钢铁：工业的灵魂，从宇宙起源到人类文明的关键材料

钢

在人类出现前十亿年，甚至在地球形成前，炽热的恒星将原子融合成铁和碳。在无数次宇宙爆炸和重生中，这些物质进入小行星和其他行星体，随着宇宙的搅动，它们相互碰撞。最终，一些岩石和金属形成了地球，人类的命运从这里开始。有一天，人类偶然发现了一颗从大气层坠落到地面的陨石。它的主要成分是铁和镍。从此，人类开始了近一万年的对金属的痴迷。

知道

那么我们先来看看什么是钢。钢是铁碳合金，是以铁和碳为组分的二元合金。工业上应用最广泛的一类铁基材料是碳钢和铸铁。钢铁材料之所以应用范围广泛，是因为可用的成分跨度很大，从几乎不含碳的工业纯铁到含碳量在4%左右的铸铁。在这个范围内，合金的相结构和组织变化很大；另外，利用各种热加工工艺，特别是金属热处理技术，可以显著改变某一组分合金的组织和性能。

铁碳合金中合金相的形成与纯铁的晶体结构和碳在合金中存在的形式有关。纯铁有三种同素异形体：在912℃以下为体心立方晶体结构，称为α-Fe；912-1394℃为面心立方晶体结构，称为γ-Fe；在1394℃以上为体心立方结构，称为δ-Fe。在液态下，在碳含量7%以下的范围内，碳与铁完全混溶；在固态下，碳在铁中的溶解度是有限的，溶解度取决于铁的晶体结构（溶剂）。与铁的三种同素异形体相对应，碳在铁中形成的固溶体有三种：α固溶体（铁素体）、γ固溶体（奥氏体）和δ固溶体（δ-铁素体）。 在这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸比铁原子小得多。在固溶体中，它处于晶格的间隙位置，引起晶格畸变。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超过2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218%；在δ6-Fe中的溶解度不超过0.09%。当铁碳合金中的碳含量超过其在铁中的溶解度时，过剩的碳可以以铁碳化物的形式或以单一状态（石墨）存在于合金中，形成一系列碳化物，其中Fe3C（渗碳体，6.69%C）为亚稳态，是一种结构复杂的间隙化合物。 石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单的六方结构。Fe3C有分解为铁和石墨稳定相的潜力，但该过程在室温下极其缓慢。

多样性

随着科技的发展，人们对钢铁的需求越来越大，对钢铁的研究也越来越深入，钢铁的种类也进行分类，慢慢的钢铁就成为了人类发展史上一个多元化的学科。

碳钢的分类方法多种多样。例如，按化学成分（即含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；按钢的质量可分为普通碳钢和优质碳钢；按用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢；此外钢铁业，还可按冶炼方法和保证的性能要求等进行分类。

普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对碳含量、性能范围及磷、硫等残余元素的限制较宽。我国及一些国家按交货保证条件将其分为三类：A类钢（甲级钢）是保证力学性能的钢。B类钢（乙级钢）是保证化学成分的钢。特殊钢（C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造比较重要的结构件。我国生产和使用最多的是A3钢（A级3号钢），碳含量在0.20%左右，主要用于工程结构。

有些碳素结构钢还加入微量的铝或铌(或其他碳化物形成元素)，使之形成氮化物或碳化物粒子，起到限制晶粒长大，提高钢的强度，节省钢材的作用。我国及一些国家，为了适应专业用钢的特殊要求，对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整，从而发展了普通碳素结构钢系列专业用钢(如桥梁、建筑、钢筋、压力容器等)。

按含碳量分类

1）含C小于0.25%为低碳钢，特别是含碳量小于0.10%的08F、08Al，由于具有良好的深冲性能和焊接性能，被广泛用作汽车、罐体等深冲件。20G是制造普通锅炉的主要材料。此外，低碳钢还广泛用作渗碳钢，用于机械制造工业。

2）碳含量在0.25-0.60%为中碳钢，多以调质状态使用，用于机械工业零件制造。

3）含C大于0.6%的钢为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、滚筒等。按含锰量不同，又可分为普通含锰钢（0.25-0.8%）和高锰钢（0.7-1.0%和0.9-1.2%）两类。锰能改善钢的淬透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰量较高的钢号前加标记“Mn”，如15Mn、20Mn，以区别于普通含锰碳钢。

碳素工具钢含碳量在0.65～1.35%之间，经热处理后可获得较高的硬度和高的耐磨性，主要用来制造各种工具、刃具、模具和量具等（见工具钢）。

含碳量为2.11%时，是铸铁与碳钢的黄金分割点。含碳量在2.11%之前为碳钢，含碳量在2.11%之后为铸铁。含碳量在0.0218%~0.77%之间称为亚共析钢，含碳量在0.77%~2.11%之间称为过共析钢。含碳量2.11%为共析钢。含碳量在2.11%~4.3%之间称为亚共析白口铸铁，含碳量在4.3%~6.69%之间称为过共析白口铸铁。含碳量4.3%为共析白口铸铁。

