碳素鋼的定義及鋼中五元素
含碳2％以下的鐵碳合金稱為鋼。碳素鋼中的五元素是指化學成份中的主要組成物，即 C、Si、Mn、S、P（碳、硅、錳、硫、磷）。其次是在煉鋼過程中不可避免地會混入氣體，含O、H、N（氧、氫、氮）。此外，用鋁-硅脫氧鎮(zhèn)靜工藝中，必然在鋼水中含有 Al，當Als（酸溶鋁）≥0.020％時，還有細化晶粒的作用。
化學元素對鋼性能的影響
1、碳（C）：鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當碳量0.23％超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構鋼，含碳量一般不超過0.20％。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。
2、硅（Si）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15－0.30％的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60％,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構鋼中加入1.0－1.2％的硅，強度可提高15－20％。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1－4％的低碳鋼，具有極高的導磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。
3、錳（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30－0.50％。在碳素鋼中加入0.70％以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點高40％。含錳11－14％的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機鏟斗，球磨機襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045％，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055％，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040％。在鋼中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。
6、鉻（Cr）：在結(jié)構鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。
7、鎳(Ni)：鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。
8、鉬(Mo)：鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應力，發(fā)生變形，稱蠕變)。結(jié)構鋼中加入鉬，能提高機械性能。 還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。
9、鈦(Ti)：鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細化晶粒力；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。
10、釩(V)：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5％的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。
11、鎢(W)：鎢熔點高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強性，作切削工具及鍛模具用。
12、鈮(Nb)：鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。
13、鈷(Co)：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強鋼和磁性材料。
14、銅(Cu)：武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5％塑性顯著降低。當銅含量小于0.50％對焊接性無影響。
15、鋁(Al)：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。
16、硼(B)：鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強度。
17、氮(N)：氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。
