关于钢的那些事儿（二）
#3. 钢的种类
目前全世界公布的、注册的或标准化的钢的种类有几千多种，每一种都有不同的化学成分，不同的国家或者组织把钢进行了系统化的标号。此外，如果再计算上不同的热处理方式、不同的金相组织、不同的冷成型条件、不同的形状和不同的表面处理方式等因素，那么在实际应用中可供选择的种类则会是一个相当巨大的数量。虽然数量庞大，但钢仍旧可以根据化学成分、应用、形状和表面条件进行分类。
3.1. 化学成分
按照化学成分，钢能够分为三大类：碳钢(carbon steel)、低合金钢(low-alloy steel)、高合金钢(high-alloy steel)。所有的钢里面都包含了一些从炼钢过程中残留下来的杂质元素，包括在钢包(ladle)除氧(deoxidation)的过程中残留的锰、硅或者铝；在高炉(blast furnace)中的矿石(ore)和燃料(fuel)里残留下来的磷(phosphorus)和硫(sulfur)；在炼钢炉(steelmaking furnace)中添加的废钢(scrap)带来的杂质铜(copper)和其它金属元素，这些总量加在一起的不超过1%元素则不能叫做合金成分。
在所有的钢种中，碳钢的应用最为广泛，占全球所有钢产量的90%。它们通常划分为：含碳量大于0.5%的高碳钢、含碳量在0.2%-0.49%之间的中碳钢、含碳量在0.05%-0.19%之间的低碳钢、含碳量在0.015%-0.05%之间的超低碳钢和含碳量小于0.015%的超超低碳钢。
低合金钢中的合金含量可以达到8%，大于此合金含量的钢为高合金钢。除了碳元素以外有大约20种元素可以作为合金，其中包括：锰、硅、铝、镍、铬、钴、钼、钒、钨、钛、铌、锆、氮、硫、铜、硼、铅、碲、锡。
3.2. 应用
钢的广泛应用正体现了这种金属材料的多功能性，其中碳钢就能满足最常使用的部分，最常用的例子是：低碳薄板钢(sheet steel)能满足车身所需要的深拉(deep drawn)特性、中碳结构钢(structural steel)、板材(plate steel)和线材(wire steel)能够满足建筑行业中的需求，此外还有高碳轨道钢等对不同含碳量的钢的几百种需求，在碳钢的性能不能满足使用要求时才使用合金钢。
3.2.1. 高强度低合金钢(high-strength low-alloy steel (HSLA))
高强度低合金钢(HSLA)用在需要高强度、良好的可焊性以及在空气环境中有很好的抗腐蚀性的应用中。这种钢属于低碳钢的范围，同时含有一定数量的（一种或几种）像铬、镍、钼、钒、钛、铌等元素。HSLA钢常用在气体管道、船舶、海上天然气钻井平台和储存罐等应用中。
3.2.2. 高速切削钢(free-machining steel)
高速切削钢用于加工和制造螺栓、螺纹、螺母，其中含0.35%的硫和0.35%的铅，有时还会含有少量的碲和锡。这些元素实质上组成的是杂质(inclusion)，通常需要在钢中避免存在，但类应用恰好需要把长流线打断，以便易于加工成小零件。应用高速切削钢能够使加工工具和工件保持干净，在提高技工速度的同时还能提高加工工具的寿命。
3.2.3. 耐磨钢(wear-resistant steel)
耐磨钢通常用于矿山行业像破碎机、挖土机等岩矿处理设备。耐磨钢通常是含碳量在1.2%、含锰量在12%的奥氏体钢。其中锰元素是一种很强的奥氏体成型元素，能够使钢在室温下形成奥氏体。锰钢通常也叫做哈德菲尔德(Hadfield)钢，用它发明者罗伯特·哈德菲尔德(Robert Hadfield)的名字来命名。
耐磨钢具有很高的加工硬化(work-hardening)能力，也就是在对钢的表面进行“打击”变形的过程中在晶格中产生了大量影响位错运动的“畸变”，也就是说对钢的“打击”越多钢就越强。用在预应力混凝土(prestressed concrete)和汽车轮胎中的高强度冷拔钢丝就是通过这种方法生产的。在特殊情况下，用耐磨钢制造的含碳量为0.8%的钢琴线能够拥有275kgf/mm^2的抗拉强度。
3.2.4. 轴承钢(bearing steel)
制造滚柱和滚柱轴承用的轴承钢是工业用钢的一个重要组成部分。轴承钢通常含1%的碳、1.2%的铬、0.25%的镍和0.25%的钼，在热处理后具有非常大的硬度。更重要的一点是，在轴承钢炼钢过程中经过了真空除杂质的方式，使轴承钢非常的纯净。因为在轴承钢中杂质会产生应力集中(stress concentration)，降低轴承钢的疲劳寿命(fatigue life)，给轴承钢带来非常大的危害。
3.2.5. 不锈钢(stainless steel)
