# 钢及其分类

## 序

什么是钢，什么是铁？这是一个问题。按这两种材料所含的元素来说，它们都是有Fe和C两种元素构成的。但是它们到底有什么区别呢，区别是他们的含碳量不同。
根据铁碳合金相图的描述，含碳量为0.0218~2.11%的铁碳合金为钢，含碳量0~0.0218%（工业纯铁）和2.11~6.69%（白口铸铁）的为铁。在实际情况中的铁碳合金是不纯的，它们里面还包含有其它元素，如S，P，Si，Mn等（这些元素无法完全去除）。

## 钢的分类

钢的分类方式千千万，什么按冶炼分法分类，按化学成分分类，按用途分类，按金相组织分类，按品质分类，按制造加工形式分类。其中又有什么平炉钢，电炉钢，沸腾钢，结构钢，工具钢，过共析钢，亚共析钢，铁素体钢，奥氏体钢，铸钢......。太多了，看见我都头疼，都快爆炸了。看完之后简直怀疑人身，我把握不住。

不过稍微了解其中一两种分类方法，克服一下还是能够入下门的。现在我主要记录一下按化学成分分类，按钢的品质分类，按用途分类这三种分类方法。

**按化学成分分类：** 碳素钢，合金钢。

**按钢的品质分类：** 普通钢，优质钢，高级优质钢。

**按钢的用途：** 结构钢，工具钢，特殊钢，专业用钢。

## 按化学成分

在钢的分类中，有一种分法是按照化学成分来分类的，这种分类方法把钢分为**碳素钢**和**合金钢**。无论是碳素钢还是合金钢，里面的两种主要元素都是铁和碳。

- **碳素钢** 

  **碳素钢**就是普通的铁碳合金，它的碳的质量分数为0.0218~2.11%，并含有少量锰 、硅、硫、磷和氧等杂质元素。

  在碳素钢中，再通过含碳量的不同进行分类，碳素钢被分为了3类，**低碳钢**，**中碳钢**和**高碳钢**。

  1. 低碳钢：碳的质量分数≤0. 25%的钢。
  2. 中碳钢：碳的质量分数在0.25%～0.60%的钢。
  3. 高碳钢：碳的质量分数>0.60%的钢。

铁碳合金钢中的杂志是会影响到钢的好坏（质量）的。碳素钢中，根据这些杂质的不同还可以把钢分为**普通碳素结构钢**，**优质碳素结构钢**和**碳素工具钢**3大类。

```{note}
优质碳素结构钢与普通碳素结构钢相比，它的杂质元素含量更少，整体性能也就更好。
```

- **合金钢** 

  **合金钢**是在碳素钢基础上，为改善钢的性能，在冶炼时加入一些合金元素（如铬、镍、硅、锰、钼、钨、钒、钛、硼等）而炼成的钢。

  在合金钢中，再通过合金元素的总含量进行分类，合金钢被认为3类，**低合金钢**，**中合金钢**和**高合金钢**。

  1. **低合金钢：** 金元素总质量分数≤5%。
  2. **中合金钢：** 合金元素总质量分数>5%～10%。
  3. **高合金钢：** 合金元素总质量分数 > 10%。

  在这些合金钢中，按照合金元素的种类也可以分类，可以分为**三元合金钢**，**四元合金钢**和**多元合金钢**。

  1. **三元合金钢：** 指除铁、碳以外，还含有另一种合金元素的钢，如锰钢、铬钢、硼钢、钼钢、硅钢、镍钢等
  2. **四元合金钢：** 指除铁、碳以外，还含有另外两种合金元素的钢，如硅锰钢、锰硼钢、铬锰钢、铬镍钢等
  3. **多元合金钢：** 指除铁、碳以外，还含有另外3种或3种以上合金元素的钢，如铬锰钛钢、硅锰钼钒钢等

## 按钢的品质

因为上面提到了普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，现在再整理出了一种分类方法：**按品质分类**。

