)時(shí)的熔煉可能是用煉鋼爐，或其他熔鐵設(shè)施，而里面燒的是碳。

已知最早的鋼成品是一塊鐵器，出土于土耳其安那托利亞的卡曼－卡萊赫于克遺跡，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(jì)，伊比利亞半島出產(chǎn)了像利刃彎刀這種鋼兵器，而古羅馬軍隊(duì)則在用諾里庫姆出產(chǎn)的鋼兵器。中國人早在戰(zhàn)國時(shí)代（公元前403－221年）就已經(jīng)懂得用淬火來硬化鋼材，而到了漢朝（公元前202－公元220年），中國人更創(chuàng)造出用熟鐵和鑄鐵熔在一起煉鋼，于是用這種技術(shù)在公元一世紀(jì)就做出了中碳鋼。東非的哈亞人在接近2,000年前就發(fā)明了一種高熱高爐，使得他們?cè)谀莻€(gè)時(shí)候能用1,802 ℃的高溫來鍛造碳鋼。

烏茲鋼（大馬士革鋼）

高碳鋼最早的生產(chǎn)證據(jù)出現(xiàn)于印度次大陸，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(chǎn)烏茲鋼。自從烏茲鋼的鍛造法在公元五世紀(jì)從印度傳入了中國，中國人除了使用他們本身原創(chuàng)的鍛鋼法，也采用了烏茲鋼的生產(chǎn)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(fēng)式爐，它用的風(fēng)是季風(fēng)，能夠生產(chǎn)出高碳鋼。烏茲鋼也叫大馬士革鋼，以其耐用性，與所制刀刃不易損而聞名。最早是由多種不同的材料制成，當(dāng)中包括各種稀有元素。它本質(zhì)上是一種以鐵為主的復(fù)雜合金。最近研究指出，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有碳納米管，所以這可能就是它那有名特性的來源，介于當(dāng)時(shí)的鑄造技術(shù)有限，做出這種結(jié)構(gòu)大概是出于偶然，而不是有意。送風(fēng)式爐用的是天然風(fēng)，爐內(nèi)放置含鐵的土壤，并用木材加熱。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(dāng)時(shí)來說可謂成就卓越?？脊艑W(xué)家在莎瑪納拉威瓦找到了這樣的一個(gè)爐，并成功用古人的方法來生產(chǎn)鋼鐵。

把純鐵與碳（一般是木炭）放在一起于坩堝內(nèi)慢慢加熱，冷卻后就能得到坩堝鋼，在公元九至十世紀(jì)前，梅爾夫這個(gè)地方就已經(jīng)在生產(chǎn)坩堝鋼。在十一世紀(jì)，有證據(jù)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，用于生產(chǎn)不均勻的次等鋼；另一種是現(xiàn)代貝塞麥煉鋼法的前身，透過在冷爐風(fēng)下的重復(fù)鍛造，達(dá)到不完全除碳的效果。

現(xiàn)代煉鋼

  一座位于英格蘭錫菲爾德的貝塞麥轉(zhuǎn)爐

從十七世紀(jì)起，歐洲式煉鋼的第一步就是用高爐把鐵礦煉成生鐵。最早期爐子里燒的是木炭，現(xiàn)代方法則改為燒焦炭，事實(shí)證明后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(chǎn)出鐵條（熟鐵），之后再拿鐵條去煉鋼。

用滲碳法煉鋼的程序被記載于一篇在1574年布拉格出版的論文中，并且早在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，用于制作經(jīng)表面硬化的盔甲與銼。這套程序在1614年被引入英格蘭，而巴茲爾·布魯克爵士于1610年代在什羅普郡的柯爾布魯?shù)聽柹a(chǎn)這種鋼。這套方法的原材料是熟鐵造的鐵條。在十七世紀(jì)期間，最好的熟鐵是瑞典斯德哥爾摩以北所產(chǎn)的厄勒格倫德鐵。到了十九世紀(jì)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。

在坩堝里燒出來的鋼叫坩堝鋼，它是沒有經(jīng)過鍛造的，因此成品會(huì)比均勻。以前大部分的爐都不能達(dá)到能熔掉鋼的溫度?，F(xiàn)代的坩堝鋼工業(yè)最早是由本杰明·漢特斯曼于1740年代的發(fā)明所衍生的。一般會(huì)把滲碳鋼（以滲碳法制成的鋼）放在坩堝或熔爐里面熔掉，然后鑄成鋼錠。