不锈钢是通过加入大于10.5%的铬，在钢的表面形成铬氧化物的保护膜，这个保护膜会在损坏了之后进行自我修复来实现防锈功能。不锈钢又分为三大部分：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢（关于奥氏体、铁素体和马氏体的简介参考本系列文章“关于钢的那些事儿（一）”）。
其中抗腐蚀性最好的是奥氏体不锈钢。这类钢的金相组织由呈面心立方(face centre cubic (fcc))结构的固溶物组成,所有的合金元素都保持在了固溶物之中，包含了16%-26%的铬和35%的镍（镍和上面提到的锰一样是很强的奥氏体成型元素，而且有时候会用锰来替代镍）。奥氏体钢不能被热处理强化，同时它们也是没有磁性的。应用最多的不锈钢种类是18/8（或者叫做304）不锈钢，其中有18%的铬和8%的镍。
铁素体和马氏体不锈钢的金相组织中都是呈体心立方的结构(body centre cubic (bcc))，其中马氏体不锈钢的含碳量更高，可以到1.2%，能够被强化，常用于制作刀等工具。铁素体不锈钢仅含0.12%的碳，这两种不锈钢都含11.5%-29%的铬，不含镍。它们的防锈功能一般，但是具有铁磁性。
有一种特殊的不锈钢是在高温下使用（例如，800° C），可以通过固溶强化使其在高温下具有很高的强度。这种钢有25%的铬和20%的镍，此外还加入了铌和钛的碳化物(carbide)来锁紧碳原子并且减少在晶界(crystal boundary)上铬元素的消耗。对于更恶劣的情况，比如在航空发动机或者燃气轮机中，则使用高温合金(super alloy)。高温合金的结构和工作等原理和钢一样，只不过它的主要成分不像钢一样是铁，而是镍、钴或者两者都有，有时候根本就没有铁或者含量不超过30%的铁。高温合金的最大工作温度可以达到其熔点的80%。
3.2.6. 电工钢(electrical steel)
在发电和输电领域使用的是硅含量很高的电工钢。通过把很多薄片电工钢层叠在一起，使之在施加交流电的条件下具有电磁特性，同时每片电工钢都彼此绝缘来减少由涡流产生的电流损失和热量损失。通过把硅含量提高到4.5%可以得到高电阻。在变压器中使用的是晶粒取向(grain-oriented)电工钢，其中硅含量为3.5%，经过轧制和退火(annealing)处理，并且单位立方体的边缘平行于轧制方向，这种结构能够提高30%的磁通量密度(magnetic flux density)。
3.2.7. 工具钢(tool steel)
含有贵合金的工具钢的在应用上的总体数量比较少，一般都是按公斤进行买卖。工具钢通常都具有高硬度、高耐磨性、高韧性，能够承受局部过热，常用用在有特殊需求的设备上。工具钢包含很稳定的碳化钨、碳化钼、碳化钒和碳化铬，有时也会加入钴或镍来提高高温性能。
3.3. 钢的形状和表面
通常情况下，钢的产品为扁平材（此处用“扁平材(flat)”这个概念来与具体的“板材(plate)”进行区分）和长材(long product)。这两类产品都可以通过热轧(hot rolling)、冷轧(cold rolling)和表面处理(coating)工艺来达到不同的使用要求。
3.3.1. 扁平材
扁平形状类的钢材按照厚度从厚道薄分为：板材(plate)、薄板材(sheet)、带材(strip)。从成型方式包括：热轧板材(hot-rolled plate)、热轧板薄材(hot-rolled sheet)、冷轧薄板材(cold-rolled sheet)、热轧带材(hot-rolled strip)、冷轧带材(cold-rolled strip)。这些产品都是由板坯(slab)（板坯通常是中间过程产品，一般不用做成品销售）通过轧制而成，板坯由连铸机(continuous caster)或板坯轧机(slab mill)通过轧制铸坯获得。板坯一般的厚度为50mm-250mm，宽度为0.6m-2.6m，长度可以达到12m。
板材可以由板坯或者铸坯通过热轧获得，最大的尺寸根据板坯或铸坯的宽度、轧机尺寸和辅助设备来决定。厚度最薄可以达到5mm，但通常很厚（25mm），最厚可以达到200mm。板材的宽度通常在1.5m-3.5m之间，但有厂家可以轧到5.5m宽。最大的轧机所生产的板材最大长度可以到35m。板材通常以小批量、客户订制（包括：尺寸、平面度公差、外形公差、平直度公差和其它特性）的方式生产。板材的边缘可以根据订单需要生产成轧制状态、机械切割状态、机加工状态或气割状态进行交付。板材有时也会通过复合轧制的方式覆盖上一层防腐板带材。
