钢

钢（steel）或称钢铁、钢材，是一种由铁与其他元素结合而成的合金，其化学成分可在较大范围内调整，其中最普遍的是碳，实际生产中会根据用途添加不同合金元素，如锰、镍、铬、钒等，硅可增强钢的强度和硬度，磷、硫则通常作为有害杂质需控制含量。碳含量一般控制在钢材重量的0.02%至2.11%之间，超过2.11%为铸铁。为了保证钢的韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%，含碳量低于1.7%的钢称为碳素钢。^[10][7][11]碳含量对钢材的力学性能有着重要的影响，含碳量不同，钢材的强度、硬度、塑性、韧性及焊接性能均不相同；^[12]锰含量可改善钢材的热加工性能，通常含量控制在2%以下；铬的加入显著提高合金钢的抗氧化性、耐腐蚀性和耐热性；还有微量钒的添加可使得晶粒细化，提高钢材的强度和韧性。^[12][13]

人类对钢的应用和研究历史相当悠久，但是直到19世纪贝塞麦炼钢法发明之前，钢的制取都是一项高成本低效率的工作。^[14][15]自从在1856年发明了贝塞麦炼钢法之后，钢才成为了一种可大量生产的廉价材料。^[16]后来炼钢法经过更多的改进，使得钢的生产价格更低，品质更好。^[17]如今，钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用最多的材料之一，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的成分。可以说钢是现代社会的物质基础。2023年全年全球粗钢产量约为18.882亿吨，粗钢产量排名前五的国家分别为中国、印度、日本、美国和俄罗斯。^[18]

钢是工业中广泛应用的金属材料。^[19]其分类方法很多，按化学成分，钢可以分为碳素钢和合金钢，碳素钢主要含碳元素，合金钢则加入锰、镍等合金元素；按质量等级，钢可分为普通质量钢、优质钢、特殊质量钢，主要依据硫、磷等有害杂质含量及纯净度划分；按冶炼方法和设备不同，工业用钢可分为电炉钢、平炉钢和转炉钢三大类，反映不同的冶炼工艺特点；按用途不同，主要分为结构钢、工具钢和特殊性能用钢，分别适用于工程结构、工具制造和特殊环境。^[20][8]

钢是用生铁冶炼而成，^[8]冶炼产生的钢材根据使用要求再进行相应的加工，在钢材化学成分不变的前提下，改变钢材内部的组织、晶粒、晶体结构，从而对钢的性能产生影响。^[21][22]其加工工艺通常有冷加工和热处理两种，冷加工又分为冷拉、冷拔、冷轧或冷扭等方式，热处理工艺有退火、正火、淬[cuì]火和回火等方式。钢的热处理是指在固态下通过对钢进行不同的加热、保温、冷却来改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺。^[12][22]钢已经成为世界上普遍的材质，应用广泛，在各种建筑、包装、汽车、日用等领域中，都有使用钢的部分。^[3][4][5][6]

人类从铁器时代开始，就采用钢铁材料制造手工工具。已发现距今约5000年前的埃及大金字塔中残存的铁制工具。^[14]早期的炼铁术出现于公元前2000年左右的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）。^[23]希腊诗人荷马（Homer）在公元前900年写的长诗奥德赛（Odyssey）中也有关于钢铁工具滚火的记载。中国钢铁生产技术始于公元前5世纪的春秋战国时期，到西汉逐渐兴盛起来。至东汉时期，中国已创造了白口铸铁柔化处理，成为高韧性可锻铸铁的生产技术。中国生铁冶铸技术的建立要比欧洲早1900年，而可锻铸铁生产技术则比欧洲早2300年。^[14]

从铁制品到钢制品的转变，推进了人类文明的进步。^[24]公元前350年，印度人制成了乌兹钢（Wootz.Steel），它是用陶土制成坩gān埚，在其中放入小块的锻铁和木炭，并放入一定量的桂皮和树叶。然后，用黏土把坩埚密封好，并置于高炉中。接下来，铁匠们从高炉下方鼓入空气，锻铁受热熔化并吸收木炭中的碳元素。最后，待到坩埚完全冷却后，铁匠将坩埚从高炉中取出，去除黏土并取出已经冷却成块的成品乌兹钢锭（高碳钢）。得益于印度南部优质的铁矿石，乌兹钢具有媲美现代钨合金钢的硬度，同时具有良好的韧性。^[14][24]

波斯人后来在公元300年至1700年间以乌兹钢为基础，进行再加工，生产出大马士革钢。用这种钢材制作的武器异常坚硬、锋利且不易破碎。在显微镜下，大马士革剑的刃口有许多微型锯齿结构，这些锯齿赋予了大马士革剑极强的切割性能。大马士革钢的制作工艺失传于18世纪。^[25][26]

