（原）材料视角 | 工业的灵魂
初原载于 工大材料汇 2020-02-28
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工业的灵魂
钢铁
在人类出现十亿年之前，甚至地球形成之前， 炽热的恒星将原子融合成铁和碳。在无数的宇宙爆炸和重生中，这些物质进入小行星和其他行星体，随着宇宙的搅动，相互撞击。最终，一些岩石和金属形成了地球，在那里，人类才开始他们的命运。某一天，人类偶然发现了从大气层撞到地面的陨石，它的成分主要是铁和镍。从此一发不可收，人类开始了对金属近万年的痴迷。
认识
那么我们先来看看什么是钢铁。钢铁是一种铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。钢铁材料适用范围广阔的原因，首先在于可用的成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁，在此范围内合金的相结构和微观组织都发生很大的变化；另外，还在于可采用各种热加工工艺，尤其金属热处理技术，大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。
铁碳合金中合金相的形成，与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态：912℃以下为体心立方晶体结构，称α-Fe；912～1394℃为面心立方晶体结构，称γ-Fe；1394℃以上，又呈体心立方结构，称δ-Fe。在液态，在低于7%碳范围，碳和铁可完全互溶；在固态，碳在铁中的溶解是有限的，并且溶解度取决于铁（溶剂）的晶体结构。与铁的三种同素异构物相对应，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（8铁素体）。这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。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%；而在δ6-Fe中不超过0.09%。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态（石墨）存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（渗碳体，6.69%C）是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。
多元
随着科技的发展，人们对钢铁的需求量也越来越大，对钢铁的研究也越来越深。对于不同的钢铁还进行了分类，慢慢的钢铁在人类的发展史中慢慢的变成了一种多元化的学问。
碳素钢有各种分类方法﹐如按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢﹑中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢﹑碳素工具钢。此外﹐还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。
普通碳素结构钢又称普通碳素钢﹐对含碳量﹑性能范围以及磷﹑硫和其它残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类﹕甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢（C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢﹐常用于制造较重要的结构件。中国目前生产和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3钢（甲类3号钢）﹐主要用于工程结构。
有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌（或其它碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒﹐以限制晶粒长大﹐使钢强化﹐节约钢材。在中国和某些国家﹐为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﹐从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢（如桥梁﹑建筑﹑钢筋﹑压力容器用钢等）。
按含碳量分类
1）小于0.25%C为低碳钢﹐其中尤以含碳低于0.10%的08F﹐08Al等﹐由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车﹑制罐等﹐20G则是制造普通锅炉的主要材料﹐此外﹐低碳钢也广泛地作为渗碳钢﹐用于机械制造业﹐
2） 0.25～0.60%C为中碳钢﹐多在调质状态下使用﹐制作机械制造工业的零件。
3） 大于0.6%C为高碳钢﹐多用于制造弹簧﹑齿轮﹑轧辊等﹐根据含锰量的不同﹐又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。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。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”﹐如15Mn﹑20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。