18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很像“土”，所以習慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。
生產(chǎn)工藝
1、 鋼鐵是怎樣煉成的？
煉鋼的主要任務是按所煉鋼種的質(zhì)量要求，調(diào)整鋼中碳和合金元素含量到規(guī)定范圍之內(nèi)，并使P、S、H、O、N等雜質(zhì)的含量降至允許限量之下。煉鋼過程實質(zhì)上是一個氧化過程，爐料中過剩的碳被氧化，燃燒成CO氣體逸出，其它Si、P、Mn 等氧化后進入爐渣中。S部份進入煉渣中，部份則生成SO2排出。當鋼水成份和溫度達到工藝要求后，即可出鋼。為了除去鋼中過剩的氧及調(diào)整化學成份，可以添加脫氧劑和鐵合金或合金元素。
2、 轉(zhuǎn)爐煉鋼簡介
從魚雷車運來的鐵水經(jīng)過脫硫、擋渣等處理后即可倒入轉(zhuǎn)爐中作為主要爐料，另加10％ 以下的廢鋼。然后，向轉(zhuǎn)爐內(nèi)吹氧燃燒，鐵水中的過量碳被氧化并放出大量熱量，當探頭測得達到預定的低碳含量時，即停止吹氧并出鋼。一般在鋼包中需進行脫氧及調(diào)整成份操作；然后在鋼液表面拋上碳化稻殼防止鋼水被氧化，即可送往連鑄或模鑄工區(qū)。對要求高的鋼種可增加底吹氬、RH真空處理、噴粉處理（噴SI—CA粉及變性石灰）可以有效降低鋼中的氣體與夾雜，并有進一步降碳及降硫的作用。在這些爐外精煉措施后還可以最終微調(diào)成份，滿足優(yōu)質(zhì)鋼材的需求。
3、 初軋
模鑄鋼錠采取熱裝、熱送新工藝，進入均熱爐加熱，然后通過初軋機及鋼坯連軋機軋成板坯、管坯、小方坯等初軋產(chǎn)品，經(jīng)過切頭、切尾、表面清理，（火焰清理、打磨）高品質(zhì)產(chǎn)品則還需對初軋坯進行扒皮和探傷，檢驗合格后入庫。目前初軋廠的產(chǎn)品有初軋板坯、軋制方坯、氧氣瓶用鋼坯、齒輪用圓管坯、鐵路車輛用車軸坯及塑模用鋼等。初軋板坯主要供應熱軋廠作為原料；軋制方坯除部份外供，主要送往高速線材軋機作原料。由于連鑄板坯的先進性，初軋板坯的需求量大為削減，因此轉(zhuǎn)向上述其它產(chǎn)品了。
4、 熱連軋
用連鑄板坯或初軋板坯作原料，經(jīng)步進式加熱爐加熱，高壓水除鱗后進入粗軋機，粗軋料經(jīng)切頭、尾、再進入精軋機，實施計算機 控制軋制，終軋后即經(jīng)過層流冷卻（計算機控制冷卻速率）和卷取機卷取、成為直發(fā)卷。直發(fā)卷的頭、尾往往呈舌狀及魚尾狀，厚度、寬度精度較差，邊部常存在浪形、折邊、塔形等缺陷。其卷重較重、鋼卷內(nèi)徑為760mm。(一般制管行業(yè)喜歡使用。)將直發(fā)卷經(jīng)切頭、切尾、切邊及多道次的矯直、平整等精整線處理后，再切板或重卷，即成為：熱軋鋼板、平整熱軋鋼卷、縱切帶等產(chǎn)品。熱軋精整卷若經(jīng)酸洗去除氧化皮并涂油后即成熱軋酸洗板卷。該產(chǎn)品有局部替代冷軋板的趨向，價格適中，深受廣大用戶喜愛。
5、 冷連軋
用熱軋鋼卷為原料，經(jīng)酸洗去除氧化皮后進行冷連軋，其成品為軋硬卷，由于連續(xù)冷變形引起的冷作硬化使軋硬卷的強度、硬度上升、韌塑指標下降，因此沖壓性能將惡化，只能用于簡單變形的零件。軋硬卷可作為熱鍍鋅廠的原料，因為熱鍍鋅機組均設置有退火線。軋硬卷重一般在6~13.5噸，鋼卷內(nèi)徑為610mm。
一般冷連軋板、卷均應經(jīng)過連續(xù)退火（CAPL機組）或罩式爐退火消除冷作硬化及軋制應力，達到相應標準規(guī)定的力學性能指標。
冷軋鋼板的表面質(zhì)量、外觀、尺寸精度均優(yōu)于熱軋板，且其產(chǎn)品厚度右軋薄至0.18mm左右，因此深受廣大用戶青睞。以冷軋鋼卷為基板進行產(chǎn)品的深加工，成為高附加值產(chǎn)品。如電鍍鋅、熱鍍鋅、耐指紋電鍍鋅、彩涂鋼板卷及減振復合鋼板、PVC 復膜鋼板等，使這些產(chǎn)品具有美觀、高抗腐蝕等優(yōu)良品質(zhì)，得到了廣泛應用。冷軋鋼卷經(jīng)退火后必須進行精整，包括切頭、尾、切邊、矯平、平整、重卷、或縱剪切板等。冷軋產(chǎn)品廣泛應用于汽車制造、家電 產(chǎn)品、儀表開關、建筑、辦公家具等行業(yè)。鋼板捆包后的每包重量為3~5噸。平整分卷重一般為3~10噸/卷。鋼卷內(nèi)徑610mm。
大部分鋼材加工都是通過壓力加工，使被加工的鋼（坯、錠等）產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)鋼材加工溫度不同以分冷加工和熱加工兩種。鋼材的主要加工方法有：
軋制：將金屬坯料通過一對旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙（各種形狀），因受軋輥的壓縮使材料截面減小，長度增加的壓力加工方法，這是生產(chǎn)鋼材最常用的生產(chǎn)方式，主要用來生產(chǎn)型材、板材、管材。分冷軋、熱軋。