从工业革命开始，蒸汽机、织布机、铁轨等已经无法离开钢铁，钢铁的冶炼技术也在不断发展。英国于17世纪引进渗碳法炼钢，这种方法制得的钢被称为泡钢，需要经过费时费力的锻造才能成为品级更高的钢；本杰明·亨茨曼在1740年发明了一种高质量的坩埚钢，这种钢比以前任何一种方法生产的钢成分更均匀、杂质更少；1784年，工程师科尔特发明了搅炼和碾压法，采用焦炭炼出熟铁和钢，具有生产效率高和成本低廉的特点。美国匹兹堡糖锅制造者凯利在1847年发明了空气沸腾炼钢法，通过向钢炉中的铁水吹入空气，不仅可以除去铸铁中所含的碳，还可以把杂质较多的铸铁炼成钢。^[15]

现代炼钢法源于1856年英国人贝塞麦发明的酸性底吹转炉炼钢法，贝塞麦发现将融化的生铁放进转炉内吹入高压空气，便可燃烧掉生铁所含的硅、磷、锰、硫、碳而炼成钢。^[16]由于空气与铁水直接作用，贝塞麦炼钢方法因而具有很快的冶炼速度，成为当时主要的炼钢方法。^[27]

19世纪后半期，由于钢的生产量和使用量不断增大，合金钢逐步开始出现，英国人马希特在1868年发明了成分为2.5%Mn-7%W的自硬钢，1870年美国人用铬钢（1.5%～2.0%Cr）在密西西比河上建造了跨度为158.5m的大桥；与此同时，一些国家还将镍niè钢用于修造军舰。化学工业和动力工业的发展，又促进了合金钢品种的扩大，不锈钢和耐热钢在这期间问世了。1920年德国人毛雷尔（E.Maurer）发明了18-8型不锈耐酸钢，1929年在美国出现了Fe-Cr-Al电阻丝，到1939年德国在动力工业开始使用奥氏体耐热钢。^[28]

第二次世界大战结束后的20世纪50年代，世界钢铁工业进入了快速发展时期，在这一时期开发成功的氧气顶吹转炉炼钢技术和钢水浇铸工艺，对随后钢铁工业的发展起到了非常重要的作用。1952年，氧气顶吹转炉炼钢法发明成功，由于具有反应速率快、热效率高以及产出的钢质量好、品种多等优点，该方法迅速被日本和西欧采用。在20世纪70年代，氧气转炉炼钢法已经取代平炉法成为主要的炼钢方法。20世纪80年代中后期，西欧、日、美等相继开发成功了顶底复吹氧气转炉炼钢方法。氧气由顶部氧枪供入，同时由炉底喷口吹入氩yà、氮等气体对熔池进行搅拌。世界上较大容量的转炉，大多数采用了顶底复吹转炉炼钢工艺。^[17]

钢的分类方法很多，根据GB/T13304—2008的规定和行业习惯，常见的分类方法有以下几种。^[20][8]

按化学成分，钢可以分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。非合金钢一般被称作碳素钢（简称碳钢），通常把低合金钢归类于合金钢中。^[20][8]

碳素钢：碳素钢是指含有少量的有害杂质（如P和S等），又因脱氧需要而加入了少量的Si和Mn的铁碳合金。按含碳量的高低，碳素钢分为低碳钢（<0.25%)、中碳钢（=0.25%～0.6%）、高碳钢（>0.6%)三类。^[20][8]

合金钢：在碳素钢的基础上，有目的地加入某些合金元素(如Mn、Si、Ni、B、Al、Cu、N和Be等）而构成的铁碳合金，称为合金钢。根据合金元素总含量的多少，合金钢分为低合金钢（合金含量<5%)、中合金钢（合金含量=5%～10%)、高合金钢（合金含量>10%)三类。^[20][8]

钢的质量等级首先是按照P、S元素含量来划分的。根据现行标准，钢可分为普通质量钢(≤0.04%、≤0.04%)、优质钢（≤0.025%、≤0.04%)、特殊质量钢(≤0.025%、≤0.025%)。^[20][8]

此外，冲击韧性也是划分钢材质量等级的主要依据，有A、B、C、D、E五个等级。详情如下表所示。^[20][8][29]

根据冶炼方法和设备的不同，工业用钢可分为电炉钢、平炉钢和转炉钢三大类。按脱氧程度和浇注制度，碳素钢又可分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）及特殊镇静钢（TZ）三大类。合金钢一般都是镇静钢。^[20][8]

按退火后钢的金相组织分类：根据钢退火后显微组织的不同，钢可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢（包含莱氏体钢）。受合金元素含量的影响，合金钢中会出现莱氏体组织，称为莱氏体钢，实际上也是过共析钢。但由于钢锭凝固过程中有莱氏体（奥氏体和共晶碳化物的共晶体）形成，在锻造（或轧制）和退火后，一般有较多的、颗粒较大的碳化物存在。^[20][8]

