碳钢

碳钢（Carbon steel），是碳的质量分数在0.0218%~2.11%之间，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢，简称碳钢。碳钢通常轧制成一般工程构件、机械零件和工具等。

简介

碳的质量分数在0.0218%~2.11%之间，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢，简称碳钢。碳钢冶炼方便，价格便宜，性能可满足一般工程构件、机械零件和工具的使用要求，因此得到了广泛应用。

分类

碳钢的分类方法很多，以碳的质量分数可分为高碳钢(碳的质量分数>0.6%)、中碳钢(碳的质量分数=0.25%~0.6%)和低碳钢(碳的质量分数<0.25%);以冶炼方法可分为平炉钢和转炉钢;以冶炼质量可分为普通碳素钢(磷、硫含量较高)、优质碳素钢(磷、硫含量较低)和高级优质钢(磷、硫含量更低)和特级优质钢。一般应用最多的是按用途进行分类，即:

碳钢分类

性能参数

碳的质量分数小于0.1%的铸钢，其第一位数字为“0”牌号中名义碳的质量分数用上.限表示;碳的质量分数大于等于0.1%的铸钢，牌号中名义碳的质量分数用平均碳含量表示。在名义碳的质量分数后面排列各主要合金元素符号，在元素符号后用阿拉伯数字表示合金元素名义含量(以百分之几计)。合金元素平均含量小于1.50%时，牌号中只标明元素符号，一般不标明含量;合金元素平均含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.4%..时，在合金元素符号后面相应写成2、3、4、5..。.当主要合金化元素多于三种时，可以在牌号中只标注前两种或前三种元素的名义含量值;各元素符号的标注顺序按它们的平均含量的递减顺序排列。若两种或多种元素平均含量相同，则按元素符号的英文字母顺序排列。铸钢中常规的锰、硅、磷、硫等元素-般在牌号中不标明。在特殊情况下，当同一牌号分几个品种时，可在牌号后面用“.”隔开，用阿拉伯数字标注品种序号。

碳素结构钢

碳素结构钢牌号由代表屈服强度的字母(Q)、屈服强度数值(3位数字，单位为MPa)、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号(F表示沸腾，Z表示镇静，TZ表示特殊镇静，注意“Z”和“TZ"符号可以省略)组成。如Q235AF表示屈服强度为235MPa，质量等级为A的沸腾钢。根据GB/T700--2006《碳素结构钢》中体现了其力学性能，常见的碳素结构钢中:Q195、Q215、Q235A、Q235B等塑性较好，有一定的强度，需指出的是，该类钢一般是在热轧状态下使用，不再进行热处理;但对某些零件也可以进行退火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。

优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的牌号优质碳素结构钢牌号开头的两位数字表示钢中碳的名义质量分数，以碳的质量分数的万分数表示。例如，碳的质量分数为0.45%的钢，钢牌号为45。如果钢中锰含量较高，应将锰元素标出，如50Mn。

工模具钢

工模具钢牌号由代表工模具钢的字母T、碳的名义质量分数(以碳的质量分数的千分数表示)、质量等级符号(不标则为普通等级;A表示高级优质)组成。如T8A表示碳的质量分数为8%o，即0.8%的高级优质工模具钢。T10表示碳的质量分数为1%的工模具钢。

铸钢

铸钢中碳的质量分数一般在0.20%~0.60%之间。若碳的质量分数过高，则塑性变差，铸造时易产生裂纹。铸钢牌号有两种表示方法。方法一是由代表铸钢的字母ZG、屈服强度最低值(3位数字，单位为MPa)、抗拉强度最低值(3位数字，单位为MPa)组成。如ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的铸钢。方法二，以化学成分为主要验收依据的铸造碳钢，这类铸钢在ZG后面接---组数字，是以万分数表示的碳的名义质量分数，如ZG25。

