鋼鐵種類概述及其化學成分分析的元素選擇討論

●　山西省產品質量監督檢驗研究院　廖雅倩

鋼鐵種類概述及其化學成分分析的元素選擇討論

●山西省產品質量監督檢驗研究院廖雅倩

鋼鐵的化學成分是影響其各種性質的直接因素，它的改變會直接改變鋼鐵的組織結構，從而影響其性能。所以，鋼鐵的化學成分是基礎，在冶煉過程中應嚴格控制，使其達到所煉鋼種的要求，為后期成型的產品達到該具備的使用性能做好基礎。本文對鋼鐵種類進行概述，并按碳鋼、合金鋼、鑄鐵3大鋼鐵種類各選取一種日常生活生產中常見的產品進行化學成分分析的元素選擇討論。闡述了對于不同的鋼種，在實驗室分析中，化學成分分析的元素選擇是有針對性的。

鋼鐵化學成分分析元素選擇

化學成分作為鋼鐵研究的4要素（化學成分、組織結構、合成加工、性能）之一，有著非常重要的作用。鋼鐵的化學成分是影響其各種性質的直接因素，它的改變會直接改變鋼鐵的組織結構，從而影響其性能。所以，鋼鐵的化學成分是基礎，在冶煉過程中就應嚴格控制，使其達到所煉鋼種的要求，為后期成型的產品達到其該具備的使用性能做好基礎。在實驗室分析中，我們將嚴格分析和判定鋼鐵的化學成分質量分數。對于不同的鋼種，在實驗室分析中，化學成分分析的元素選擇是有針對性的。

那么，下面先對鋼鐵種類進行概述，以便讀者對鋼鐵有整體的認識，再討論在實驗室化學成分分析中的元素選擇。

鋼鐵種類概述

鋼鐵按碳的質量分數大體可以分為3類：ω（C）＜0.021％為工業純鐵，0.021％＜ω（C）＜2.11％為碳鋼、合金鋼，ω（C）＞2.11％為鑄鐵。

1.純鐵

純鐵具有鐵磁性，實際應用的純鐵含有少量雜質，稱為工業純鐵。工業純鐵強度低、硬度低、塑性好，一般不作為結構材料使用，主要利用其鐵磁性作為磁性材料使用。

2.碳鋼

碳鋼是以鐵和碳元素為主，含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的鋼，其中碳是最主要的合金元素。

由于碳鋼價格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求，被廣泛使用在工農業生產中。通常將碳鋼分為：普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、鑄鋼、碳素工具鋼。

（1）普通碳素結構鋼簡稱普碳鋼

國家標準GB/T 700-2006《碳素結構鋼》中規定了普碳鋼的牌號有Q195、Q215、Q235、Q275。其中Q195、Q215、Q235普碳鋼的塑性好，有一定的強度，通常軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等，可用于制造橋梁、建筑物等構件，也可用于制造螺釘、螺帽、鉚釘等。Q275普碳鋼強度較高，常軋制成型鋼、鋼板作構件用。

（2）優質碳素結構鋼

國家標準GB/T 699-1999《優質碳素結構鋼》中列出了鋼的牌號，用碳的平均質量分數的萬分數表示，如“20”，表示ω（C）在0.20％左右。對于沸騰鋼，則在牌號后加“F”，如“08F”；若鋼中錳的質量分數較高，則在牌號后加“Mn”，如“20Mn”。優質碳素結構鋼主要用來制造各種機器零件。

（3）鑄鋼

牌號用“ZG”加數字表示，數字代表鋼中碳的平均質量分數的萬分數。如ZG25，表示ω（C）在0.25％左右的鑄鋼。鑄鋼可用來制造形狀復雜的需要一定強度、塑性和韌性的零件，如齒輪、聯軸器等重要機件。

（4）碳素工具鋼

牌號用“T”加數字表示，數字代表鋼中碳的平均質量分數的千分數。如T12，表示ω（C）在1.2％左右的碳素工具鋼。碳素工具鋼用來制造各種刃具、量具、模具等。

3.合金鋼

在碳鋼中特意加入一種或多種合金元素形成了合金鋼。合金鋼鋼種繁多，按用途可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼等三大類。

