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鋼材中除主要化學成分Fe鐵以外，還含有少量的碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)、氧(0)、氮(N)、鈦(Ti)、釩(V)等元素，這些元素雖含量很少，但對鋼材性能的影響很大。碳是決定鋼材性能的重要元素，它影響到鋼材的強度、塑性、韌性等機械力學性能。當鋼中含碳量在0.8%以下時，隨著含碳量的增加，鋼的強度和硬度提高，塑性和韌性下降;但當含碳量大于1.0%時，隨含碳量增加，鋼的強度反而下降。一般工程用碳素鋼均為低碳鋼，即含碳小于0.25%，工程用低合金鋼含碳小于0.52%。鋼中有益元素有錳、硅、釩、鈦等，控制摻入量可冶煉成低合金鋼。鋼中主要的有害元素有硫、磷及氧，要特別注意控制其含量。磷是鋼中很有害的元素之一，主要溶于鐵素體起強化作用。磷含量增加，鋼材的強度、硬度提高，塑性和韌性顯著下降。特別是溫度愈低，對塑性和韌性的影響愈大，從而顯著加大鋼材的冷脆性。磷也使鋼材可焊性顯著降低，但磷可提高鋼的耐磨性和耐蝕性。硫也是很有害的元素，呈非金屬硫化物夾雜物存在于鋼中，降低鋼材的各種機械性能。由于硫化物熔點低，使鋼材在熱加工過程中造成晶粒的分離，引起鋼材斷裂，形成熱脆現象稱為熱脆性。硫使鋼的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。氧是鋼中有害元素，主要存在于非金屬夾雜物中，少量熔于鐵素體內。非金屬夾雜物降低鋼的機械性能，特別是韌性。氧有促進時效傾向的作用。氧化物所造成的低熔點亦使鋼的可焊性變差。
6. 硬度硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。⑴布氏硬度（HB）以一定的載荷（一般3000kg）把一定大小（直徑一般為10mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HB），單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。⑵洛氏硬度（HR）當HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同，分三種不同的標度來表示：HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質合金等）。HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。⑶維氏硬度（HV）以120kg以內的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值（HV）。
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從鋼液中產生晶體的過程，也稱液態結晶或一次結晶。隨著熱量的導出，晶體從無到有(形核)，由小變大(晶體長大)，直至液體全部轉為固體(晶體)，完成結晶過程。鋼液的結晶過程決定著鋼錠或鑄件的結晶組織及物理、化學不均勻性，從而影響到鋼的機械、物理和化學性能。控制鋼的結晶過程是提高鋼的質量和性能的重要手段之一。溫度范圍
鋼液不是純金屬，而是以Fe為基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多元合金。因此，它的結晶過程不是在某一固定的溫度(熔點)進行，而是在一定的溫度范圍內完成的。在平衡結晶條件下，鋼液溫度降至其液相線溫度(tL)時開始出現晶體，而達到固相線溫度(ts)時結晶方告結束。此液相線和固相線間的溫度區間，即tL-ts=Δtc。便稱為該合金的結晶溫度范圍。某一鋼種的結晶溫度范圍主要取決于所含元素的性質及其含量，并可由鐵與相應元素的二元或三元相圖來確定。各元素對結晶溫度范圍的影響可近似地看成可加和的。即某一具體鋼種的結晶溫度范圍。結晶兩相區
鋼液凝固時，在靠近模壁的固相(凝固層)與內部液相之間存在著一個過渡區—兩相區(圖1)，即在凝固著的鋼錠內，存在三個區域：固相區、兩相區、液相區。鋼液的結晶即形核和晶核長大過程只在兩相區進行。鋼錠的凝固就是兩相區由鋼錠表面向錠心的推移過程：當液相等溫線到達鋼錠內某一部位時，結晶開始；而固相等溫線達到某一部位時，該處結晶便告結束，全部轉變為固體。液相等溫線和固相等溫線到達錠內某一指定點的時間間隔，即該點從液相線溫度降至固相等溫線所經歷的時間，稱作該點的本地凝固時間，常以q表示之。本地凝固時間與該處的平均冷卻速度成反比。由于鋼錠內不同部位的傳熱條件差異很大，因此不同部位的本地凝固時間會有很大的不同，從而引起結晶組織的不同。鋼錠內液相等溫線和固相等溫線間的距離稱作兩相區寬度，以△x表示之。且有。兩相區窄有利于柱狀晶發展，而兩相區寬有利于等軸晶發展。
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