從生鐵開始的過程

  位于勃蘭登堡工業(yè)博物館的一臺(tái)西門子－馬丁烤鋼爐

  從電弧爐倒出來的白熱鋼

煉鋼的現(xiàn)代史從1858年 引進(jìn)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(chǎn)變得可行，因此從前用熟鐵的地方現(xiàn)在都用軟鋼。吉爾克萊斯特-托馬斯煉鋼法（或基本貝塞麥煉鋼法）是貝塞麥煉鋼法的改良版，就是在轉(zhuǎn)爐內(nèi)部鋪上一層鹽基材料，以達(dá)到除磷的效果。煉鋼的另一項(xiàng)改良就是西門子－馬丁煉鋼法，能夠補(bǔ)足貝塞麥煉鋼法的缺點(diǎn)。

在使用堿性氧氣煉鋼的林茨－多納維茨煉鋼法出現(xiàn)后，上述的煉鋼法都被淘汰了，堿性氧氣煉鋼法及其他氧氣煉鋼法是在1950年代被開發(fā)出來的。堿性氧氣煉鋼法比其他方法優(yōu)勝是因?yàn)?，被泵到表面上的氧氣?huì)限制雜質(zhì)，而從前雜質(zhì)能夠從所用的空氣中進(jìn)入。時(shí)至今日，用電弧爐來重新處理廢金屬是很常見的，處理后能生產(chǎn)出新的鋼。它也可用于把生鐵轉(zhuǎn)化成鋼，但需要使用大量電力（每噸需要約440kWh），所以一般只能在有大量廉價(jià)電力供應(yīng)的情況下才有經(jīng)濟(jì)效益。

鋼鐵工業(yè)

 英國的一家煉鋼廠

  2007年各國鋼鐵產(chǎn)量

現(xiàn)在我們都把鋼和鐵工業(yè)合稱為“鋼鐵工業(yè)”，好像它們本身就是一個(gè)個(gè)體，但是在歷史上它們是不同的產(chǎn)品。鋼工業(yè)通常被用作經(jīng)濟(jì)進(jìn)度的指標(biāo)，因?yàn)殇撛诨A(chǔ)設(shè)施與整體經(jīng)濟(jì)發(fā)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(shù)量減至224,000人。

中國與印度經(jīng)濟(jì)的急劇增長，導(dǎo)致近年對(duì)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（于2007年收購柯以斯集團(tuán)）、上海寶鋼集團(tuán)及江蘇沙鋼集團(tuán)。然而，安賽樂米塔爾仍然是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)商。

英國地質(zhì)調(diào)查局指出，在2005年中國是世界第一名的鋼鐵生產(chǎn)國，占全球總產(chǎn)量的三分之一，而第二、三、四名分別為日本、俄羅斯及美國。

倫敦金屬交易所于2008年開始將鋼材列入交易范圍。在2008年底，鋼鐵工業(yè)面對(duì)了一場激烈的衰退，因此做了不少削減。

現(xiàn)代鋼材

  在2003年關(guān)閉之前，位于美國賓夕法尼亞州伯利恒市的伯利恒鋼鐵是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)商。

為了滿足各樣不同的用途，現(xiàn)代鋼材有著各種不同的合金金屬組合。碳鋼的構(gòu)成很簡單，只有碳和鐵兩種元素，占鋼材生產(chǎn)量的90% 。高強(qiáng)度低合金鋼含有小量其他元素（正常重量最多占鋼的2%），一般為1.5%錳，用于增加鋼的強(qiáng)度，這樣價(jià)格會(huì)高一點(diǎn)。低合金鋼是與其他元素合成的鋼，通常為鉬、鎂、鉻或鎳，總加入量上限為鋼重量的10%，用于加強(qiáng)厚部分的可硬化性。不銹鋼及手術(shù)用不銹鋼為了抵抗腐蝕（生銹），需要加入最少11%的鉻，通常還會(huì)再加鎳。一些不銹鋼，如鐵素體不銹鋼帶磁性，而奧氏體不銹鋼則不帶磁性。

其他更現(xiàn)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(qiáng)化的效果最大化。同時(shí)還使析出硬化變得可行，并因此加強(qiáng)了鋼的耐熱性。工具鋼一般用于制作斧頭、鉆頭及其他需要又鋒利又耐久刃面的設(shè)備。其他特殊用的鋼還包括耐候鋼，例如高登鋼，在風(fēng)化作用下會(huì)生成一層穩(wěn)定的氧化表層，因而可以在不需涂漆就能在戶外使用。

