法拉第：开拓合金钢研究的先锋

第一节　人类的钢铁梦

历史学家用石器时代（图1）、铜器时代（图2）、铁器时代（图3）划分人类历史的进程，可见材料是人类文明的标志。如果允许把这种观点进一步引申，在19世纪后半叶，转炉、平炉现代炼钢方法的出现使钢的产量猛增，可以说人类进入了铁器时代的高级阶段——钢器时代（图4）。

图1

图2

图3

图4

一个国家的工农业与国防，人民群众的日常生活，无不与钢密切相关，因此，人们习惯于用钢产量衡量一个国家的国力，用每人每年消耗的钢材衡量一个国家人民的生活水平。合金钢在机械、物理、化学性能方面都要比碳钢优越，已成为钢器时代的突出代表和一个国家现代化程度的标志。一个国家如果没有自己的合金钢系统，就不可能建立一个完整的工业体系。

早在史前时期，人们就使用铁陨石制造武器、工具和首饰，可以说铁镍合金是人类使用最早的合金钢，尽管那时人们并不知道镍的存在。到了18世纪后半叶，一方面钢的坩埚冶炼法（Huntsman， 1740年）流行起来，钢的产量及应用范围都有了较大的发展，另一方面钴（1735年）、镍（1751年）、锰（1774年）、钼（1782年）、钨（1783年）、铬（1798年）、铌 （1801年）、钒（1830年）等元素相继发现并分离出来，这就为合金钢在19世纪的发展奠定了基础。

法拉第是伟大的科学家，他在电磁感应及电化学方面的贡献为现代文明奠定了基础，这是尽人皆知的。但是，他也是一位伟大的冶金学家，并且他的科学研究生涯还是从合金钢研究开始的，这一点却不为世人所熟知。关于这一点的原因可能有两个。一是法拉第在电磁学方面的辉煌成就掩盖了他在冶金方面的贡献，二是他在合金钢方面的研究并未直接导致出实用的合金钢。具有实用价值的合金钢直到半个世纪后高钨自淬钢及高锰耐磨钢出现才问世。尽管如此，法拉第在1820～1822年对合金钢的系统研究在合金钢发展史上的重要地位还是逐渐为人们所认识，并推崇他为合金钢的开发先锋。

1813年，法拉第得到电化学方面的泰斗戴维的举荐到英国皇家研究所任实验室助手。当时斯托达特是皇家研究所一个年长的成员，他既是一个研究钢制刀具的冶金学家，又是从事这种买卖的商人，他的商业名片上印有“J.Stodart，伦敦，Strand 401 "。从印度购进的原料钢，经斯托达特的进一步处理，成为欧洲最好的钢材，用于制造外科手术刀、剃刀及其他刀具。当时，印度的原料钢是公认为制造刀具最好的钢原料，英国大量进口，并进行研究仿制。在这种背景下，法拉第进人皇家学院，他的第一桩研究工作就是分析印度原料钢的成分。显然，他是受了斯托达特的影响并有仿制印度钢的打算的。接着他与斯托达特发表了两篇有关合金钢的论文：《改善钢的合金试验》 (1820年），《论钢的合金》(1822年）。那时他们认为钢是一种组元，合金元素是另一种组元，因此称之为钢的合金，而合金钢这个名词要到晚一些时候才在文献中得到使用。1820年，斯托达特已60岁，而法拉第才'29岁，大量试验工作都是法拉第进行的。我们今天还有时用炒菜这个词汇形容合金钢配方的试验，法拉第也不愧为这方面的优秀者。他不但在钢中加人了镍、铬、铜等元素，并且也加人了一些贵金属，如金（0.61%～1.00%)，银（0.15%～0.46%)，铂（0.73%～2.50%）及锗(0.40%～1.60%)，此外还有把及饿，他还试图在钢中加人钦，由于炉温不够高未能将TiO2还原而未成功。像那时在钢中加人相当多的非常昂贵的铂族金属的做法，今天恐怕不会再有人做这样的尝试了。