鍛造：利用鍛錘的往復沖擊力或壓力機的壓力使坯料改變成我們所需的形狀和尺寸的一種壓力加工方法。一般分為自由鍛和模鍛，常用作生產(chǎn)大型材、開坯等截面尺寸較大的材料。
拉撥：是將已經(jīng)軋制的金屬坯料（型、管、制品等）通過模孔拉撥成截面減小長度增加的加工方法大多用作冷加工。
擠壓：是將金屬放在密閉的擠壓筒內(nèi)，一端施加壓力，使金屬從規(guī)定的?？字袛D出而得到有同形狀和尺寸的成品的加工方法，多用于生產(chǎn)有色金屬材料。
6、 鋼的力學性能
6.1拉力試驗
按標準制備的拉力試樣，安裝在拉力試驗機的夾頭內(nèi)，對試樣緩慢施加單軸向拉伸應力，直至試樣被拉斷為止的試驗稱作拉力試驗。
6.1.1強度
金屬材料在外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力叫強度。強度指標包括：比例極限、彈性極限、屈服強度、抗拉強度等。
6.1.2比例極限
對金屬施加拉力，金屬存在著力與變形成直線比例的階段，而這個階段的最大極限負荷Pp除以試樣的原橫截面積即為比例極限，用σ p表示。
6.1.3彈性極限
金屬受外力作用發(fā)生了變形，外力去掉后，能完全恢復原來的形狀，這種變形稱為彈性變形。金屬能保持彈性變形的最大應力稱為 彈性極限，用σe表示。
6.1.4抗拉強度
試樣拉伸時，在拉斷前所承受的最大負荷除以原橫截面積所得的應力，稱作抗拉強度，用σb表示。當材料所受的外應力大于其抗拉 強度時，將會發(fā)生斷裂。因此σb越高，則表示它能承受愈大的外應力而不致于斷裂。
國外標準的結(jié)構鋼常按抗拉強度來分類，如SS400，其中400即表示σb的最小值為400MPa超高強度鋼是指σb≥1373 Mpa的鋼。
6.1.5屈強比
屈強比即屈服強度與抗拉強度之比值（σs/σb）。屈服比值越高，則該材料的強度愈高，屈強比值愈低則塑性愈佳，沖壓成形性愈好。如深沖鋼板的屈強比值為≤0.65。
彈簧鋼一般均在彈性極限范圍內(nèi)服役，受載荷時不允許產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧鋼經(jīng)淬火、回火后具有盡可能高的彈性極限和屈強比值（σs/σb≥0.90）此外疲勞壽命與抗拉強度及表面質(zhì)量往往有很大關聯(lián)。
6.1.6塑性
金屬材料在受力破壞前可以經(jīng)受永久變形的性能稱為塑性。塑性指標通常伸長率和斷面收縮率表示。伸長率與斷面收縮率越高，則塑性越好。
7、 沖擊韌性
用一定尺寸和形狀的金屬試樣，在規(guī)定類型的沖擊試驗上受沖擊負荷折斷時，試樣刻槽處單位橫截面上所消耗的沖擊功，稱為沖擊 韌性以αk表示。目前常用的10×10×55mm，帶2 mm深的V形缺口夏氏沖擊試樣，標準上直接采用沖擊功（J焦耳值）AK，而不是采用αK值。因為單位 面積上的沖擊功并無實際意義。沖擊功對于檢查金屬材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化最為敏感，而實際服役條件下的災難性破斷事故，往往與材料的沖擊功及服役溫 度有關。 因此在有關標準中常常規(guī)定某一溫度時的沖擊功值為多少 、還規(guī)定FATT（斷口面積轉(zhuǎn)化溫度）要低于某一溫度的技術條件。所謂FATT，即一組在不同溫度下的沖擊試樣沖斷后，對沖擊斷口進行評定，當脆性斷裂占總面積的50％時所對應的溫度。由于鋼板厚度的影響，對厚度≤10mm的鋼板，可取得3/4小尺寸沖擊試樣（7.5×10×55mm）或1/2小尺寸沖擊試樣（5×10×55mm）。但是一定要注意，同規(guī)格及同一溫度下的沖擊功值才可相互比較。只有在標準規(guī)定的條件下，才可按標準的換算方法，折算 成標準沖擊試樣的沖擊功，再相互比較。
8、 硬度試驗
金屬材料抵抗壓頭（淬硬的鋼球或具有1200圓錐或角錐的金剛石壓頭）壓陷表面的能力稱為硬度。 根據(jù)試驗方法和適用范圍的不同，硬度可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度以及顯微硬度、高溫硬度等。
冶金產(chǎn)品常用的是布氏硬度和洛氏硬度。
9、寶鋼企業(yè)標準（Q/BQB）
寶鋼企標中的鋼號大致可分為三個來源： 即從日本JIS標準、德國DIN標準移植及自行開發(fā)研制的鋼號。從日本JIS標準中移植來的鋼號，一般首位常為S（Steel）；從DIN標準移植來的鋼號，一般常以ST開頭（Stahl德文中的“鋼”）； 寶鋼自行開發(fā)研制的鋼號，一般首位常以寶鋼的拼音首位B開頭。
10、結(jié)構用熱連軋、冷連軋鋼板及鋼帶
結(jié)構鋼一般按強度分類，在鋼號中的數(shù)字往往代表抗拉強度的最低值。由于該類鋼常用于制作結(jié)構件，因此稱作為結(jié)構鋼。結(jié)構鋼的強化機制傾向于降碳增錳固溶強化鐵素體、細化珠光體和添加微合金的析出強化、沉淀強化和細晶強化，以確保在提高強 度的同時仍保持較好的韌、塑指標并兼具良好的焊接性能。