碳素工具钢含碳量在0.65～1.35%之间﹐经热处理后可得到高硬度和高耐磨性﹐主要用于制造各种工具﹑刃具﹑模具和量具（见工具钢）。
含碳量在2.11%时，作为铸铁和碳钢的黄金分割点。碳含量在2.11%之前为碳钢。碳含量在2.11%之后为 铸铁。而碳含量在0.0218%至0.77%之间称为亚共析钢，0.77%至2.11%之间称为过共析钢。含碳量为2.11%为共析钢。碳含量在2.11%至4.3%，称为亚共晶白口铸铁，碳含量在4.3%至6.69%之间称为过共晶白口铸铁。碳含量在4.3%为共晶白口铸铁。
按铸铁中存在形式分类
根据碳在铸铁中存在的形式不同铸铁可分为：白口铸铁（绝大部分碳以渗碳体形式存在于铸铁中）、灰口铸铁（绝大部分碳以片状石墨形式存在）、可锻铸铁（由白口铸铁经石墨化退火制成，其中碳以团絮状石墨形式存在）和球墨铸铁（在浇注前经球化处理，碳以球状或团状石墨存在。
时代
钢铁工业的学术化代表着钢铁时代的到来，在由大英帝国为首的两次工业革命中，钢铁无时无刻不在向世界宣布这主权。由于钢铁是支撑一切高科技产品的基础，人们对钢铁的性能加以研究，并对冶炼钢铁的工艺进行逐步的改造。
从20世纪80年代开始，钢铁冶炼技术就有了飞速的提升。创造了多个重要的里程碑。
1． 初炼炉的产生 2.熔炉大型化 3.电炉转炉化 4.电弧炉钢产量大幅增长 5.提质降耗
毫无疑问钢铁的诞生对人类的进步有着至关重要的作用，但是随着钢铁技术和人们精神需求的不断发展，人们对钢铁的态度似乎一直在变化着。
人类文明在不断进步着，但战争却从未停止过。伴随着金属加入战争，铁匠这个职业也就诞生了。印度铁匠把“乌兹钢”运送到世界各地贩卖。在大马士革，叙利亚铁匠使用这种金属锻造了著名的，几乎是神话般的大马士革刀，据说它足够锋利，可以在半空中切割羽毛。像《权力的游戏》中瓦雷利亚钢铁一样的超级材料，被誉为世界第一名刃。
自从古罗马的战士第一次举起锋利的军刀，钢铁也就似乎成了杀戮的代名词，钢铁的灵魂似乎也充斥着战争的残酷和绝望。从冷兵器到枪械，从骑士们身上的盔甲到划过夕阳的战斗机，钢铁一直活动在战场上。也许这就是人们有时反感钢铁的原因之一。工业革命带来的污染使美丽的伦敦变成了雾都，这也是钢铁的名声不再完美。今天钢铁的时代似乎已经过去，钢铁业被很多新兴的材料所取代。人们也就对于钢铁所带来的益处渐渐淡忘。
但是即使是在今天，在建筑和交通等方面，我们依然可以找到钢铁的身影。它就像一位年迈的护林人，默默地坚守在需要它的地方。人们就是这样，有时会把一些坏处放大，让它挡住所有的好。你也许会记得某个傍晚在一个路口摔了一跤，摔得很痛；却不记得在某天得到过老师奖励的一块糖，甜得合不上嘴，想去和全世界分享。让战阵变得更加残酷的是钢铁，但天灾来临时，为我们遮风挡雨的也是钢铁。一种材料本身并没有对错，有对错的永远是它的使用者。
工业的灵魂从未在发展中磨灭，在改变中退缩。也许钢铁可以在战场上肆无忌惮的杀戮但人类不能。误会并不可怕，可怕的是即使被误会了还在不断地发展着，进步着。当钢铁随着人类的需求不断改变，它就是最好的材料。
Q1:文中提到了几种钢铁的分类方法？
答案：五种素钢有各种分类方法﹐如按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢﹑中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢﹑碳素工具钢。此外﹐还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。
Q2：钢铁材料在未来有哪些发展前景？
精选留言：
可能会提升钢铁材料的功能性，探索钢铁材料更多的应用领域。
--------Вперед, товарищи
亲爱的读者朋友们：
春天好！我们“好久不见”！不问想念，只希望大家安好！
这个寒假已经悄然过去，由于新冠（guān）肺炎的影响，从1月下旬开始家家户户都减少了外出，不知道在家里宅的怎样？反正我已经非常渴望摘下口罩外出玩耍，能够尽早返校。可惜由于疫情还在持续，风险还没有解除，只能在家里上网课了，也算是体验了一把新式教学方法。
在此呼吁大家在疫情期间一定要尽量减少外出，外出要带好口罩，尽量不要去人多的地方扎堆，在家勤洗手，多喝水，少熬夜，多锻炼，多吃新鲜蔬果，提高自身免疫力的同时也要记着按时上网课，给自己的大脑补充能量。
这十几天来好消息频传，已经有不少省份出现了0新增，湖北省新增病例已经逐渐转低，我相信在国家雷厉风行的不断开展抗疫行动情况下，不久的将来疫情的阴霾会逐渐消散，同学们可以继续相聚在工大校园内一起学习进步。
虽然返校延期了，但是我们材料视角的更新不会延期，从2月24日起每周五我们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，积极回答问题，我们也会给大家带来更多有趣的科学知识。由于疫情的影响本来应该在本学期初的发奖环节只能被迫延后，奖品颁发环节会视返校时间而定，本学期我们依旧为大家准备了精美的科普书籍和各种各样的精美小奖品。
希望大家能够认真回答问题，领取大奖。
材料视角，强势回归。你，准备好了吗！
参考文献：
《铁碳合金薄带气固反应脱碳工艺》 洪陆阔; 艾立群; 程荣; 孙彩娇; 赵定国 《钢铁研究学报》 2016-04-27
《浅析铁碳合金相图意义》 黎金琴 《湖北科技学院学报》 2016-01-15
百度百科 钢铁的内部结构
知乎《钢铁的发展史》
本文作者：刘海成
时任审阅：于世龙 刘孟茜
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