法拉第研究合金钢的实际目的是非常明显的，在1820年的论文中曾对此有所阐述：“在铁和钢与其他金属的合金试验中，我们的目的是双重的。一方面探讨人工配制的合金在制造刀具方面是否比最纯的钢为优；另一方面，这些合金在相同的条件下是否较不容易氧化。还有一个附带的目的，就是探讨这些合金用于制造反射镜的可能性。”这些也反映在他的报告中：“众所熟知，铁陨石不易生锈，这种认识使我们想到了镍与铁或钢的合金。因此我们配制了镍含量从3%～10%的合金，并且发现它们在实验室或暖房里并不像铁那样容易生锈。但是，钢与镍的合金比纯钢还是容易氧化。”又如：“钢与1.5%镍的合金有良好的可锻性，比普通钢硬，可以制造优良刀具。这些刀具的淬火温度要比最好的钢还高，这一事实意味着这种钢有较高的硬度和密度。用这种合金制造的剃刀有优良的切削性能。”

对于铬钢，斯托达特及法拉第的初步研究结果是：“有良好的可锻性，虽然硬，但无裂纹。”可惜这方面的实验未进行下去，否则说不定他们还会发现不锈钢呢。法拉第在实验室中发现银和钢的合金有良好的可锻性，质地坚硬，表面光亮，可做多种刀具和工具。由于银的价格不高，供应充足，他认为银钢有推广的可能性，因此还在谢菲尔德的一家钢厂中进行了生产性的实验，并制出一些刀具分赠亲友。

法拉第在合金钢方面的研究在当时并没有产生出直接有意义的结果，因为那时的工业生产，除了一些刀具如剃刀、手术刀外，对合金钢并没有什么需求。但是法拉第在合金钢方面的系统试验对后来的发展还是有启发性的，它的深远意义不能低估。当法拉第发明电磁感应而成名后，有人问他电磁感应有什么用，他的回答是：“我亲爱的先生，婴儿又有什么用？”这个比喻也完全适用于法拉第的合金钢研究，它代表一种新生事物，有非常强大的生命力，后来终于发展成为今天庞大的合金钢系统。

法拉第在进行有关钢的大量试验的同时，他还在1821年发现了电磁感应现象，还有氯气和其他气体的液化方法。随着这些伟大发现，他的兴趣就转到电磁及化学方面去了，未再在合金钢方面进行工作。尽管如此，法拉第仍不愧为一位伟大的冶金学家和合金钢研究的先驱。

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铁的发现

铁是人类最早发现的金属元素之一，也是人类最早开始利用的金属元素之一。

人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石，陨石中含铁的百分比很高，是铁和镍、钴等金属的混合物。

铁矿石是地壳的主要组成成分之一，在自然界中分布极为广泛。但人类利用铁却比黄金、铜都要迟。这是因为铁的化学性质比较活泼，在地球自然环境中多是以化合物形式存在的，天然的单质状态的铁在地球上非常稀少。此外，铁的熔点比铜要高得多，这就使得它比铜难于熔炼，在融化铁矿石的方法尚未问世前，人类无法大量利用铁制作各种器具。

生铁冶炼技术的出现，为人们大规模使用铁制器具创造了条件。使用铁器是人类发展史上的一个光辉里程碑，它把人类从石器时代、铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。至今铁仍然是人类使用最多的金属材料，构成了人类现代文明必不可少的材料基础。

在转炉炼钢法发明（1856年）之前，钢的生产方法很落后，先把高碳生铁炼成熟铁，进行渗碳制成渗碳钢（表面碳高，内部碳低），然后再在坩埚炉中融化，得到成分均匀的钢。这种炼钢法的周期要几天，每炉的产量也不过几十千克，因此钢的价格昂贵，产量不大，主要是用于制造刀具的高碳钢。转炉及平炉炼钢法大大提高了钢的产量，降低的钢的生产成本，促进了机械加工工业的发展。但使用碳素工具钢刀具的车削速率比较低，温度不能超过200℃，显然不能满足加工工业的要求。在这种需求下，马希特在1868年研究出高钨自淬工具钢，当时称之为R.Mushet特殊钢，实用合金钢特别是高碳合金工具钢由此开始广泛进入生产领域。