（2）合金工具鋼是專用于制造各種加工工具的鋼種，包括刃具鋼、模具鋼和量具鋼等。

（3）特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學或力學性能的鋼種，包括不銹鋼、耐熱鋼、熱磨鋼等。

4.鑄鐵

普通鑄鐵是碳的質量分數大于2.11％的鐵碳合金，通常含有較多的Si、Mn、S、P等元素。鑄鐵大體分為兩大類：白口鑄鐵和非白口鑄鐵。一般根據石墨的形態對非白口鑄鐵進行分類為：灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵。

（1）灰口鑄鐵

灰口鑄鐵分為普通灰口鑄鐵和孕育灰口鑄鐵，均用“HT★★★”表示，“HT”表示灰鐵，后面加3位數字表示最低抗拉強度。如HT150，表示最低抗拉強度為150MPa的灰口鑄鐵。

以電子信息類專業為例，該專業需要培養一部分具有從事通信網絡方面專業技能的學生。通信的核心是連接與交換，那么對應的兩個方向就是傳輸和網絡。在專業實驗教學體系建設中就需要集中向這兩個方向，在實驗課安排中，對新技術仍可以從通信核心的角度來重新定義，增加新的實驗內容[4]。對該專業實驗課程就可以按照以下思路進行構建教學體系：（1）實驗課程體系覆蓋通信的全程全網；（2）知識體系按照“原理—技術—系統—網絡”的邏輯進行設計；（3）利用軟件可定義技術來體現實驗平臺的可設計性和可重構性；（4）利用“實物+遠程網絡”的形式解決學生實驗問題；（5）用創新實驗的模式解決新技術問題。

（2）可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵由白口鑄鐵通過退火處理得到，其強度、韌性和沖擊韌度都較高，可以部分代替碳鋼。一般有鐵素體和珠光體兩種基體，鐵素體可鍛鑄鐵的代號為“KT”，珠光體可鍛鑄鐵的代號為“KTZ”，其后的兩組數字表示最低抗拉強度和伸長率。如“KT300-6”，表示最低抗拉強度為300MPa，最低伸長率為6％的鐵素體可鍛鑄鐵。

（3）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵，其綜合力學性能與鋼相近，鑄造性能較好，成本低廉，生產方便，在工業中已得到廣泛應用。球墨鑄鐵的牌號用“QT”標明，其后兩組數字表示最低抗拉強度和伸長率。如“QT400-17”，表示最低抗拉強度為400MPa，最低伸長率為17％的球磨鑄鐵。

（4）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是近20年發展起來的一種新型高強鑄鐵。它的強度接近于球磨鑄鐵，并具有一定的韌度、較高的耐磨性，同時又有良好的鑄造性能和導熱性。蠕墨鑄鐵已開始在生產中應用，較成功的是用于汽缸套、汽缸蓋、鋼錠模、液壓閥等鑄件。

化學成分分析的元素選擇討論

在實驗室分析中，我們將嚴格分析和判定鋼鐵的化學成分質量分數。對于不同的鋼種，化學成分分析的元素選擇是有針對性的。下面將按照鋼種的不同，分別選取碳鋼、合金鋼、鑄鐵中的一個鋼種進行舉例，討論在實驗室化學成分分析中元素選擇的針對性。

1.碳鋼

低碳鋼熱軋圓盤條是目前用量最大，使用最廣的線材，一般可用來拉絲。下面對材質為低碳鋼的牌號Q195圓盤條進行化學成分元素選擇分析。當Q195圓盤條用來拉絲時，會出現斷絲或不能拔太細的現象，從這一現象可以看出盤條的脆性高、塑性太低。

首先考慮檢測盤條的化學成分P質量分數。P是一種有害雜質元素，具有很強的固溶強化作用，能提高鋼鐵的強度和硬度，但會劇烈降低鋼鐵的韌性，尤其是低溫韌性。P質量分數高，會使得盤條出現韌性低、脆性高，容易斷絲現象。