通过热轧带材轧机生产的热轧带材通常是一个重量为10吨-35吨的大卷，热轧带材的厚度一般为1.5mm-12mm，厚度为0.7m-2m取决于轧机的能力。通常大卷会被分成几个窄卷，或者对边部进行修剪，或者在精整工艺段从长度上剪切成薄板。热卷或薄板的表面在热轧状态或除鳞(scale)+涂油状态进行交付。
冷轧带材通过进一步对热轧带材进行轧制获得，根据设备的能力，一般厚度为0.1mm-2mm，宽度可以到2m。钢厂也是通过卷或单张薄板（通过专用剪切线进行加工）的形式出厂产品。冷轧产品有很多不同的表面交付状态，例如粗糙度、表面电解清洁、表面化学处理、表面涂油、表面金属（锌、锡、铬、铝）镀层或有机物涂层。冷轧产品对尺寸公差有着非常苛刻的要求来满足汽车行业或工业消费品市场的需要。
3.3.2. 长材(long product)
长材通过的轧制大方（矩形）坯(bloom)或小方坯(billet)来获得，一般用大方（矩形）坯作为轧制型材的坯料，用小方坯作为轧制棒材的坯料，如图1所示。
图1 坯料及产品
大方（矩形）坯和小方坯和板坯一样都属于中间产品，通过连铸或方坯轧机(bloom mill)生产获得。小方坯的横截面积一般为50mm^2-125mm^2，大方坯的横截面积一般为125mm^2-400mm^2。但实际上，大方（矩形）坯和小方坯的尺寸不是严格界定的，其相互之间有一定的交叉。
长材包括了：型材、铁轨钢、方棒、圆棒、线材、管材。方棒和圆棒的截面积形状由方形、矩形、扁平、圆形、六边形、八边形。其中圆棒作为应用最广泛的产品其直径可以达到250mm，有时通过冷拔(cold drawn)成型，然后其尺寸精度通过机加工来保证。圆棒中一类重要的产品是钢筋(renforcing bar)，直径范围在10mm-50mm，为混凝土结构提供预紧(tensile strength)力来承受弯曲载荷。一些棒材轧机也生产小槽钢、角钢、T型钢、Z型钢、最大法兰长度为75mm的钢板桩。
热轧线材(hot-rolled wire)的直径在5.5mm-12.5mm，成卷发货，重量可达2吨。线材的另外一类重要产品是冷拔线材，通常在表面报上一层金属材料用以防腐。线材的应用非常广泛，从轮胎钢丝到桥梁拉索都能看到它的身影。
通常型钢的形状包括：宽法兰I型梁、标准I型梁、槽钢、角钢、T型钢、Z型钢、H型桩、板桩。所有这些形状的钢材都是标准化产品，每一家钢厂都有对应产品的价格清单。铁轨钢都是按照国标来生产，但也有起重设备轨道等特殊应用领域的标准。
管材(tubular steel)分为焊接管(welded tube)和无缝管(seamless tube)两大类。直线焊接管(longitudunally welded tube)，如图2所示，其直径可以达到500mm、壁厚10mm。由厚板(haevy plate)焊接而成的管道通常也是采用直线焊接的方式，首先把厚板弯成U型或O型，然后沿着连接缝进行直线焊接，其直径可达800mm-2000mm、壁厚180mm。
图2 直线焊接管材预处理 -- 弯管
还有一种是螺旋焊接管(spiral welded pipe)，如图3所示，其焊接线沿螺线进行，直径可达1500mm。
图3 螺旋焊接管产品
无缝钢管(seamless tube)，如图4所示，通过对圆棒坯直接轧制而成，其直径为120mm-400mm、厚度可达15mm，特殊轧机可以轧制直径为650mm的无缝钢管。
图4 无缝钢管产品
关于直线焊接管、螺线焊接管和无缝管的制造工艺及设备会在后面的章节中介绍到。
此外，对于小直径管还能够通过缩管机或冷拔拉床加工得到。管材的出厂状态通常是对两端进行机加工来配合不同的链接方式，表面涂上有机材料。
3.4. 标准(standard)
大多数工业国家对钢材产品的规格和检验方法都有各自的标准体系，例如：ASTM(American Society for Testing and Materials, Philadelphia)、BS(British Standards Institute, London)、DIN(Deutsches Institut für Normung, Berlin)、JIS(Japanese Industrial Standards Committee, Tokyo)、EN(Comité Européen de Normalisation, Brussels)、ISO(International Organization for Standardization, Geneva)，还有我国的国标GB。此外，很多的组织和协会根据特殊产品的应用也都发布了很多产品规范和手册。需要说的是，每一家钢铁生产企业也都对自己所能生产交付的钢种进行了公布，并且通常都有自己的注册商标。