在此之前，马希特曾在钢的冶炼方面做过不少出色的贡献。贝塞麦在发展转炉炼钢法方面遇到的主要困难之一是钢中气孔太多，马希特认为这是由CO产生的，建议在钢水中加锰铁脱氧，终于使转炉炼钢法获得成功。钢中加入镜铁生成MnS以避免在轧钢时断裂也是他发明的。为此贝塞麦在1876年赞成把英国钢铁学会的贝塞麦奖章颁发给马希特。马希特还在1858年改进了坩埚法炼钢，不用价格昂贵的渗碳钢做原料，把铸铁粉碎成块，与铁矿石及锰铁放在坩埚炉内冶炼成钢。后来又在坩埚炉中把铸铁碎块与钨矿石或氧化钨一起冶炼得到钨钢，这就是他的高钨自淬火钢的前奏。

马氏体特殊钢的特点有两个。一是不需要淬火，锻成刀具空冷后就有很高的硬度，二是用它制成的刀具车削速度比碳素钢刀具高几倍，寿命还要长得多。马希特自淬钢也引起金相学创始人索比的兴趣，并做出钨可以阻止钢在淬火过程中转变为珠光体的正确判断。不过总的说来，由于金相学刚刚诞生（1863年），人们对于钢的显微组织还缺乏认识，因此对上述两种现象还有很大神秘感。特别是后来经过改进了的热处理制度，更是令人迷惑。在锻造后，刀刃部分急速加热到“白热”的过烧程度，在喷气流中冷却后磨去表层就能得到车削性能格外优良的刀具。今天我们已经习惯于高速工具钢要在1250℃～1300℃进行油淬，对此当然不会感到惊讶了。

Mushet特殊工具钢的问世开启了高碳工具钢的新纪元。后来的实践证明，适当降低碳含量，还有硅、锰含量，增高铬含量，可以提高钢的切削性能。在1900年巴黎博览会上展出了美国人泰勒和怀特研制出的改进了的Mushet钢制成的刀具，它的车削速度比碳钢高出十几倍，尽管刀具由于与工件摩擦生热而呈暗红色，但锋利不减，削铁如泥，观众无不瞠目结舌。此后，这种钢就获得了“高速钢”的美名。这种钢以“红硬性”著称，消息不胫而走，迅速推广。经过进一步改进，在1906年发展出今天使用的18—4—1型高速钢，后来还有添加钴的优质高速钢和用钼代替一部分钨的新钢种，但是，今天使用的高速钢可以说与Mushet特殊钢是一脉相承的。

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18世纪英国的钢铁冶炼技术

18世纪初的英国已经处于产业革命的前夜， 日益发展的工业对钢铁的需求童也日益增大，由于国内产量跟不上，每年不得不从国外进口大量的钢铁。其实欧洲冶炼钢铁已有较长的历史，但当时主要以小作坊形式生产，工艺粗糙。英国并不缺少铁矿资源，但当时炼铁以木炭为燃料使英国森林资源日见枯竭，用木炭炼铁成本越来越高。煤炭虽然已大童开采，但煤中含有硫化物，无法直接冶炼出质地好的铁来。

1735年，阿布拉罕·达比发明了焦炭炼铁法，解决了煤炭炼铁的技术瓶颈，炼铁的燃料问题得到解决。1750年，本杰明·亨茨曼发明了坩埚炼钢法，使钢铁冶炼的品质得到了大幅提高。1760年，斯密顿发明了水力驱动的鼓风机，大大提高了炼铁效率。瓦特蒸汽机发明后，被广泛用于鼓风机上，使炼铁水平普遍得到提高。1784年，亨利·科特发明搅拌法，使炼铁技术又上了一个新台阶。经过钢铁冶炼技术的不断革新英国钢铁产童大幅度上升，到18世纪末已成为欧洲重要的钢铁出口国率先进入了钢铁时代。

在19世纪70年代以前，虽然法拉第及马希特已经在合金钢方面进行了一些开创性的工作，但是这只能算是现代合金钢的前奏。到了19世纪末，一方面金相学正在兴起，另一方面钢的现代冶炼方法也已经出现，这就为合金钢的大发展在理论与实践两方面都奠定了基础。而哈德菲尔德就是在这种时代背景下出现在合金钢的舞台上，成为现代合金钢的奠基人。(www.xing528.com)

