钢铁

铁素体（α-Fe） 针状铁素体（acicular α-Fe） 奥氏体（γ-Fe） 马氏体 珠光体（88%铁素体，12%碳化三铁） 贝氏体 粒滴斑铁（珠光体及渗碳体的共晶　　　　混合物，含碳量4.3%） 碳化三铁（Fe3C） β铁（β-Fe）坩埚钢（英语：Crucible steel） 碳钢（含碳量≤2.1%） 弹簧钢（英语：Spring steel）（低或无合金） 合金钢（含有碳以外的元素）铸铁（含碳量>2.1%）钢或称钢铁、钢材，是一种由铁与其他元素结合而成的合金，当中最普遍的是碳。碳约占钢材重量的0.02%至2.0%，视乎钢材的等级。其他有时会用到的合金元素还包括锰、铬、钒和钨。碳与其他元素有硬化剂的作用，能够防止铁原子的晶格因原子滑移过其他原子而出现位错。调整合金元素的量，及其存在与钢中的形式（溶质元素及参与相），就能够控制钢成品的特性，例如硬度、延展性及强度。加了碳的钢会比纯铁更硬更强，但是这种钢的延展性会比铁差。含碳量高于2.0%的合金叫铸铁，因为这种合金的熔点较低，可铸性强。钢又跟熟铁不同，熟铁可以含有少量的碳，但这些碳杂质都是夹杂在钢中的残留熔渣。钢有两种跟铸铁和熟铁不同的特性，就是钢的耐锈度较高，以及可焊度更佳。尽管在文艺复兴之前很久，人们已经懂得使用各种低效的方法来生产钢，但是钢的普及化要等到十七世纪，也就是有了更高效的生产法之后。自从在十九世纪发明了贝塞麦炼钢法之后，钢就成了一种可大量生产的廉价材料。后来炼钢法经过更多的改进，例如碱性氧气炼钢法，使得钢的生产价格更低，但同时品质更好。时至今日，钢已经成为世界上普遍的材质，年生产量达十三亿吨。在各种建筑、基础设施、工具、船只、汽车、机械、电器及武器中，钢都是一种主要的成分。现代钢铁一般用各种标准化团体所制定的不同品质标准来区分。地球地壳上所有的天然铁都是以矿石的形式存在，一般为氧化铁，例如磁铁矿及赤铁矿等。要提取铁，就要把铁矿中的氧移除，让氧与其他的化学元素结合，例如碳。这个过程叫熔炼，最早应用于熔点较低的金属，例如熔点约为250 °C的锡及熔点约为1,100 ℃的铜。而铸铁的熔点则为1,375 ℃。这种温度用青铜时代已经有的古老方法就可以达到。由于氧化率在800 ℃以上时会急剧增加，所以保持冶炼环境低氧是很重要的。跟铜与锡不同的是，液态铁能够很容易地溶解碳。熔炼所生成的合金（生铁）含碳量过高，因此还不能叫作钢。后续的步骤会把多余的碳和氧除掉。很多时候会向铁／碳化合物加入其他材料，来达至所需的特性。在钢里加入镍和锰会增加钢的强度，并使奥氏体的化学性质更加稳定，加入铬会使硬度及熔点上升，加入钒也可以使硬度上升，但同时更会减轻金属疲劳所带来的效应。为了防止腐蚀，最少会要加入11%的铬，这样表面就会生成一层硬的氧化物；这种合金叫不锈钢。钨能干预滲碳體的生成，使马氏体得以在较低的淬火率下生成，这样的成品叫高速钢。另一方面，硫、氮与磷会使钢变得更脆弱，因此必须从矿石中除掉这些普遍存在的元素。钢的密度会随合金的成分而改变，但一般介于7,750至8,050 kg/m3。即使在不同钢里面的浓度差异是如此的小，碳－钢混合物还是可以形成一些不同的结构，这些结构各自有着很不一样特性。要炼出高品质的钢，是必须明白这些特性的。在室温下，铁最稳定的形式是体心立方晶格结构的α-铁素体。这是一种颇软的金属材料，而且只能溶解很小量的碳，于723 ℃时上限为0.021 wt%，而0 ℃时则为0.005%。在炼的温度下，若钢的含碳量超过0.021%，它就会转化为面心立方晶格的结构，叫奥氏体，或γ-铁。它亦是一种软的金属材料，但是它能溶解相当多的碳，于1,148 ℃达2.1%，反映出钢的含碳量上限。当钢的含碳量少于0.8%时（叫亚共析钢），混合物会从奥氏体相冷却下来，尝试回到铁素体相，并因此会有多余的碳。