按正火后钢的金相组织分类：钢材按正火后的金相组织可分为珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体四大类。但这种分类并不是绝对的，因为钢材正火后空冷时，其实际冷却速度因工件尺寸大小而不同，会影响它冷却后的金相组织，一般以小尺寸工件正火后的金相组织为准。^[20][8]

按加热和冷却时有无相变和在室温时的主要金相组织分类：按加热和冷却时有无相变和在室温时的主要金相组织不同，钢可分为铁素体钢、半铁素体钢、半奥氏体钢、奥氏体钢。^[20][8]

根据用途的不同，可以把钢分为碳素结构钢、低合金高强度钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、滚珠轴承钢、弹簧钢、不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、电热合金、电工用硅钢等十二大类。通常把钢归纳为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类。^[20][8]

结构钢：用于制造各类机械零件和各种工程构件的钢材均称为结构钢。按其用途可简单地分为机械结构用钢和工程结构用钢。制造机械零件的钢大都是优质或高级优质钢，主要有优质碳素钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢及铸造用钢等。工程结构用钢用于建筑、桥梁、船舶、车辆结构，主要有碳素结构钢、低合金高强度结构钢等。结构钢按成分又可分为碳素结构钢和合金结构钢。^[20][8]

工具钢：根据用途不同，工具钢可分为刃具钢、模具钢与量具钢。根据合金元素含量不同，工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢。^[20][8]

特殊性能钢：特殊性能钢主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。钢厂在给钢产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来，如优质碳素结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、优质合金结构钢等。^[20][8]

钢材的化学成分除基本元素铁和碳以外，常有硅、锰、硫、磷、氢、氧、氮及合金元素存在。碳含量一般在0.02至2.11%之间，超过2.11%为铸铁。^[10][7][11]部分元素以杂质形式存在，部分是炼钢过程中为改善钢材性能而特意添加的。^[12][13]

碳（C）：碳是决定钢材性质的重要元素，它对钢材的力学性能有着重要的影响。当含碳量低于0.8%时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，塑性和韧性降低；同时，钢材的冷弯、焊接及抗腐蚀性能降低，钢材的冷脆性及时效敏感性增大。当含碳量高于0.1%时，钢材变脆且强度反而下降。当含碳量高于0.3%时，焊接性能下降显著。^[12][13]

磷（P）：磷元素对建筑钢材性能的不利影响非常显著，其含量一般不得超过0.045%。磷会降低塑性韧性，易偏析，使钢材产生冷脆性。^[13]一般是由铁矿石原生带入的。^[12]

硫（S）：硫是建筑钢材常见的有害元素之一，其含量一般不超过0.05%。硫会导致钢材易偏析，使钢材产生热脆性。进而严重降低建筑钢材的可焊性和热加工性能，同时还会降低建筑钢材的冲击韧性、耐疲劳性能和耐腐蚀性能。硫元素即使微量存在也对钢材的性能非常有害，应严格控制其含量。^[12][13]

氧（O）和氮（N）：氧和氮都是钢材的有害元素，炼钢过程中需要专门脱除。氧会降低钢材的塑性、韧性，产生微裂纹，未除尽的氧和氮主要以FeO、Fe4N等化合物形式存在。建筑钢材一般控制氧和氮的含量分别不超过0.05%和0.03%。^[12][13]

硅（Si）：硅一般作为脱氧剂加入冶炼过程中，使有害的FeO形成SiO2并融入钢渣排出。含量通常控制在1%以内，这样可提高强度，同时对塑性和韧性没有明显的影响。硅含量超过1%后，钢材的冷脆性增大，可焊性也变差。^[12]

锰（Mn）：可改善钢材的热加工性能，在冶炼时一般作脱氧除硫用，它可使有害的FeO、FeS形成MnO和MnS并融入钢渣排出，消减硫、氧元素引起的热脆性，通常含量控制在2%以下。^[12][13]

钒（V）：钒的加入可使得晶粒细化，提高钢材的强度和韧性。但是钒的含量不能过高，否则将使钢材的塑形和韧性降低，一般作为微量合金元素添加。^[12][13]

钛（Ti）：钛与氧、碳的亲和力较强，微量钛可使钢材的组织致密，从而提高强度并改善韧性和可焊性，一般掺量为0.06%～0.12%。^[12]

铬（Cr）：铬的加入能使钢材表面产生防锈蚀的保护膜，显著提高合金钢的抗氧化性、耐腐蚀性和耐热性。含铬10.5%以上的合金钢俗称不锈钢，由于成本较高，仅在某些特殊环境条件下使用，以提高结构的耐久性并延长使用寿命。^[12][13]