与索比一样，哈德菲尔德也是出生在英国谢菲尔德市的一个钢铁世家中，小的时候他的父亲（拥有一家钢厂）就在家中给他建立了一个化学试验室，后来还给他一万英镑（在那时是一笔相当可观的数目）作为实验费用。无怪乎他在16岁那年就决定不去牛津或剑桥接受传统的大学教育，而是直接加入了他父亲的钢铁企业。年轻、好学、沉思的哈德菲尔德从实践中学到了很多知识。1882年，一个有决定性影响的偶然事件发生了。哈德菲尔德钢厂的铸钢车间为一个轧钢厂生产了一对机器齿轮，不久后就接到用户的反映说这对齿轮运转费力，“好像轮齿间有沙子一样”。化学分析指出，钢中含有1.5%的硅，可能是由于脱硅不充分而造成的，换了另一对成分正常的齿轮这个质量问题就解决了。但是好奇的哈德菲尔德从这次事故联想到用硅钢制造砂面轮的可能性，于是炼了一炉硅锰钢（1.5%碳，4.0%硅，8%锰）。实验结果是失败了，但哈德菲尔德并不就此告终。他决定分别研究硅和锰对钢的影响，在1882年9月发明了高锰耐磨钢（又称Hadfield高锰钢），在1884年发明了制作硅钢片的硅钢，可以说是一箭双雕。作为一个伟大的发明家，哈德菲尔德的可贵之处就在于从失败中吸取经验，坚持百折不挠的韧性。这两种有奇异性能的新钢种的出现，为人类进入合金钢时代揭开了序幕。

哈德菲尔德在1882年试制成功的高锰耐磨钢的成分是：碳1.35%，硅0.69%，锰12.76%。它的特点是在淬火后不但有良好的韧性，而且越磨越硬。这种反常现象在冶金界产生了很大的震动，哈德菲尔德也因此一举成名。但是，哈德菲尔德的事业也不是一帆风顺的，他在理论与实践两方面都遇到了一些困难。为了在理论上解释这些反常现象，哈德菲尔德向当时的金相学名流请教。索比用当时放大倍数最高的显微镜（650倍）进行了观察，并没有发现什么能解释这种反常现象的新的显微组织。这是不足为奇的，因为索比不是冶金学家。奥斯蒙不仅熟悉金相观察，还用热学方法对铁的同素异构转变做过深入细致的研究。他不但肯定了高锰钢是非铁磁性的γ固溶体，还提出了摩擦产生表面硬化的可能性。奥斯蒙能很快洞悉高锰耐磨钢的奥秘，真不愧是一位伟大的金相学家。

哈德菲尔德在生产上遇到的困难是，这种钢只能铸造，不能加工一时找不到用处。就在这时，他父亲过早地逝世了，他继承父业，花了十年工夫才在1892年为这种钢找到了第一个用途——电车轨道的道岔在这之后，高锰耐磨钢得到了日益广泛的应用，并且经久不衰，今天仍在广泛使用的高锰耐磨钢的成分仍然和100年前一样，这也是合金钢史上少见的。

奥斯蒙对高锰耐磨钢的发明给予了很高的评价，他认为“不仅是发明了一种有伟大科学意义和实用价值的新合金，并且在钢铁冶金史上可与钢的淬火有同等重要意义。”而哈德菲尔德本人从这个发明得到的经验是，在发展合金钢的工作中，外推和内插都是不可取的，“一种实用价值非常高的合金可能就处于两种毫无商业意义的合金成分之间。”的确如此，一方面3%～7%锰钢很脆，另一方面，锰含量超过15%的钢属于另一种稳定奥氏体型，耐磨性能反而不好。Hadfield高锰钢的成分正好在这两者之间，既有奥氏体基体，又不稳定，耐磨性最好。还是用炒菜作比喻，佐料要适当，少了不行，过犹不及。