其中一种能让碳脱离奥氏体的方法是，等滲碳體因沉淀离开混合物，这样剩下的铁纯度若足够地高，就能形成铁素体，得出滲碳體－铁素体混合物。滲碳體是一种既硬且脆的金属互化物，化学式为Fe3C。当钢的含碳量为0.8%时（共析钢），冷却的结构会形成珠光体，名称来自于与珍珠母类似的光泽。当钢的含碳量超过0.8%（过共析钢），冷却的结构则会形成珠光体和渗碳体。也许最重要的同质多形体是马氏体，因为它是一种介稳相，所以比其他钢相的强度要高很多。当钢处于奥氏体相时，再受到淬火后会形成马氏体，这是因为当晶格架构从面心立方转成体心立方时，原子需要被“冻结”在原位的缘故。视乎奥氏体相的碳含量，会形成不同的结构。当含碳量低于0.2%时，会形成体心立方结构的α-铁素体，而当含碳量较高时则会形成体心四方结构。从奥氏体到马氏体的变换，并不需要活化能。而且没有成分改变，因此原子一般保留变换前的邻居。马氏体的密度比奥氏体低，因此两者在互相变换时体积也会改变。所以在奥氏体转成马氏体时，会发生膨胀。这种膨胀所做成的内部应力，一般会对马氏体的晶体进行压缩，同时对余下的铁素体施行张力，并且还有相当量的剪应力作用于这两种成分上。如果淬火做得不完全的话，内部应力可能把会在冷却时导致断裂。在最低限度上，还会导致内部加工硬化及其他微观上的瑕疵。用水作冷却处理时，很多时候会形成断裂，尽管裂痕不一定可见。钢有多种不同的热处理过程。最常见的是退火及调质（淬火后回火）。退火是把钢高温加热到软化的过程。这个过程发生时会经过三个相：回复、再结晶及晶粒成长。钢退火所需的温度取决于退火的类型，以及合金的成分。调质（淬火后回火）在一开始时先把钢加热至奥氏体相，再用水或油进行冷却。急速的冷却导致马氏体结构既硬且脆。此时再把钢作回火处理，其实就是一种更专门的退火形式。这样的退火（回火）过程会把一部分的马氏体转化成滲碳體，或球化珠光体，转化会减少钢内部的应力和瑕疵，因此钢最后会变得更有韧性，更不易断。当铁矿准备被商业过程提炼前，铁矿的含碳量仍然是太高。要得到钢，必须把矿石熔掉，并重新处理来减低含碳量至适当水平，而在这个时候还可以加入其他元素。然后把液体用连续铸造法铸成厚钢板，又或是用铸造法铸成钢锭。大约96%的钢是用连续铸造法处理，而只有4%的钢被铸成钢锭。之后把钢放进均热炉里加热，再用热轧轧成厚钢板、钢块或钢坯。厚钢板会被热或冷轧成钢片或薄钢板。钢坯会被热或冷轧成钢条、钢棒及钢线。钢块则会被被热或冷轧成结构钢，如工字梁及铁路轨道。在现代铸造厂中，这些过程一般会以装配线的形式运作，也就是铸造厂输入矿石，输出钢成品。有时钢在轧完以后会再接受一次热处理，来增加强度，然而会这样做的厂商是相对地少。自古以来，人们已经知道钢的存在，当时的熔炼可能是用炼钢炉，或其他熔铁设施，而里面烧的是碳。已知最早的钢成品是一块铁器，出土于土耳其安那托利亚的卡曼－卡莱赫于克遗迹，约有四千年的历史。其他古代钢来自东非，可追溯至公元前1400年。在公元前4世纪，伊比利亚半岛出产了像利刃弯刀这种钢兵器，而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器。中国人早在战国时代（公元前403－221年）就已经懂得用淬火来硬化钢材，而到了汉朝（公元前202－公元220年），中国人更创造出用熟铁和铸铁熔在一起炼钢，于是用这种技术在公元一世纪就做出了中碳钢。东非的哈亚人在接近2,000年前就发明了一种高热高炉，使得他们在那个时候能用1,802 ℃的高温来锻造碳钢。高碳钢最早的生产证据出现于印度次大陆，出土地为斯里兰卡的莎玛纳拉威瓦。印度在公元前300年就开始生产乌兹钢。自从乌兹钢的锻造法在公元五世纪从印度传入了中国，中国人除了使用他们本身原创的锻钢法，也采用了乌兹钢的生产法，做出来的钢叫做镔铁。