常温下，铁和碳是建筑钢材的主要化学成分，钢材中铁原子和碳原子之间有三种基本的结合方式，分别是固溶体、化合物和机械混合物。^[12]

（1）固溶体是以铁为溶剂、碳原子为溶质形成的固态“溶液”。纯铁在不同温度下有不同的稳定晶体结构。固溶体中的铁保持纯铁的晶格不变，碳原子溶解在其中。由于碳在铁中的“溶解度”非常有限，固溶体形态的钢材含碳量很低。^[12]

（2）化合物是铁与碳之间以化学键结合而成Fe3C的微结构形态，其晶格与纯铁的晶格不同。^[12]

（3）机械混合物为固溶体与化合物两种形态混合而成。^[12]

所谓钢的组织就是由上述一种或多种结合方式所构成的、具有一定组织形态的聚合体。依据化学组成（主要是含碳量及合金含量）及加工工艺的不同，铁碳合金的基本组织主要有五种：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体，其中钢主要是铁素体、奥氏体和珠光体，详情如下表所示。^[12][30]

钢是用生铁冶炼而成的。^[8]生铁是由铁矿石、焦炭及熔剂冶炼而得，主要铁矿石为赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、菱铁矿，^[31]炼钢就是将生铁进行精炼，减少生铁中碳、硫、磷等杂质的含量，控制含碳量0.02至2.11%之间的过程。^{[10][8][9][11]}焦煤在高温蒸馏下形成焦炭，焦炭在钢铁高炉里作为基础炉料加热铁矿石等其他原料，同时发挥还原剂的作用，这是最为传统的炼钢工艺，也称作长流程炼钢。随着工业的发展，也产生了一些其它的炼钢工艺。^[32]

根据炼钢设备的不同，建筑钢材的冶炼方法可分为氧气转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法三种。不同的冶炼方法对钢材的质量有着不同的影响。^[8][9]

氧气转炉炼钢法：是现代炼钢的主要方法，常用来炼制优质碳素钢和合金钢。氧气转炉炼钢法是以熔融的铁水为原料，由炉顶向转炉内吹高压氧气，有效地去除碳、硫、磷等杂质，使钢的质量显著提高，且成本较低。^[8][9]

平炉炼钢法：平炉炼钢法是利用拱形炉顶的反射原理，以固态或液态生铁、适量铁矿石和废钢作为原料，用煤或重油为燃料进行冶炼。平炉炼钢法冶炼时间长，有足够的时间调整和控制其化学成分，去除杂质更彻底，成品质量较高。但由于设备一次性投资大，燃料热效率较低，冶炼周期长，故其成本较高。^[8][9]

电炉炼钢法：电炉炼钢法是以生铁及废钢为原料，利用电加热进行高温冶炼的炼钢方法。电炉熔炼温度高，而且温度可以自由调节，清除杂质容易，故电炉钢的质量最好，但成本也最高。此方法主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢。^[8][9]

冷加工工艺：是指在常温下，将钢材通过冷拉、冷拔、冷轧或冷扭等方式，使其产生塑性变形的机械加工方法。冷加工工艺改变了钢材的形状、尺寸及晶体结构，也改变了钢材的性能。^[21]

冷拉：是在常温下利用冷拉设备对钢材进行张拉，使之伸长并超过屈服应变。经冷拉后钢材的屈服阶段缩短、伸长率降低、材质变硬。^[12][21]

冷拔：是在常温下将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使直径变小的加工方法。冷拔过程中，钢筋在受拉的同时还受到模孔的挤压，内应力更大。经拉拔的钢筋屈服强度能提高40%～60%，但同时塑性也大大降低，具有硬钢的性质。^[12][21]

冷轧：是在常温下将热轧钢筋在冷轧机上轧制成规则断面形状的加工方法。钢筋在冷轧时，纵、横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性；且经冷轧后可提高钢的强度及其与混凝土的黏结力。^[21]

冷扭：是在常温下将低碳钢筋在冷扭设备上绕其纵轴扭转，使其呈连续螺旋状、具有规定截面形状和节距的加工方法。钢筋经冷扭后，既可提高其强度，又可明显增强钢筋与混凝土之间的黏结力和钢筋在混凝土中的抗拔力。^[21]

冷加工强化：将钢材在常温下进行加工，使其产生一定的塑性变形，从而使屈服强度提高，塑性和韧性下降的现象称为冷加工强化（或硬化）。钢的变形程度越大，其性能的变化也越大。^[12][21]

冷加工时效处理：时效是钢材随时间延长，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。时效处理有自然时效和人工时效两种方法。将钢材在常温下存放15～20d，称为自然时效，适用于低强度钢筋；若将钢材加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），称为人工时效，适用于高强度钢筋。^[12][21]