哈德菲尔德的高锰钢以耐磨闻名，而他的硅钢却以良好的电磁性能取胜。硅钢的电阻大，磁导率高，因此埚流损失及滞后损失都比较小用它制造的变压器的铁损要比用碳钢及纯铁都小。用硅钢制造的变压器及电动机体积小，功耗少。此外它还有磁滞损耗低的优点，而低碳钢由于有磁滞损耗现象（硬度增高，磁导率下降），用它做的变压器及电动机用过一段时间后就要拆开，去掉绝缘材料，热处理后再重新组装起来才能使用，既麻烦又浪费。硅钢的优良性能是在1900年发现并受到人们重视的，当时的成分中含碳0.20%，硅2.5%。

硅钢虽有优良的电磁性能，但是从哈德菲尔德在1884年取得专利权到1906年哈德菲尔德钢厂售出第一吨硅钢，哈德菲尔德与各种保守势力进行了近四分之一世纪的顽强斗争。他深有感触地说：“推广新的合金钢品种要克服许多种偏见，可能没有人对此比我有更深的体会了。各式各样的反对意见，有些是与新材料有关的，有些是与增添新设备、淘汰老设备有关的，钢厂不得不克服许多困难，才能生产出新钢种。值得庆幸的是，我们不会再为查理二世那时的反对意见所难倒了。那时曾宣布一条法律，禁止马车在街上通过，因为车轮会损坏铺路的石头。”

哈德菲尔德首先遇到的困难是从实验室小规模试验扩大到工业生产的一系列问题，如硅钢的冶炼、铸锭、轧制制度都与碳钢不一样，开始时报废的钢材比成品还多，使这个新钢种几乎夭折。接着又是用户报怨新钢太贵，“为什么用点高炉就能冶炼的硅铁就卖得那么贵？”他们不理解小批量生产的难处。另一方面，他们对新钢种所能产生的经济效益认识不清。此外，还要对变压器设计师进行加强宣传和业务上的再教育，使他们领会并掌握新的设计思想。最后还是谢菲尔德市电公司在1903年用硅钢片制造了一台0.5千瓦的变压器，硅钢的铁损小才为人所接受。同年，哈德菲尔德获得用硅钢制造变压器铁芯的专利。

但是，哈德菲尔德的烦恼并未因此而终止，接着又发生了有关专利权的诉讼及美、英、德哪一国最先用硅钢制造变压器的争论。尽管美国及德国在1903年就早于英国（1906年）生产商用硅钢片，德国人最早指出硅钢的电阻率比碳钢高1%可以减小涡流损失，但是第一台用硅钢片制造的变压器还是1903年在谢菲尔德市研制成功的。

哈德菲尔德发明了硅钢并获得了专利权，但是他在专利申请中所提出的解释“硅的净洁（脱氧）作用”却是错误的。后来的研究证明，这是由于硅钢容易产生有利的择优取向的缘故，在这种认识的基础上终于研制出铁损更小的单取向及立方取向的硅钢片。

1925年，硅钢的铁损比碳钢小约2.5%，哈德菲尔德根据当时全世界用电量估计，每年光是使用硅钢片就能节约一亿美元。今天的电能消耗及硅钢质量都大大提高了，每年节约的资金当以数十亿美元计，这是何等可观的数目。有人说，硅钢片虽小，它所创造的财富超过了一条巴拿马运河。如果没有硅钢片，20世纪的电气化就要昂贵和困难得多。

为了弄清硅钢的本质，哈德菲尔德把一些钢样送给当时英国的金相学权威斯特德进行显微组织研究。斯特德发现在3%硅钢中A1及A3临界点就不再出现，证明硅是缩小γ相区的元素。这与过去奥斯蒙发现在高锰钢中锰有扩大γ相区正相反，合在一起就全面概括了合金元素对γ相区的作用。这对研究合金钢的显微组织是十分重要的，韦弗后来对此又有所阐明。因此可以说，哈德菲尔德不但发明了两种重要的合金钢，同时也促进了合金钢理论的发展。

