钢铁

地壳中部分元素的含量（也称丰度）按质量百分数计为：

铁排列第 4，说明地壳中铁的资源是比较丰富的。地壳中铁主要以氧化物、硫化物和碳酸盐形式存在。重要的矿石有赤铁矿（Fe2O3 ）、磁铁矿

（FeO·Fe2O3）、褐铁矿（Fe2O3·2Fe（OH）3）、菱铁矿（FeCO3）和黄铁矿

（FeS2）等。

欲将铁矿石中的铁提炼出来，可置铁矿石于高炉中冶炼，冶炼过程实为还原反应，以焦炭为还原剂，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。冶炼时先将处于高炉下层的焦炭点燃，使其生成 CO2，CO2 与灼热的焦炭起反应生成 CO，反应可表示如下：

C+O2→CO2 CO2+C→2CO

一氧化碳气体能将铁矿石中的铁还原出来：

Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

由于炉中温度很高，还原出来的铁被熔化为铁水，铁水可从高炉中放出。因为在炉中铁水和碳接触，铁水中含碳量较高，约有 3%～4%，这种铁称为生铁。生铁性脆，一般只能浇铸成型，又称铸铁。生铁中还含硫、磷、硅、镁等其他杂质。处于熔融状态的铁水，其中碳以 Fe3C 的形式存在，待铁水慢慢冷却，Fe3C 则分解为铁和石墨，此时的铁其断口呈灰色，故称灰口铁。若将熔融的铁水快速冷却，Fe3C 来不及分解而保留下来，此时铁的断口呈白色， 称白口铁。白口铁质硬且脆，不宜加工，一般用来炼钢。灰口铁柔软，有韧性，可以切削加工或浇铸零件。若在铁水中加入 0.05%镁，使生铁中的碳变成球状，得到的是球墨铸铁。球墨铸铁可使灰口铁的强度提高一倍，塑性提高 20 倍，它具有高的强度、塑性、韧性和热加工性能，又保留了灰口铁易切削加工等优点。由于球墨铸铁的综合性能好，在工业上得到广泛应用。

从高炉冶炼得到的生铁，含铁约 95%左右，要得到纯铁（含铁 99.9%以上） 可采用电解还原铁盐的方法。纯铁是银白色且有金属光泽，性软，有延展性， 熔点为 1535℃，沸点为 3000℃。纯铁除了作为分析试剂外，其他用途很少。纯铁在室温下是体心立方结构，称为α－Fe。将纯铁加热，当温度到达 910

℃时，由α－Fe 转变为γ－Fe，γ－Fe 是面心立方结构。继续升高温度，到达 1390℃时，γ－Fe 转变为δ－Fe，它的结构与α－Fe 一样，是体心立方结构。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为相变。发生结构转变时的温度称为相变温度。图 7－8 示出 Fe 的体心立方和面心立方两种结构。

钢铁是铁和碳的合金体系总称。其特点是强度高、价格便宜、应用广泛， 钢铁约占金属材料产量的 90%，是世界上产量最大的金属材料。钢铁中含碳量大于 2.0%的叫生铁，小于 0.02%的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量小于 0.25%的称低碳钢，介于 0.25%～0.60%的称中碳钢，大于 0.60% 的称高碳钢。

所谓炼钢，其实质是控制生铁中的含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如 S，P 等。若想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。

金属间隙结构 金属单质结构大都采取 A1，A2 和 A3 三种结构形式，在这些结构中存在许多四面体和八面体空隙，使半径较小的非金属原子如硼、碳、氮、氢等可填入空隙中，形成金属间隙化合物或金属间隙固溶体，通称为金属间隙结构。在具有这类结构的物质中同时存在金属键和共价键，原子间结合得特别牢固，因此它们往往具有高强度、高熔点和高硬度等优异性能。

钢中铁和碳形成金属间隙结构。铁有α－Fe，γ－Fe 和δ－Fe 三种同素异构体，小的碳原子可填入它们的空隙中形成下列四种物相。

奥氏体 它是碳在γ－Fe 中的间隙固溶体，碳原子占据八面体空隙，如图 7－9（a）所示。

铁素体 它是碳在α－Fe 中的间隙固溶体，由于铁素体含碳量极微，与纯铁甚为相近。渗碳体 它是铁和碳形成的化合物，化学式为 Fe3C，含碳量6.67%。渗碳体是硬而脆的化合物。

马氏体 它是碳在α－Fe 中过饱和间隙固溶体，铁原子按体心四方分布，碳原子填入变形八面体空隙中，如图 7－9（b）所示。

钢铁的性能既与化学组成有关，也与钢中上述四种物相的相组成和分布有关。在炼钢过程中通过改变化学组成、调节和控制钢中的相组成及分布， 可以获得人们所需要的钢材。

金属间隙结构不但对钢铁有意义，对其他金属也显得愈来愈重要。表 7

－2 列出了一些金属碳化物和氮化物，它们有很高的熔点和硬度，可以做很好的耐高温材料、高级磨料和切削刀具材料等。

表 7 － 2 一些金属间隙固溶体的性能

合金钢 根据人们的需要可以制备不同性能的合金钢，合金钢品种繁多， 性能各异。如不锈钢，钢中加入一定量的铬，可提高钢的抗腐蚀性，不生锈； 加入锰特别硬，称为锰钢。