钢的热处理是将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得工件所需要性能的一种加工工艺。热处理一般在生产厂或加工厂进行，少数焊接件的热处理在工地现场进行。常用热处理工艺有退火、正火、淬火和回火等。^[12][22]

退火：将钢件加热到适当温度并保温，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺称为退火，又称焖火。退火的目的是细化晶粒、改善显微组织、消除显微缺陷和内应力并提高塑性。^[12][33]

正火：把钢件加热到临界温度以上完全奥氏体化，保温后在空气中冷却的热处理工艺称为正火，又称常化。正火是退火的一种特例，它是在空气中冷却，冷却速度比退火要快。与退火相比，正火后钢材的硬度、强度较高而塑性较低。^[12][33]

淬火：将钢材加热到基本显微组织发生改变的温度以上（一般高于900℃）、保温一段时间后放入水或矿物油等介质中快速冷却的一种热处理工艺。淬火使得钢材的强度、硬度提高，且塑性、韧性显著降低，一般在淬火后同时进行回火处理以得到具有较高综合力学性能的钢材。^[12][33]

回火：钢件经淬火后，再加热到临界温度以下保温一定时间（一般为0.5~3h），然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。其目的是消除淬火快速冷却时产生的很大的内应力，降低脆性并改善力学性能。依据回火温度的不同可分为高温回火（500～650℃）、中温回火（300～500℃）和低温回火（150～300℃）。回火温度越高，塑性和韧性恢复效果越好，同时硬度也降低越多。高温回火一般俗称调质处理。^[12][33]

弹性：材料在受外力作用时瞬间产生变形，而去除外力后又能立即回复其原有形状和尺寸的性质，称为弹性。^[34]高温下钢结构的弹性模量，是指钢结构的高温应力-应变关系曲线中每一个温度下对应的现行阶段的斜率值。^[35]

塑性：材料在外力作用下产生变形，在外力去除后不能完全回复的性质，称为塑性。不能回复的变形部分称为塑性变形，也称为永久变形、残余变形。钢材的伸长率是衡量钢材塑性性能的指标。钢材的塑性是在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。因此，承重结构用的钢材，不论在静荷载或动荷载作用下，以及在加工制作过程中，除了应具有较高的强度外，尚应要求具有足够的伸长率。^[36][34]钢材的冷弯性能是塑性指标之一，也是衡量钢材质量的一个综合性指标。冷弯性能由冷弯试验来确定。通过冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。^[36]

延性：材料能够承受较大变形而不丧失其承载能力的性质，称为延性。钢的延性断裂伴随明显塑性变形而形成延性断口，断裂面与拉应力垂直或倾斜，其上具有细小的凹凸，呈纤维状。钢的延性较好，在单向受拉达到屈服强度后仍能够吸收一定量的能量。^[34]

脆性：脆性断裂是指材料在破坏前无明显变形或其他预兆的破坏类型。脆性断裂几乎不伴随塑性变形而形成脆性断口，断裂面通常与拉应力垂直，宏观上由具有光泽的亮面组成。^[34]钢属于半脆性材料，它既可以有良好的韧性，也可以变得很脆，取决于试验条件和热处理工艺条件下的显微组织，钢的脆化类型有冷脆、蓝脆、氢脆和回火脆性。^[37]

抗拉性能：钢材的抗拉强度是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，它不仅是一般的强度指标，而且直接反映钢材内部组织的优劣。塑性良好的钢在超载后，产生塑性变形，会导致内力重分布，消除应力集中现象，钢不易发生脆断。^[36][34]

冲击韧性：韧性是荷载作用下钢吸收机械能和抵抗断裂的能力，是强度和塑性的综合指标。韧性指标一般由冲击试验获得。钢在断裂时吸收的能量越大，钢的冲击韧性越好。^[36][34]

耐疲劳性能：疲劳试验中，在规定作用重复次数下，不发生破坏的最大应力，为钢的疲劳强度。钢的内部组织不致密、化学偏析、夹杂等缺陷的存在，是影响钢疲劳强度的主要因素。同时，钢的表面状态、生产加工过程中的残余应力、腐蚀介质侵蚀等因素也会对钢的疲劳强度产生一定的影响。^[34]

弯曲性能：它是判断钢塑性变形能力和冶金质量的综合指标。钢的弯曲性能是指钢在一定角度弯曲后，抵抗产生裂纹的能力。弯曲试验后，试样外面、里面和侧面均不出现裂纹和分层，即为合格。弯曲试验反映了钢在不利变形下的塑性，也能间接反映钢内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。^[36][34]