铸铁按形态分类

根据碳在铸铁中存在形态的不同，铸铁可分为：白口铸铁（碳在铸铁中大部分以渗碳体形态存在）、灰口铸铁（碳大部分以片状石墨形态存在）、可锻铸铁（由白口铸铁经石墨化退火制成，其中碳以絮状石墨形态存在）和球墨铸铁（铸造前经球化处理，碳以球状或团块状石墨形态存在）。

时代

钢铁行业的学术化，代表着钢铁时代的到来。在大英帝国主导的两次工业革命中，钢铁一直向世界宣示着主权。由于钢铁是一切高科技产品的基础，人们研究钢铁的性质，逐渐改造了钢铁的冶炼工艺。

20世纪80年代以来，炼钢技术飞速进步，创造了许多重要的里程碑。

1.初级冶炼炉的出现 2.大型冶炼炉 3.电炉改转炉 4.电弧炉炼钢产量大幅增加 5.提高质量、降低消耗

毫无疑问，钢铁的诞生对人类的进步起着至关重要的作用，但随着钢铁技术的不断发展和人们精神需求的不断提高，人们对待钢铁的态度似乎也在不断发生变化。

人类文明不断进步，但战争从未停止。随着金属进入战争，铁匠这个职业诞生了。印度铁匠将“乌兹钢”运往世界各地销售。在大马士革，叙利亚铁匠用这种金属锻造出著名的、几乎是神话般的大马士革刀，据说锋利到可以在半空中割断羽毛。《权力的游戏》中瓦雷利亚钢等超级材料被誉为世界第一利刃。

从古罗马战士第一次举起锋利的军刀开始，钢铁就成了杀戮的代名词，钢铁的灵魂仿佛也充斥着战争的残酷与绝望。从冷兵器到枪械，从骑士身上的铠甲到划过落日的战机，钢铁始终活跃在战场上。或许这也是人们有时不喜欢钢铁的原因之一。工业革命带来的污染让美丽的伦敦变成了雾都，这也是钢铁的名声不再完美的原因。如今，钢铁的时代似乎已经过去，钢铁行业已经被诸多新兴材料所取代，人们也渐渐淡忘了钢铁带来的好处。

但即便到了今天，我们依然可以在建筑、交通等领域发现钢铁的踪影。它就像一位年迈的护林员，默默坚守在需要它的地方。人就是这样，有时候会把一些不好的东西放大，让其遮挡住所有美好的事物。你或许记得自己某天傍晚在十字路口摔倒，伤得很重，却不记得自己有一天从老师那里得到了一块糖作为奖励，甜得你合不拢嘴，想和全世界分享。是钢铁让战斗变得更加残酷，但也是钢铁在自然灾害来临时为我们遮风挡雨。材料本身没有对错之分，但其使用者却总有对错之分。

工业的灵魂从未在发展中被侵蚀，也从未在变革中退缩。也许钢铁可以在战场上肆意杀戮，但人类却不能。误解并不可怕，可怕的是即使被误解，它仍在发展进步。当钢铁随着人类的需求不断变化时，它就是最好的材料。

Q1：文章中提到了多少种钢材的分类方法？

答：五类钢的分类方法多种多样，例如按化学成分（即含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；按钢的质量可分为普通碳素钢和优质碳素钢；按用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢；此外，还可按冶炼方法和保证的性能要求等进行分类。

Q2：未来钢铁材料的发展前景如何？

精选评论：

可提升钢铁材料的功能性，拓展钢铁材料更多的应用领域。

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亲爱的读者、朋友们：

春天快乐！我们已经很久没见面了！我并不想你，我只是希望你一切都好！

这个寒假悄然过去了。受新型冠状病毒肺炎的影响，从一月下旬开始，家家户户都减少了外出。不知道大家在家过得怎么样？反正我很渴望摘下口罩出去玩，早日返校。可惜由于疫情还在持续，风险还没解除，只能在家上网课，也算是体验一种新的教学方式吧。

在这里呼吁大家疫情期间尽量减少外出，出门戴口罩，尽量不去人员密集的地方聚集，在家勤洗手，多喝水，少熬夜，多运动，多吃新鲜蔬菜水果，提高自身免疫力，还有记得按时上网课，为大脑补充能量。

十多天来好消息频传，多个省份实现零新增病例，湖北省新增病例也逐步减少。相信随着全国继续大力开展坚决有力的抗疫行动，不久的将来疫情的阴霾会逐渐散去，同学们还能继续相聚在工大的校园里学**、共同进步。

虽然开学时间推迟了，但是我们《材料视角》的更新不会推迟，从2月24日开始每周五都会继续更新科普文章，希望大家能够多多关注我们的《材料视角》，积极答疑解惑，我们也会为大家带来更多有趣的科普知识。因为疫情的影响，原本应该在本学期初举行的颁奖典礼不得不推迟，颁奖典礼要看开学时间。这个学期我们还是为大家准备了精美的科普书籍和各种精美的小奖品。

希望大家能够认真答题，获得大奖。

物质视角强势回归。你准备好了吗？

参考：