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从钢液中产生晶体的过程，也称液态结晶或一次结晶。随着热量的导出，晶体从无到有(形核)，由小变大(晶体长大)，直至液体全部转为固体(晶体)，完成结晶过程。钢液的结晶过程决定着钢锭或铸件的结晶组织及物理、化学不均匀性，从而影响到钢的机械、物理和化学性能。控制钢的结晶过程是提高钢的质量和性能的重要手段之一。

钢液不是纯金属，而是以Fe为基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多元合金。因此，它的结晶过程不是在某一固定的温度(熔点)进行，而是在一定的温度范围内完成的。在平衡结晶条件下，钢液温度降至其液相线温度(tL)时开始出现晶体，而达到固相线温度(ts)时结晶方告结束。此液相线和固相线间的温度区间，即tL-ts=Δtc。便称为该合金的结晶温度范围。某一钢种的结晶温度范围主要取决于所含元素的性质及其含量，并可由铁与相应元素的二元或三元相图来确定。各元素对结晶温度范围的影响可近似地看成可加和的。即某一具体钢种的结晶温度范围。

钢液凝固时，在靠近模壁的固相(凝固层)与内部液相之间存在着一个过渡区—两相区(图1)，即在凝固着的钢锭内，存在三个区域：固相区、两相区、液相区。钢液的结晶即形核和晶核长大过程只在两相区进行。钢锭的凝固就是两相区由钢锭表面向锭心的推移过程：当液相等温线到达钢锭内某一部位时，结晶开始；而固相等温线达到某一部位时，该处结晶便告结束，全部转变为固体。液相等温线和固相等温线到达锭内某一指定点的时间间隔，即该点从液相线温度降至固相等温线所经历的时间，称作该点的本地凝固时间，常以q表示之。本地凝固时间与该处的平均冷却速度成反比。由于钢锭内不同部位的传热条件差异很大，因此不同部位的本地凝固时间会有很大的不同，从而引起结晶组织的不同。钢锭内液相等温线和固相等温线间的距离称作两相区宽度，以△x表示之。且有。两相区窄有利于柱状晶发展，而两相区宽有利于等轴晶发展。

对淬火、回火状态下钢的机械性能的影响

合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用显著, 因为它充分利用了全部的四种强化机制。淬火时形成马氏体, 回火时析出碳化物, 造成强烈的第二相强化，同时使韧性大大改善, 故获得马氏体并对其回火是钢的经济和有效的综合强化方法。

合金元素加入钢中, 首要的目的是提高钢的淬透性, 保证在淬火时容易获得马氏体。其次是提高钢的回火稳定性, 使马氏体的保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定。这样, 在同样条件下, 合金钢比碳钢具有更高的强度。

合金元素对钢的工艺性能的影响

1. 合金元素对钢铸造性能的影响

固、液相线的温度愈低和结晶温区愈窄, 其铸造性能愈好。合金元素对铸造性能的影响, 主要取决于它们对Fe-Fe3C相图的影响。另外, 许多元素, 如Cr、Mo、V、Ti、Al等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点, 增大钢的粘度, 降低流动性, 使铸造性能恶化。

（1）普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类：甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢(C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造较重要的结构件。中国生产和使用多的是含碳量在0.20%左右的A3钢（甲类3号钢），主要用于工程结构。

有的碳素结构钢还添加量的铝或铌（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物粒，以限制晶粒长大，使钢强化，节约钢材。在中国和某些国家，为适应专业用钢的特殊要求，对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整，从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢（如桥梁、建筑、钢筋、压力容器用钢等）。

（2）优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类：①小于0.25%C为低碳钢，其中尤以含碳低于0.10%的08F,08Al等，由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐……等。20G则是制造普通锅炉的主要材料。此外，低碳钢也广泛地作为渗碳钢，用于机械制造业。②0.25～0.60%C为中碳钢，多在调质状态下使用，制作机械制造工业的零件。③大于0.6%C为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、轧辊等。根据含锰量的不同，又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。锰能改善钢的淬透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”，如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。

圆钢分为热轧、锻制和冷拉三种。热轧圆钢的规格为5.5-250毫米。其中：5.5-25毫米的小圆钢大多以直条成捆的供应，常用作钢筋、螺栓及各种机械零件；大于25毫米的圆钢，主要用于制造机械零件、无缝钢管的管坯等。

碳素钢按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

(1) 低碳钢

又称软钢，含碳量从0.10%至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削，常用于制造链条，铆钉，螺栓，轴等。

(2) 中碳钢

碳量0.25%～0.60%的碳素钢。有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。除碳外还可含有少量锰（0.70%～1.20%）。按产品质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的高硬度约为HRC55(HB538），σb为600～1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。