哈德菲尔德终生从事合金钢的研究，除了上述两种合金钢外，他还有过不少其他贡献，如他发现高碳高铬钢有良好的耐硝酸腐蚀的性能。后来布里尔利发明了含铬13%的铁素体不锈钢，在评审他的专利申请时，有人持有疑义，指出哈德菲尔德的发现在先。为此，哈德菲尔德写了一封信给布里尔利，一方面说明他本人的试验是高碳高铬钢，不能同布里尔利的低碳高铬钢相提并论，另一方面他也没有采用布里尔利建议的提高钢的耐酸的热处理制度。这就帮助了年轻一些的布里尔利获得不锈钢的专利，并被公认为铁素体不锈钢的发明人，哈德菲尔德这种高尚的科研道德已载入金相学史册，值得后人效仿。

合金结构钢是合金钢的中坚，不但需求量大、用途广，并且涉及人类生活的各个方面。1900年，美国合金钢的产量仅为3000吨，并且主要是镍钢，到了第二次世界大战时就上升到1000万吨。当前，全世界的合金钢产量约四五千万吨，其中主要是合金结构钢。

中碳合金结构钢的发展是从19世纪末对镍钢进行的研制开始的。 自从法拉第受到铁陨石的启发冶炼铁镍合金以来，许多人都做过类似的尝试，甚至称为“陨石钢”，但大多由于氧、硫含量高容易产生锻造裂纹而未能推广。1878～1888年的十年间，法国的冶金学家用锰脱氧成功地冶炼出可锻造的铁镍合金及镍钢。在这些试验的启发下，英国和法国的一些钢厂开始生产镍含量低于7%的合金结构钢。1889年赖利在英国钢铁学会报告了他对镍钢机械性能的系统研究。在碳钢中加入4.7%镍会使屈服强度增大，抗张强度增大，而面缩及延伸率基本不变。他认为，“如果使用镍钢，苏格兰的Forth大桥就会变得轻一些和更敞亮一些，巴黎铁塔也会变得更像一张网而美丽得多。”此外，他还指出镍钢的军工意义，“我坚定地相信，军械工程师们还从来没有见到过像我今天向你们介绍的新钢种这样适合他们要求的材料，无论是装甲还是武器。”

他的预言很快就被证实了，军火工业（图5，图6）是合金钢发展的直接受益者。镍钢装甲板首先在法国及德国使用，而保守的英国皇家海军仍坚持使用碳钢，结果1890年在美国海军靶场的一次打靶试验中当众出丑，镍钢装甲板完整无缺，而碳钢装甲板则已碎裂。在这之后，克虏伯公司（德国发动两次世界大战的主要军火供应商）的“克虏伯钢” （0.3%～0.4%碳、3%～4%镍、1.75%～2.0%铬）、法国船舶锻造厂的0.4%碳、2%镍、1%铬钢相继问世。这些钢的淬透性很好，200毫米钢棒可以油淬淬透，有的甚至在空冷后就能得到马氏体组织，适于制作重型火炮。

图5

图6

合金结构钢与国防关系密切，两次世界大战期间它的产量都增长较大。由于合金元素的大量消耗（用于合金钢的铬占其总产量的50%；镍也是50%；锰、钼、钨更高，占90%～95% ； 1950年全世界用于炼钢方面的锰约为1400万吨），交战国都不得不采取节约措施。第二次世界大战期间，美国为了节约镍，减少镍钢及镍铬钢的产量，不得不代之以合金元素种类多而含量低的镍铬钼钢，即所谓的“国家紧急”NE牌号（National Emergency）合金钢。德国的情况更窘迫，镍的来源（主要是加拿大）被切断后，先是采用铬钼钢，后来又改为铬锰钢，最后铬的来源也断了，不得不用锰钢甚至碳钢制造武器。因此，合金钢中所用的合金元素一向都被认为是战略物资，平时就有储备，以备不时之需。

随着合金结构钢的出现，热处理工艺也有很大改进。为了提高装甲表面的硬度，气相表面渗碳（1892年）及表面淬火（1890年）方法相继研究成功。在广泛使用调质处理以提高钢的强度当中，镍铬钢的回火脆也出现了。克虏伯公司的工程师在1900年就已从实践中知道回火后快冷可以避免这种脆性的出现。在此之前，有些铁匠已使用回火后水冷以提高钢的韧性，并称之为“水退火”。不过，回火脆这个名词到1917年才第一次提出，用钼来抑制镍铬钢的回火脆是1925年发现的，在这之后镍铬钼钢就比较流行了。不过，钢的回火脆是由磷、锡等杂质在晶界偏析引起的则是1956年以后才弄清楚的。