焊接性：钢材的焊接性能指在一定的焊接条件下，能够获得完整的焊接接头且满足其使用条件的能力，焊接性可以分为两个方面：第一是焊接成型过程中获得完整的焊接接头的能力，即工艺焊接性；第二是焊接接头实际使用条件下的使用性能，即使用焊接性。钢的焊接性主要受碳和合金元素含量的影响，并与母材厚度、焊接方法、焊接参数以及结构形式等有关。对于碳素钢，碳的质量分数在0.12%～0.20%时，钢的焊接性最好。碳含量的升高使焊缝和热影响区变脆。低合金高强度钢的焊接性，视碳当量而定。碳当量是各种元素对钢焊接性影响的综合评价。^[34][38]

钢是碳的质量分数在2.0%以下的铁碳合金。除铁（Fe）、碳（C）元素外，还含有微量的其他元素，如硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）、硅（Si）、锰（Mn）、铜（Cu）、钒（V）、钛（Ti）、妮（Nb）、铬（Cr）等。这些元素总的质量分数仅在1%左右，但对钢的性能产生比较大的影响。^[34]

钢的生产需经过冶炼、铸造、轧制和矫正等多道工艺，这些工艺对钢的性能均有影响。常见钢的冶金缺陷有偏析^[注1]、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。^[34][40]

偏析：指钢化学成分的不一致和不均匀性，特别是硫、磷的偏析会严重恶化钢的塑性、弯曲性能、冲击韧性以及焊接性。^[34][40]

非金属夹杂：是指钢中不具备金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物杂质等在钢的冶炼过程中，它是由于某些元素溶解度下降形成的。非金属夹杂在轧制后能造成钢板的分层，严重破坏钢的弯曲性能。^[34][40]

气孔：是在浇注钢锭时，氧化铁和碳反应生成的CO气体，未充分逸出形成的微小气孔。^[34][40]

这些缺陷都将影响钢材的力学性能。浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。^[40]

钢通过冷拉、冷拔或冷轧等冷加工产生很大塑性变形，从而提高钢的屈服强度，降低塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物对基体的塑性变形起遇制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化，俗称老化。时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。这种方法称为人工时效。在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻的方式予以消除。^[34][40]

钢的性能随温度的不同有所变化。总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。当温度低于某一临界温度（冷脆临界温度）时，钢的冲击韧性骤降破坏形式由塑性破坏转变为脆性破坏，称为钢的低温冷脆现象。当钢的温度升高时，其屈服强度、抗拉强度有所降低，塑性增大。温度在200℃以内钢的性能变化不大，430～540℃强度急剧下降，600℃以上强度很低无法承担荷载。在250℃左右，钢的强度有所提高，但塑性和冲击韧性变差，材料破坏形式为脆性破坏，表面氧化膜为蓝色，称为蓝脆现象。钢应尽量避免在蓝脆温度范围内进行热加工。^[34][40]

钢在实际使用过程中，特别是对于钢结构，不可避免地存在孔洞、槽口、裂纹、凹角厚度变化以及内部缺陷等，导致构件截面突然改变。此时，钢中的应力将不再保持均匀分布而是在截面突变位置产生局部高峰应力，而同一截面其他部位应力值较低且分布极不均匀这种现象称为应力集中现象。应力集中的严重程度取决于构件截面变化的急剧程度，以应力集中系数，即高峰区最大应力与净截面平均应力之比表示。同号的平面或立体应力场有使钢材变脆的趋势，应力集中系数越大，钢材越容易变脆。^[34][40]

建筑结构所使用的钢，主要是碳素钢和合金钢。例如：普通钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中的各种钢筋、钢丝、钢绞线；钢结构中的各种钢板、型钢、钢棒等。钢具有较高的强度和比强度，良好的塑性和韧性，能够承受冲击和振动荷载，可以焊接、铆接或螺栓连接，易于加工和装配，具有一系列优良的技术性能。^[41]可用于多高层建筑构如停车场、会议厅、火车站、仓库等；高耸结构包括电视塔、输电塔、通信塔、气象塔等；轻钢结构如较小的厂房、仓库等建筑；板壳结构如油罐、煤气库、水塔等；其他特种结构如海上石油平台、管道支架、栈桥等。^[3][4]

常用的钢质包装材料主要有以下4种：低碳薄钢板、镀锌薄钢板、镀锡薄钢板和镀铬薄钢板。其中，又以低碳薄钢板（含碳量≤0.25%）及其电镀材料应用最广泛。低碳薄钢板主要用于制作运输包装用金属容器，如集装箱、钢桶、钢托盘等；镀锌薄钢板主要用于制作各种工业产品的包装容器，如汽油、油漆、化学品洗涤剂等产品的罐材包装；镀锡薄钢板常用于包装糖果、饼干、茶叶、奶粉等的罐/盒，此外，镀锡薄钢板还是塑料容器和玻璃容器常用的制盖材料；镀铬薄钢板主要用于生产盛装腐蚀性小的啤酒、饮料和弱酸性食品的容器，或作为啤酒瓶盖、饮料瓶盖及其他中性食品罐的涂料盖基材。^[5]

