1.钢材的晶体组织
钢是一种多晶体材料。晶体具有各向异性的特征，而多晶体则为各向同性。钢的宏观力学性能由其内部晶体结构和化学成分所决定。
图2.2 钢的晶格的两种构架
钢材和其他金属材料一样，也是晶体结构，它是铁-碳合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格（图2.2）。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。
钢材的晶格并不都是完好无缺的规则排列，而是存在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远小于理论强度的根本原因。其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。Fe-C合金在一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌，故也称显微组织。
铁素体：钢材中的铁素体是碳在α-Fe中的固溶体，由于α-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体中碳含量很低（小于0.02%），由此决定了其塑性、韧性好，但强度、硬度低。
渗碳体：渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其碳含量高达6.67%，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。
珠光体：珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，碳含量较低（0.8%），层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。
此外，钢材在温度高于723℃时，还存在奥氏体。奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时碳含量可达2.06%，低温时降至0.8%。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。
2.钢材的化学成分及其对性能的影响
除铁和碳元素外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些其他元素。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能，称为合金元素，主要有硅、锰、钛、钒、铌等；另一类能劣化钢材的性能，属于钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等，这些成分含量少，但对钢材的性能影响很大。
碳（C）：存在于所有的钢材，是决定钢材性能的最重要元素，影响到钢材的强度、塑性、韧性等力学性能。当钢材中碳含量在0.8%以下时，随着碳含量的增加，钢材的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当碳含量大于1.0%后，随着碳含量的增加，钢材的强度反而下降，脆性增大，硬度增加。碳含量大于0.3%时，钢材的可焊性显著降低。碳含量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力。此外，碳含量增加，钢材的冷脆性和时效敏感性增大。一般工程用碳素钢均为低碳钢，即碳含量小于0.25%，工程用低合金钢的碳含量小于0.52%。
钢材中的有益元素包括硅、锰、钒、钛等，控制掺入量可冶炼成低合金钢。
硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15%～0.30%的硅。如果钢中硅含量超过0.50%～0.60%，硅就算合金元素。硅含量在1%以下时，能显著提高钢的弹性极限、屈服点、抗拉强度、耐腐蚀性及抗氧化性能，对塑性和韧性影响不大，但会降低钢的可焊性和冷加工性能。硅可作为合金元素，来提高合金钢的强度。(www.xing528.com)
锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30%～0.50%。锰是合金结构钢中的主要合金元素，在碳素钢中加入0.70%以上的锰时就算“锰钢”。锰元素可提高钢材的韧性、强度、硬度和耐磨性，能消减硫和氧元素引起的热脆性，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。含锰11%～14%的钢具有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗、球磨机衬板等。锰量增高，会减弱钢的抗腐蚀能力，降低可焊性。
铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。
镍（Ni）：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素替代镍铬钢。
钼（Mo）：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，防止钢材变脆，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力（长期在高温下受到应力发生的变形称为蠕变）。结构钢中加入钼，能提高其机械性能。
钨（W）：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成的碳化钨有很高的硬度和耐磨性。
钛（Ti）：钛是钢的强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化组织晶粒，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。
钒（V）：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加入0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
铌（Nb）：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但会使塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。
钴（Co）：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。
铜（Cu）：铜能提高钢材的强度和韧性，特别是抗大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%时，塑性显著降低。当铜含量小于0.50%时，对焊接性能无影响。
铝（Al）：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
硼（B）：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
钢中有害元素主要是硫、磷及氧等气体元素，要特别注意控制其含量。
磷（P）：磷是钢中的有害元素之一，主要溶于铁素体起强化作用。磷含量增加，钢材的强度、硬度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度越低，磷对塑性和韧性的影响越大，从而显著加大钢材的冷脆性，显著降低钢材的可焊性和冷弯性能。但磷可提高钢的耐磨性和耐蚀性。因此，通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
硫（S）：硫也是有害元素，能使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时易造成裂纹。硫在钢中多以FeS形式存在，能与Fe形成低熔点（985℃）物质，而它在800～985℃范围内又很脆，使晶粒间的结合变弱，因而当热加工或焊接的温度达800～985℃时，会使钢出现裂纹，产生脆性，称为热脆性。硫也会明显降低钢材的可焊性、耐腐蚀性、冲击韧性和耐疲劳性等。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。
氧（O）：氧是钢中的有害元素，主要存在于非金属夹杂物中，少量熔于铁素体内。氧含量增加会降低钢的机械性能，特别是塑性和韧性，促进时效敏感性。氧元素还会增加热脆性，降低可焊性。
氮（N）：氮能提高钢的强度，但会显著降低塑性和韧性，增加时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在钢材中，如果氮与铝或钛元素反应生成化合物，则能使晶粒细化，改善钢材的性能。
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