在斯里兰卡，这种早期的炼钢法用到一种特殊的送风式炉，它用的风是季风，能够生产出高碳钢。乌兹钢也叫大马士革钢，以其耐用性，与所制刀刃不易损而闻名。最早是由多种不同的材料制成，当中包括各种稀有元素。它本质上是一种以铁为主的复杂合金。最近研究指出，它的内部结构中含有碳纳米管，所以这可能就是它那有名特性的来源，介于当时的铸造技术有限，做出这种结构大概是出于偶然，而不是有意。送风式炉用的是天然风，炉内放置含铁的土壤，并用木材加热。古代的僧伽罗人成功从每两吨的土壤中提炼出一整吨的钢材，当时来说可谓成就卓越。考古学家在莎玛纳拉威瓦找到了这样的一个炉，并成功用古人的方法来生产钢铁。把纯铁与碳（一般是木炭）放在一起于坩埚内慢慢加热，冷却后就能得到坩埚钢，在公元九至十世纪前，梅尔夫这个地方就已经在生产坩埚钢。在十一世纪，有证据指出宋朝的中国共有两种炼钢法：一种把小量熟铁跟铸铁熔在一起，用于生产不均匀的次等钢；另一种是现代贝塞麦炼钢法的前身，透过在冷炉风下的重复锻造，达到不完全除碳的效果。从十七世纪起，欧洲式炼钢的第一步就是用高炉把铁矿炼成生铁。最早期炉子里烧的是木炭，现代方法则改为烧焦炭，事实证明后者要比前者便宜得多。在这些过程中，生铁需要在精炼厂中接受精炼，以生产出铁条（熟铁），之后再拿铁条去炼钢。用渗碳法炼钢的程序被记载于一篇在1574年布拉格出版的论文中，并且早在1601年纽伦堡人就在用这方法炼钢。一本在1589年那不勒斯出版的书中有提及相近的方法，用于制作经表面硬化的盔甲与锉。这套程序在1614年被引入英格兰，而巴兹尔·布鲁克爵士于1610年代在什罗普郡的柯尔布鲁德尔生产这种钢。这套方法的原材料是熟铁造的铁条。在十七世纪期间，最好的熟铁是瑞典斯德哥尔摩以北所产的厄勒格伦德铁。到了十九世纪这种铁还是最常用的原料，也就是在用这套方法的期间，几乎用的都是这种铁。在坩埚里烧出来的钢叫坩埚钢，它是没有经过锻造的，因此成品会比均匀。以前大部分的炉都不能达到能熔掉钢的温度。现代的坩埚钢工业最早是由本杰明·汉特斯曼于1740年代的发明所衍生的。一般会把渗碳钢（以渗碳法制成的钢）放在坩埚或熔炉里面熔掉，然后铸成钢锭。炼钢的现代史从1858年 引进亨利·贝塞麦的贝塞麦炼钢法开始。他的原料是生铁。他的炼钢法让低成本大量生产变得可行，因此从前用熟铁的地方现在都用软钢。吉尔克莱斯特-托马斯炼钢法（或基本贝塞麦炼钢法）是贝塞麦炼钢法的改良版，就是在转炉内部铺上一层盐基材料，以达到除磷的效果。炼钢的另一项改良就是西门子－马丁炼钢法，能够补足贝塞麦炼钢法的缺点。在使用碱性氧气炼钢的林茨－多纳维茨炼钢法出现后，上述的炼钢法都被淘汰了，碱性氧气炼钢法及其他氧气炼钢法是在1950年代被开发出来的。碱性氧气炼钢法比其他方法优胜是因为，被泵到表面上的氧气会限制杂质，而从前杂质能够从所用的空气中进入。时至今日，用电弧炉来重新处理废金属是很常见的，处理后能生产出新的钢。它也可用于把生铁转化成钢，但需要使用大量电力（每吨需要约440 kWh），所以一般只能在有大量廉价电力供应的情况下才有经济效益。现在我们都把钢和铁工业合称为“钢铁工业”，好像它们本身就是一个个体，但是在历史上它们是不同的产品。钢工业通常被用作经济进度的指标，因为钢在基础设施与整体经济发展中有着举足轻重的角色。在1980年，美国共有500,000名钢铁工人。到2000年，数量减至224,000人。中国与印度经济的急剧增长，导致近年对钢铁的需求量也跟着大量增加。在2000年至2005年之间，世界钢铁的需求量共增加了6%。自2000年起，好几家印度及中国钢铁商成功突围而出，晋身世界一流，例如塔塔钢铁（于2007年收购柯以斯集团）、上海宝钢集团及江苏沙钢集团。然而，安赛乐米塔尔仍然是世界最大的钢铁生产商。