高强度钢广泛地应用于现代汽车制造工业。高强度汽车用钢可分为三代，第一代先进高诱导塑性钢等；第二代先进高强钢分为孪晶诱导塑强（TWIP）钢，有铁素体-贝氏体（FB）钢、无间隙原子（IF）钢、马氏体钢、相变诱导塑性（TRIP）钢等；第三代先进高强度钢分为贝氏体基相变诱导塑性（TBF）钢、纳米贝氏体钢等。钢材质量的提升推动了现代汽车制造行业更新换代，同时先进超高强度钢的引进也会尽可能地减少汽车零件用材，达到汽车轻量化的要求。^[6]

不锈钢制品具有容易保养且不会生锈的特性，因此被广泛地应用。^[42]如室内装饰、厨房设备（如洗涤台、菜刀、锅具、钢丝球、餐具等）、家用电器、热交换器、耐海水设备、有机酸及制碱设备、量具、餐具、弹簧、轴承、汽轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。^[42][43]

铁道车辆使用的主要是耐候钢，它可以满足铁道车辆减轻自重、降低能耗、延长维修期和使用寿命的要求。^[44]铁路轨道主要采用的是贝氏体轨道钢，它优异的抗接触疲劳和耐磨性能，使其成为制作铁路轨道用钢的理想材料。^[45]铁路公路上的桥梁也多见钢材料搭建。^[46]此外，还有超高强度钢具有超高强度和良好韧性，被作为飞机起落架、机翼大梁等材料；合金刀具钢具有高强度、高耐磨、高耐热、足够的塑性和韧性，主要用于制造车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具；^[47]镍铬不锈钢在航空上应用比较广泛，如喷管、整流锥、燃气导管及飞机结构上的排气整流罩及供水、防冰导管等；^[48]高锰钢可用于装甲车车辆履带和铁轨分道叉等。^[49]

2023年全年全球粗钢产量为18.882亿吨，中国、印度排在前列。中国粗钢产量为1019.1亿吨，与去年持平；印度粗钢产量为140.2亿吨，同比提高11.8%；日本粗钢产量为87亿吨，同比下降2.5%；美国粗钢产量为80.7亿吨，同比提高0.2%；俄罗斯粗钢预估产量为75.8亿吨，同比提高5.6%；韩国粗钢产量为35.4亿吨，同比提高1.3%；德国粗钢产量为35.4吨，同比下降3.9%；土耳其粗钢产量为33.7亿吨，同比下降4%；巴西粗钢产量为31.9亿吨，同比下降6.5%；伊朗粗钢产量为31.1亿吨，同比提高1.8%。详情如下表所示。^[18]

钢铁的生产消耗大量的能源和资源，同时也产生大量的副产品，这些副产品如果不进行处理就直接排放，将对环境产生影响。钢铁工业是一个“大进大出”的污染大户和资源消耗大户，也是重要污染源。钢铁冶炼过程中，由于各工程所采用的原材料及制造程序等原因，可能在广泛范围内产生多种污染物质。^[50]其中最受关注的就是废气的污染，比如原料、燃料的运输、装卸及加工等过程产生大量的含尘废气；钢铁厂的各种窑炉在生产的过程中将产生大量的含尘及有害气体的废气；生产工艺过程化学反应排放的废气，如冶炼、烧焦、化工产品和钢材酸洗过程中产生的废气等。^[51]

废气的成分主要包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和烟气等，^[52]其中二氧化碳、氮氧化物是主要的温室气体，这些有毒有害废气，加剧了温室效应，^[53]逐步导致了全球变暖，地球上病虫害增加、海平面的上升、气候反常、土地沙漠化和缺氧等环境问题。^[54]

废钢铁是节能环保的铁素资源，^[55]废钢铁的用途很广，它是炼钢、铸造、制造中小农具及小五金产品的重要原料。废钢铁用于炼钢主要是用于回炉，利用废钢铁炼钢，可以缩短炼钢时间，增加熔炼容积，降低原材料消耗，而且，所炼出的成品钢材成本低，质量好；废钢铁也是铸造的重要原料，铸造需要的废钢铁的数量由铸造任务和废钢比决定，一般铸钉件配用20%，回炉铁配用30%，铸钢件配用90%左右；废钢铁是制造中小农具和小五金产品的重要原料，利用废旧钢铁的中板边角余料生产锄、镐与钢叉等，利用马口铁边角生产瓶盖、玩具，利用镀锌铁皮残料制造圆钉、文具用品等，利用薄铁边生产水桶、炉铲和拉手等，利用硅钢片下脚料制造镇流器、稳压器及变压器等。^[56]