還有其他高強(qiáng)度鋼，例如雙相鋼，它是用熱處理來使其鋼體同時(shí)含有鐵素體及馬氏體微結(jié)構(gòu)，因此強(qiáng)度較一般鋼高。變態(tài)誘發(fā)塑性鋼本身是沒有奧氏體的低合金鋼，但用了特殊的合金和熱處理，因此其奧氏體的量能夠在室溫中穩(wěn)定下來。在這種鋼上施加應(yīng)力，就能夠在沒有加熱的情況下，將奧氏體相變成馬氏體。馬氏體時(shí)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(qiáng)度非常高，但同時(shí)帶有延展性的金屬。雙晶誘發(fā)塑性鋼用一種特殊的應(yīng)變，來增加加工硬化對(duì)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于碉堡破壞彈等武器的合金，而且成本相對(duì)地低。哈特菲鋼（以羅伯特·哈特菲爵士命名）含有12-14%的錳，能在磨損時(shí)生成一層極硬的表層，防止磨耗。應(yīng)用例子包括坦克履帶、推土機(jī)上的推土刀邊緣，以及生命之鉗的切割刃。

大部分常用鋼鐵合金，一般用各種標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體所制定的不同品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分。例如，汽車工程師協(xié)會(huì)有一系列的等級(jí)，區(qū)分很多種不同的鋼鐵。美國材料和試驗(yàn)協(xié)會(huì)有另外一套標(biāo)準(zhǔn)，將合金進(jìn)行區(qū)分，例如美國最常用的結(jié)構(gòu)鋼A36鋼。

將鋼熱浸于鋅中或在鋼上電鍍上一層鋅，這樣能保護(hù)表層防止生銹，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

  鋼棉

鐵和鋼都被廣泛地應(yīng)用于建造道路、鐵路、其他基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備與建筑。大部分的現(xiàn)代架構(gòu)，諸如體育場與摩天大樓、橋梁與機(jī)場，都是用鋼制的支架來支撐。就算是用混凝土的結(jié)構(gòu)，也要用鋼筋來加固。此外，鋼在家用電器與汽車制造都有廣泛應(yīng)用。盡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。鋼也被用于各種建造用的材料，例如螺栓、釘子及螺絲。其他常見應(yīng)用還包括造船、輸送管道、采礦、離岸建設(shè)、航天、白色家電（如洗衣機(jī)）、工程作業(yè)車輛（如推土機(jī)）、辦公室家具、鋼棉、工具及個(gè)人用背心式盔甲或載具用裝甲（當(dāng)中最有名的是軋壓均質(zhì)裝甲）。鋼還是不少現(xiàn)代雕塑家喜用的金屬素材。

歷史上

  碳鋼刀

在引進(jìn)貝塞麥煉鋼法及其他現(xiàn)代方法以前，鋼是價(jià)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、刮胡刀、劍等。鋼也被用于制作彈簧，包括鐘表里的彈簧。自從生產(chǎn)方法改進(jìn)，變得更迅速更節(jié)約后，要得到鋼就比較容易，價(jià)格也因而降下來，二十世紀(jì)后期塑膠的出現(xiàn)，使得鋼的一些應(yīng)用被取代，因?yàn)樗苣z成本更低，而且重量更輕。

長鋼

  懸掛著架空高壓線的鋼塔

鋼筋混凝土里加固用的鋼筋與鋼纖維

鐵路軌道

現(xiàn)代建筑與橋梁的結(jié)構(gòu)鋼

鋼絲

重新鍛造的原料

扁碳鋼

家用電器

磁芯

汽車、火車及船只的內(nèi)外主體

不銹鋼

  不銹鋼制的醬料船

餐具

尺子

外科手術(shù)裝備

手表

低背景鋼

由于核武器測試的關(guān)系，所以在第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)的鋼，會(huì)受到放射性同位素的污染。于是1945年之前生產(chǎn)的鋼，被稱為低背景鋼，用于對(duì)輻射敏感的特定用途，例如蓋革計(jì)數(shù)器及輻射屏蔽。

鋼鐵業(yè)

2016年：英國，印度塔塔鋼鐵公司11日售出名下位于英格蘭北部的部分鋼廠。整樁交易僅象征性收取1英鎊費(fèi)用，顯示塔塔鋼鐵拋售在英資產(chǎn)的急切心情，更折射出英國乃至全球鋼鐵業(yè)舉步維艱的困境。

另見

參考資料

參考書目

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延伸閱讀

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