合金结构钢很快也在民用方面得到日益广泛的应用。20世纪初，正值汽车工业大发展的时期，合金钢的种类迅速增多，两者互相促进，从此结下了不解之缘。1910年美国汽车学会成立，1912年就制订出SAE合金钢牌号，现在仍在使用。一个国家的合金钢牌号由汽车学会制定，可见合金钢对汽车工业的重要意义了（图7，图8）。汽车之所以能越来越轻，跑得越来越快，主要原因之一就是使用了强度高的合金结构钢。可以毫不夸大地说，没有合金结构钢，就没有今天的汽车工业，更不会有材料要求极为严格的宇航工业了。

图7

图8

从合金结构钢的发展历程来看，现代许多尖端技术基本上还是使用一些在20世纪初就已定型的成熟牌号，这些合金结构钢经受了时间的考验，如美国的4340合金钢（0.4%碳 、 1.65%～2.00%镍、0.70%～0.90%铬、0.20%～0. 30%钼）。当年的汽车、坦克、火炮都广泛使用这种钢，后来的喷气飞机使用它做起落架及大梁，再到后来，火箭使用它做壳体。不过，由于对钢的质量要求越来越高，冶炼技术也在不断改进，由原来的平炉、电炉冶炼发展到今天的真空、电渣双联法，磷硫含量都控制在0.01%以下。火箭壳体用的钢板只有0.5mm厚，一颗露在表面的大夹杂颗粒就会产生严重的后果。因此，发展到今天，合金结构钢的质量可能比品种更重要。还是用炒菜作比喻，炒的还是原来受人欢迎的几个拿手菜，不过由大锅改为小灶，越炒越精细，越炒味道越纯。为了保证钢的质量及竞争能力，合金钢的生产也越来越专业化。瑞典的SKF滚珠轴承之所以在世界上受人欢迎，原因可能很多，但是他们的轴承钢质量好肯定是一个重要因素。这家轴承公司拥有的一家钢厂半个世纪以来就只生产一种轴承钢（1 Cr15 ），从爷爷到孙子几代都是相继在一个车间工作，并且是只炼这种钢。炒菜的厨师如果有家传秘方，味道自然与众不同。牌号少，质量高，生产专门化，这是合金结构钢生产的发展趋势，需要我们予以重视和借鉴。

今天的钢铁材料一直以其资源丰富、生产规模大、易加工、性能多样、价格低廉、使用方便和便于回收利用等特征成为工业生产和人民生活中广泛使用的材料。不管是性能、品种，还是外观都越来越接近人们的梦想。在目前和可预见到未来，还没有任何材料能够全面代替钢铁材料，特别是取代以合金钢为主体的特种钢。

20世纪的社会需求和技术发展形成了目前的合金钢研究、生产和应用体系，形成了高强度低合金钢、合金结构钢、超高硬度钢、不锈耐腐蚀钢、耐热钢、工具钢、轴承钢等合金钢品系。这些品系将会在后面的章节中一一阐述。近年来，伴随社会需求和技术发展，新型合金钢不断涌现。进入21世纪后，高层建筑、深层的地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工程机械、精密仪器、大型民用船舶、军用舰艇、航空航天器、高速铁路设施、能源设施等国民经济的各个部门都需要性能高、使用寿命长且成本低的新型合金钢。新型合金钢必须同时满足社会发展对钢铁生产、加工、使用和回收环节提出的节约能源、节省资源、保护环境的要求。

目前对特种钢尚无统一的定义和概念，一般认为特种钢是指具有特殊的化学成分（合金化）、采用特殊的生产工艺、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢材。与普通钢相比，特种钢具有更高的强度和韧性，更为优异的物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。

目前世界上有近2000个特种钢牌号，约50000个品种规格。特种钢除了种类繁多之外，在规格上也表现出与普通钢不同的特点。除了板、管、丝、带、棒和异型材之外，还有复合材、表面合金化材、表面处理材、精锻材、精密铸件、粉末冶金制品等。