其次，考慮檢測盤條的化學成分C質量分數，C是碳鋼中的主要合金元素，所有碳鋼的常溫平衡組織都是鐵素體、滲碳體組成。由于鐵素體溶碳量很低，大部分的碳主要以滲碳體的形式存在，C質量分數越高，室溫平衡組織中的滲碳體質量分數越大，能提高硬度和強度，但塑性卻隨之下降。所以Q195圓盤條的C質量分數要控制在一定范圍，C質量分數太高會導致塑性降低，容易斷絲或不能拔太細。

2.合金鋼

不銹鋼是特殊性能合金鋼的一種，是指在大氣和一般腐蝕介質中具有很高耐蝕性的鋼種。不銹鋼在石油、化工、宇航、海洋開發、國防工業和一些尖端科學技術以及日常生活中都廣泛應用。對不銹鋼最主要的要求是耐蝕性。下面對低壓流體輸送用不銹鋼鋼管的生銹腐蝕進行化學成分元素選擇分析。

首先考慮檢測不銹鋼管的化學成分Cr、Ni質量分數。Cr、Ni是不銹鋼中加入的主要合金元素。Cr能提高基體的電極電位，是鐵素體形成元素，當Cr質量分數超過12.7％時，可使鋼呈單一的鐵素體組織。Cr在氧化性介質（如水蒸汽、大氣、海水、氧化性酸等）中極易鈍化，生成致密的氧化膜，使鋼的耐蝕性大大提高。Ni可獲得單相的奧氏體組織，顯著提高耐蝕性并改善鋼的塑性，或形成奧氏體-鐵素體組織，通過熱處理，提高鋼的強度。Cr、Ni都是提高不銹鋼耐蝕性的主要合金元素，其質量分數低則降低不銹鋼管的耐蝕性，易造成生銹腐蝕。

其次考慮檢測不銹鋼管的化學成分C質量分數。耐蝕性要求越高，碳的質量分數應越低。C與Cr能形成碳化物在晶界析出，使晶界周圍基體嚴重貧Cr，當Cr貧化到耐蝕所必需的最低質量分數（約12％）以下時，貧Cr區迅速被腐蝕，造成沿晶界發展的晶間腐蝕。所以要控制C質量分數，C質量分數太高易造成晶間腐蝕。

3.鑄鐵

鑄鐵采暖散熱器由于經久耐用在北方地區運用很廣泛。鑄鐵采暖散熱器的材質為灰口鑄鐵，在生產中部分散熱器片試壓后出現滲透現象。下面對灰口鑄鐵采暖散熱器的試壓滲透現象進行化學成分元素選擇分析。

首先考慮檢測灰口鑄鐵采暖散熱器的化學成分C、Si質量分數。在灰口鑄鐵的生產中主要是控制C、Si質量分數。C、Si強烈地促進石墨化，其質量分數過低時，易出現白口組織，力學性能和鑄造性能都較差；其質量分數過高時，石墨片過多且粗大，甚至在鐵水的表面出現石墨漂浮，降低鑄件的性能和質量。C、Si質量分數偏低或偏高，都會影響最終產品灰口鑄鐵采暖散熱器的性能，易造成產品的偏析、滲透等缺陷。

其次考慮檢測灰口鑄鐵采暖散熱器的化學成分S質量分數。S是有害元素，它強烈促進白口化，并使鑄造性能和力學性能惡化。S與Fe形成低熔點的組織，沿晶界分布。S質量分數偏高，會影響灰口鑄鐵采暖散熱器的質量，易造成產品的夾雜、滲透等缺陷。

總結

綜上所述，對于不同的鋼種，在實驗室分析中，化學成分分析的元素選擇是有針對性的。應根據不同鋼種中化學成分在其中的形成組織和作用的不同進行有針對性的選擇分析，從而在生產中進行化學成分質量分數的調整，使其達到所煉鋼種的要求，改善成型鋼產品的性能。