英国地质调查局指出，在2005年中国是世界第一名的钢铁生产国，占全球总产量的三分之一，而第二、三、四名分别为日本、俄罗斯及美国。伦敦金属交易所于2008年开始将钢材列入交易范围。在2008年底，钢铁工业面对了一场激烈的衰退，因此做了不少削减。为了满足各样不同的用途，现代钢材有着各种不同的合金金属组合。碳钢的构成很简单，只有碳和铁两种元素，占钢材生产量的90% 。高强度低合金钢含有小量其他元素（正常重量最多占钢的2%），一般为1.5%锰，用于增加钢的强度，这样价格会高一点。低合金钢是与其他元素合成的钢，通常为钼、镁、铬或镍，总加入量上限为钢重量的10%，用于加强厚部分的可硬化性。不锈钢为了抵抗腐蚀（生锈），需要加入最少11%的铬，通常还会再加镍。一些不锈钢，如铁素体不锈钢带磁性，而奥氏体不锈钢则不带磁性。其他更现代的钢材还包括工具钢，合金元素为大量的钨与钴或其他元素，它们能够使固体溶液强化的效果最大化。同时还使析出硬化变得可行，并因此加强了钢的耐热性。工具钢一般用于制作斧头、钻头及其他需要又锋利又耐久刃面的设备。其他特殊用的钢还包括耐候钢，例如高登钢，在风化作用下会生成一层稳定的氧化表层，因而可以在不需涂漆就能在户外使用。还有其他高强度钢，例如双相钢，它是用热处理来使其钢体同时含有铁素体及马氏体微结构，因此强度较一般钢高。变态诱发塑性钢本身是没有奥氏体的低合金钢，但用了特殊的合金和热处理，因此其奥氏体的量能够在室温中稳定下来。在这种钢上施加应力，就能够在没有加热的情况下，将奥氏体相变成马氏体。麻时效钢是铁、镍及其他元素的合金，但与其他钢不同的是，它基本上不含碳，所以就生成了一种强度非常高，但同时带有延展性的金属。双晶诱发塑性钢用一种特殊的应变，来增加加工硬化对合金的有效度。埃格林钢用了超过十二种的元素，以不同量的组合来做出一种可用于碉堡破坏弹等武器的合金，而且成本相对地低。哈特菲钢（以罗伯特·哈特菲爵士命名）含有12-14%的锰，能在磨损时生成一层极硬的表层，防止磨耗。应用例子包括坦克履带、推土机上的推土刀边缘，以及生命之钳的切割刃。大部分常用钢铁合金，一般用各种标准化团体所制定的不同品质标准来区分。例如，汽车工程师协会有一系列的等级，区分很多种不同的钢铁。美国材料和试验协会有另外一套标准，将合金进行区分，例如美国最常用的结构钢A36钢。将钢热浸于锌中或在钢上电镀上一层锌，这样能保护表层防止生锈，虽然这种镀锌钢不是一种合金，但是它也是一种常用的钢。铁和钢都被广泛地应用于建造道路、铁路、其他基础设施、设备与建筑。大部分的现代架构，诸如体育场与摩天大楼、桥梁与机场，都是用钢制的支架来支撑。就算是用混凝土的结构，也要用钢筋来加固。此外，钢在家用电器与汽车制造都有广泛应用。尽管用铝的汽车主体正在增加，但是它们的主要材料仍然是钢。钢也被用于各种建造用的材料，例如螺栓、钉子及螺丝。其他常见应用还包括造船、输送管道、采矿、离岸建设、航天、白色家电（如洗衣机）、工程作业车辆（如推土机）、办公室家具、钢棉、工具及个人用背心式盔甲或载具用装甲（当中最有名的是轧压均质装甲）。钢还是不少现代雕塑家喜用的金属素材。在引进贝塞麦炼钢法及其他现代方法以前，钢是价值不菲的，所以只在没有更便宜替代品的情况下使用，尤其是各种需要又硬又锋利刀刃的切割工具，例如刀子、刮胡刀、剑等。钢也被用于制作弹簧，包括钟表里的弹簧。自从生产方法改进，变得更迅速更节约后，要得到钢就比较容易，价格也因而降下来，二十世纪后期塑胶的出现，使得钢的一些应用被取代，因为塑胶成本更低，而且重量更轻。由于核试的关系，所以在第二次世界大战之后生产的钢，会受到放射性同位素的污染。于是1945年之前生产的钢，被称为低背景钢，这种钢材被用于对辐射敏感的特定用途，例如盖革计数器及辐射屏蔽。