钢材的基本知识

7．1．1 钢的冶炼

中国早在公元前5世纪就开始冶炼生铁，现在钢铁已经成为人类不可缺少的材料。生铁的冶炼是将铁矿石、石灰石（溶剂）、焦炭（燃料）和少量锰矿石按一定比例投入高炉，在高温条件下经还原反应和其他的化学反应，将铁矿石中的氧化铁还原成金属铁，然后再吸收碳而形成生铁，原料中的杂质则和石灰石等化合形成高炉矿渣。钢由生铁冶炼而成，钢的冶炼是将熔融状态的生铁中的杂质氧化，使含碳量降低到预定范围，同时将硫、磷等杂质含量也降低到允许范围。

钢和铁的主要化学成分都是铁和碳，两者的主要区别是含碳量。钢是含碳量小于2．06％的铁碳合金，而含碳量大于2．06％的铁碳合金称为生铁（又称铸铁）。生铁含有较多的硅、锰、磷、硫等元素，常用的生铁断口呈灰色，故简称灰铸铁或铸铁。生铁的含碳量通常为2．11％～4．3％，根据碳存在形态的不同，生铁又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。

炼钢方法主要有转炉法、平炉法、电炉法三种。氧气转炉法炼钢是由转炉顶部吹入高压纯氧（99．5％），将熔融的铁水中的多余的碳和杂质（磷、硫等）迅速氧化除去，是目前最主要的炼钢方法。电炉法炼钢主要是用废钢返回熔炼获得各种特殊钢。平炉法炼钢是利用废钢铁和适量的铁矿石为原料，以煤气或重油为燃料，利用氧气或空气（或吹入的氧气），使碳和杂质氧化而被除去。平炉法炼钢目前已经基本被淘汰。

7．1．2 钢的分类

钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢。碳素钢主要化学成分是铁，其次是碳，此外还含有少量的硅、锰、氧、氮、磷、硫等元素（其中氮、氧、硫、磷是有害杂质）。合金钢是在炼钢过程中，为改善钢材性能加入某些合金元素（如锰、硅、钒、钛等）而制得的钢。钢中含有一种或多种特意加入的合金元素，或碳素钢中的合金元素超过限量，都称为合金钢。

碳素钢根据含碳量分为：低碳钢（含碳量小于0．25％）、中碳钢（含碳量0．25％～0．6％）和高碳钢（含碳量大于0．6％）。

合金钢根据合金元素含量分为：低合金钢（合金元素含量小于5％）、中合金钢（合金元素含量为5％～10％）、高合金钢（合金元素含量大于10％）。

钢按冶炼时的脱氧程度分为：沸腾钢（脱氧不充分，代号F）、镇静钢和特殊镇静钢（脱氧充分，代号Z和TZ）、半镇静钢（脱氧程度介于前述两者之间，代号b）。

按照有害杂质含量，工业用钢分为普通钢（含磷量≤0．045％，含硫量≤0．050％）、优质钢（含磷量≤0．035％，含硫量≤0．035％）和高级优质钢（含磷量≤0．030％，含硫量≤0．030％）。

按照钢的用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。

土木工程中主要使用碳素钢中的低碳钢和普通钢中的低合金钢。

7．1．3 钢的化学成分及其对钢材性能的影响

钢中主要成分是铁，此外还含有碳、硅、锰、硫、磷、氧、氮、氢等元素。上述元素对钢的性能都有一定影响，为保证钢的质量，国家相关标准对各类钢中不同元素的含量都作了严格规定。

（1）碳（C）

所有钢材都含有碳元素，碳是影响钢材性能的主要元素之一。含碳量小于0．8％时，随着含碳量增加，钢的强度、硬度增加，塑性和韧性降低。但当含碳量大于1．0％时，随着含碳量的增加，钢材强度反而下降。随着含碳量增加，钢的冷脆性和时效敏感性增大，耐腐蚀性和可焊性变差。

（2）硅（Si）

硅是炼钢时为脱氧而加入的元素。含硅量小于1％时，能够增加钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，但对可焊性和冷加工性能有不良影响。

（3）锰（Mn）

锰是炼钢时为脱氧除硫而加入的元素，能提高钢的强度和硬度，还能减轻硫和氧所引起的热脆现象，改善钢的热加工性能和可焊性；锰含量超过1．0％时就成为合金元素，用以提高合金钢的强度。

（4）氧（O）

氧是钢中的有害元素。含氧量增加，能使钢材强度、塑性特别是韧性降低，促进时效作用，同时使钢的热脆性增加，焊接性能变差。

（5）硫（S）

硫是钢中极有害的元素，以Fe S夹杂物的形式存在于钢中。Fe S熔点低，使钢材在热加工中内部产生裂痕，引起断裂，形成“热脆”现象。硫元素还使钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性及耐腐蚀性降低，故硫的含量应严格控制。

（6）氮（N）

氮是炼钢过程中由空气带入钢中残留下来的，也是一种有害元素。氮能提高钢的强度，导致塑性特别是韧性显著降低，还会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差。

（7）磷（P）

磷是钢中的有害元素，常温下能提高钢的强度和硬度，但塑性及韧性显著降低，低温下更甚，即引起所谓“冷脆性”；此外，磷使钢材的可焊性显著降低，对于承受冲击荷载的结构、焊接结构及低温下使用的结构，都必须严格限制磷的含量。

（8）铝（Al）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）

铝、钒、钛、铌都是炼钢时的强脱氧剂，也是最常用的合金元素，加入适量这些合金元素能改善钢的组织，细化晶粒，显著提高钢的强度及改善韧性。