钢的种类繁多，为便于生产、使用和管理，国家标准规定了钢的分类和牌号表示方法，并制定了钢铁及合金牌号统一数字代号体系。^[20]

钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称。根据GB/T221—2008《钢铁产品牌号表示方法》规定的原则，中国的钢号采用大写汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示，具体如下：^[20]

（1）采用汉语拼音的缩写字母表示钢产品名称、特性、用途、冶炼和浇注方法时，从代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母，当和另一产品所取字母重复时，选取第二个字母或第三个字母，或同时选取两个汉字的第一个拼音字母。原则上只取一个，一般不超过三个。^[20]

（2）钢号中化学元素采用国际化学元素符号表示，例如Si、Mn、Cr等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。^[20]

（3）阿拉伯数字代表钢中主要化学元素含量，一般用质量分数的万倍、千倍或百倍表示。^[20]

钢的分类方法很多，因此，钢的种类也很繁多。为便于采购、管理、组织生产等，在分类的基础上，根据钢的用途和化学成分对钢进行编号，利用阿拉伯数字、化学元素符号和汉语拼音首字母等的组合形成字符串即钢号，从钢号就能大致判断此钢的用途和成分范围。碳钢和合金钢的编号方法见下表。^[20][57]

GB/T17616—2013《钢铁及合金牌号统一数字代号体系》对中国钢产品规定了统一的数字代号，与GB/T221—2008《钢铁产品牌号表示方法》同时使用。统一数字代号有利于数据存储、检索等，便于在生产中使用。^[20]

统一数字代号原则：统一数字代号由固定的6位符号组成，左边第1位用大写的拉丁字母作前缀（“1”和“0”除外），后接5位阿拉伯数字。每一个统一数字代号只适用于一个产品牌号；反之，每一个产品牌号只对应于一个统一数字代号。当产品牌号取消后，一般情况下，原对应的统一数字代号不再分配给另一个产品牌号。^[20]

统一数字代号的结构形式：钢铁及合金的分类和编组，主要按其基本成分、特性和用途综合考虑，同时照顾到中国现有的习惯分类方法以及各类产品牌号实际数量情况。同时，考虑到各类钢铁及合金的发展和新型材料的出现，留有一定的备用空位。统一数字代号的第2位用0～9中4个阿拉伯数字表示各类型钢铁及合金的细分类，后面4个数字表示编组和牌号。例如A26205，A表示合金结构钢，2表示CrMn（X）系，6表示CrMnTi钢，20表示含碳量的万分数，5表示等级或用途（保证摔透性H）；对应的牌号表示为20CrMnTiH。钢铁及合金的类型和每个类型产品牌号统一数字代号见下表。^[20]

美国通用的钢产品牌号由SAE和AISI共同制定，SAE体系和AISI体系的结构钢牌号一般由四位数字组成，前两位数字表示钢种类型及其主要合金元素含量，后两位数字表示钢的平均含碳量，以万分之几计，详情如下表所示。^[58]

英国钢牌号体系基本上参照美国钢铁协会的数字体系。^[59]

碳素钢：（从左向右）第一位数字为0、1、2，0表示普通碳素钢含锰量（一般(Mn)≤1.00%）；1表示较高含锰量碳素钢（一般(Mn)>1.00%）；2表示易切削碳素钢。第二、第三位数字表示含义：对普通含锰量碳素钢，表示平均含锰量的万分之几数值；对锰含量较高的碳素钢，加上第一位数共同表示平均含锰量的万分之几数值；对易切削碳素钢，表示最小或平均含硫量的万分之几数值。第四位为英文字母（A、M、H），表示供货条件，A保证化学成分（“A”为“Analyse”的第一个字母）；M保证力学性能（“M”为“Mechanical”的第一个字母）；H保证浓透性（“H”为“Hardenability”的第一个字母）。第五、六位数字表示平均含碳量万分之几数值。例如040A10—表示含Mn量（质量分数）为0.30%～0.50%、含C量（质量分数）为0.08%～0.13%的且保证化学成分的普通含锰量碳素钢。^[59]

合金钢：牌号的第一位数字为5~9。用第一、二、三位数字共同表示合金系列组别。第四位为英文字母（A、M、H），表示供货条件，字母含义同碳素钢一致。第五、六位数字表示平均含碳量万分之几数值。例如503M40—表示含碳量（质量分数）为0.36%~0.44%的保证力学性能的1%Ni调质钢。^[59]

在日本JIS标准中，钢分为普通钢、特殊钢和铸锻钢。普通钢按产品形状分为条钢、厚板、薄板、钢管、线材和丝；特殊钢按其特殊性又细分为强度钢、工具钢、特殊用途钢钢牌号原则上由三部分组成，第一部分表示材质；第二部分表示种类；第三部分表示材料种类的特征数字。^[60]