按照**钢的品质**分类，可以把钢分为3类，**普通钢**，**优质钢**和**高级优质钢**。

1. **普通钢** 
   - 含杂质元素较多，其中磷、硫的质量分数均应≤0.07%。
   - 主要用做建筑结构和要求不太高的机械零件。
   - 主要类型有普通碳素钢、低合金结构钢等。
2. **优质钢** 
   - 含杂质元素较少，质量较好，其中硫、磷的质量分数均应≤0.04%，主要用于机械结构零件和工具。
   - 主要类型有优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢和合金工具钢、弹簧钢、轴承钢等。
3. **高级优质钢** 
   - 含杂质元素极少，其中硫、磷的质量分数均应≤0.03%，主要用做重要机械结构零件和工具。
   - 属于这一类的钢大多是合金结构钢和工具钢，为了区别于一般优质钢，这类钢的牌号后面通常加符号“A”，以便识别。

**注：不同的资料对于不同品质的钢中磷和硫元素的含量稍有不同，但总体来说，就是S和P含量越少，钢就越优。** 

## 按用途

按用途分类，钢可以分为4大类，**结构钢**，**工具钢**，**特殊钢**，**专业用钢**。

其中结构钢又被分成了两类，建筑及工程用结构钢，机械制造用结构钢。本笔记的结构钢为机械制造用结构钢。

- **结构钢**
  1. 用于制造机械设备上的结构零件。
  2. 这类钢基本上都是优质钢或高级优质钢，需要经过热处理、冷塑成形和机械切削加工后才能使用。
  3. 主要类型有优质碳素结构钢、合金结构钢、易切削结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢。

- **工具钢**
  1. 指用于制造各种工具的钢。
  2. 这类钢按其化学成分分为碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢。
  3. 按照用途又可分为刃具钢（或称刀具钢）、模具钢（包括冷作模具钢和热作模具钢）、量具钢。

- **特殊钢**
  1. 指用特殊方法生产，具有特殊物理性能、化学性能和力学性能的钢。
  2. 主要包括不锈钢、耐热钢、高电阻合金钢、低温用钢、耐磨钢、磁钢（包括硬磁钢和软磁钢）、抗磁钢和超高强度钢（指抗拉强度Rm≥1400MPa的钢）。

- **专业用钢**
  1. 指各工业部门专业用途的钢，例如，农机用钢、机床用钢、重型机械用钢、汽车用钢、航空用钢、宇航用钢、石油机械用钢、化工机械用钢、锅炉用钢、电工用钢、焊条用钢等。

```{note}
本人见过的钢中，只有结构钢使用较多。（拙见）
```

## 钢的分类小总结

这种按化学成分的分类方法，就是以铁，碳为主要元素构成的合金，由含碳量的多少分出低碳钢，中碳钢，高碳钢。如果向里面加入合金元素，就构成了合金钢，再按合金质量分数的多少就分出了低合金钢，中合金钢，高合金钢。比如有一种钢，它的碳含量在0.25%～0.60%，那么它就是中碳钢，如果它里面的合金元素质量分数在5%～10%，那那么它还是合金钢，并且是中合金钢，如果它里面的杂质元素较少，硫、磷的质量分数控制到了≤0.04%，那么它就是优质碳素结构钢。

在上面碳素钢章节中的记录我有提到，普通碳素结构钢，优质碳素结构钢，这是按品质（质量）分类的，这里面碳素结构钢比较优的原因就是里面的杂质在冶炼过程中得到了控制，使其在一定范围之下，杂质得到控制，钢的性能就比较好。

```{note}
另外我补充一点，有一种比较常用的钢叫45钢，就是优质碳素结构钢。
```

## 钢中元素对钢的性能的影响

铁碳合金中的杂质元素完全去除是很难得，所有的钢中，一定含有S，P等杂质，只是含量多少的问题，这些杂质会对钢的性能产生影响，有好有坏。在钢中加入合金元素，也会影响钢的性能，一般来说，加入一定量的合金元素会使钢的性能变好。

- **硫（S）**

  硫匀速会使钢的性能变差，可使钢变脆。

- **磷（P）**

  可以提高钢的强度和硬度，但会使钢的韧脆转变温度提高，导致冷脆性。

- **氧（O）、氢（H）、氮（N）**

  氧在钢中会使塑性和韧性下降；而H会引起氢脆，造成钢中白点（微裂纹）；N能够使钢的强度、硬度增加，脆性提高，塑性下降。

- **锰（Mn）、硅（Si）**

  Mn和Si可以形成MnO和SiO，起到脱氧的作用。Mn还可以与钢中的S发生作用形成MnS，可以大大减轻硫的有害作用。锰和硅在含量不高的情况下（<1%），可以提高钢的强度而不降低钢的塑性和韧性。因此一般认为，锰和硅在钢中是有益元素。