生产工艺

生产方法

平炉钢

平炉是一种火焰反射式蓄热炉。它的炉膛是由下面的炉底,上面的炉顶、后墙和前墙围成的。炉底呈槽形,靠近前墙和后墙处均有斜坡。平炉炉衬可以是碱性的，此时称为碱性平炉,炉衬也可以是酸性的,称为酸性平炉。熔渣内碱性氧化物居多的炼钢过程称为碱性平炉炼钢法，熔渣内酸性氧化物居多的炼钢过程称为酸性平炉炼钢法。碱性平炉用镁砖砌成,然后铺上镁砂,并砸实。酸性平炉用硅砖砌成,炉底铺上石英砂,并砸实。平炉炉顶用硅砖或镁铬砖砌成。平炉的装料口在前墙上,出钢口在后墙上。炉头出口处的火焰温度高达1750一1800C,用它对炉膛和炉料进行加热。在熔炼过程中火焰能促使炉料中各种杂质氧化。根据炉料的组成情况，平炉炼钢法又分为两种:1、废钢法和；2、废钢矿石法。采用废钢法时,炉料由废钢(碎钢)和25一45%的炼钢生铁锭组成。废钢法用在没有高炉且又拥有大量废钢的工业中心地带的工厂。采用废钢矿石法时,炉料由液体生铁(55一75%)、废钢和铁矿石组成。这种方法用在有高炉的冶金厂。绝大部分的钢是用废钢矿石法在碱性平炉中熔炼的。因为在碱性平炉熔炼时可以使用各种不同的炉料。废钢法和在炉料熔化,大部分杂质被氧化和金属液升温后,熔池即进人“沸腾”阶段:此时要向炉内投入铁矿石或沿导管向熔池吹氧。金属液中的碳被强烈氧化,生成一氧化碳。此时停止向炉内送入燃料和空气，并除渣。为了脱去钢液中的硫,要往钢液表面加石灰以造出新渣,同时还要加入铝矾土或萤石以降低熔渣的粘度。这时熔渣中CaO含量增加,而FeO含量降低,从而为反应式和反应式的强化进行,即为钢液脱硫创造了条件。在“沸腾”阶段碳被强烈氧化。因此，为使熔池“沸腾”，炉料中应含过量的碳(超过0.5一0.6%),即钢液中的含碳量要高于规定的含碳量。在“沸腾”过程中应使钢液达到规定的化学成分,使整个熔池内的钢液温度趋于均衡,要把气体和非金属夹杂物从钢液中排除出去。如果钢液中的含碳量达到了规定要求,含磷量降低到了最低限度,那就可以认为“沸腾”过程已经结束。钢液脱氧分两个阶段进行:1)在“沸腾”阶段,一方面要停止向炉中加入矿石,通过钢液中的碳被氧化来达到脱氧的目的;另一方面还要向熔池中投入脱氧剂,如锰铁、硅铁、铝。2)出钢时向浇包撒放铝和硅铁进行最终脱氧。取样化验合格后从后墙上的出钢口把钢液放到浇包中。酸性平炉炼钢法优质钢用酸性平炉炼钢法熔炼。由于炉内砌有酸性炉衬,所以不能为脱磷和脱硫造碱性渣。为此要选用含硫、含磷低的炉料。酸性平炉钢含氢,氧和非金属夹杂物比碱性平炉钢少，因此酸性平炉钢具有较高的机械性能，特别是具有较高的冲击韧性和塑性，常用于制造特别重要的零件,如:大型发动机曲轴、大功率涡轮机转子、滚动轴承等。

转炉钢

吹氧转炉炼钢就是在碱性炉衬的转炉中,经过水冷吹氧管吹人氧气把液体生铁熔炼成钢。吹氧转炉转炉炉体是用钢板制成的梨形容器，内砌碱性耐火砖。转炉容量为130一350t。在工作过程中为了加入废钢、倒入液体生铁及出钢和出渣,转炉可以围绕水平耳轴旋转360°*。吹氧转炉炼钢用的炉料是液体炼钢生铁,废钢(不多于30%),造渣用的石灰、铁矿石以及稀释熔渣用的铝矾土(AlzOz),萤石(CaFz)等。熔炼工艺熔炼前使转炉倾斜,经过炉口用装料机加入废钢(图2.4,a)，倒入1250一1400的液体生铁。然后将炉体转至垂直工作位置,插入水冷吹氧管，用它来吹入压力为0.9一1.4MPa的氧气。在开始吹氧时，需向炉内加入石灰、铝钒土,铁矿石。氧气流钻入铁水，引起了液体生铁的对流，并使其与熔渣搅拌在一起。由于生铁中的杂质与氧作用时会被强烈氧化,故吹氧管下面的区域内温度可升高到2400°C由于铁的浓度比杂质浓度大许多倍，所以在氧气流与生铁接触的区域里首先把铁氧化。生成的氧化铁溶于熔渣和生铁之中，这就大大增加了液体生铁中的含氧量。溶于液体生铁中的氧能氧化生铁中的硅,锰、碳,使其含量降低。而且杂质氧化时所放出的热还能加热金属熔池,使金属保持液态。在吹氧转炉中,CaO和FeO在熔渣内的含最都高,而且金属液和熔渣均处于搅动之中，从金属中脱去磷创造了条件。脱磷是在吹氧初期进行的,此时金属熔池的温度不高。在转炉精炼的生铁中磷的含量不应大于0.15%。磷的含量高(达0.3%)时,要脱去磷则必须放渣和重新造渣，但这样做就会降低转炉的生产率。硫从金属内排除到熔渣中是在整个熔炼时间内按反应式(7)和反应式(8)进行的。但是熔渣中FeO含量高(达7一20%)时，去硫困难。因此吹氧转炉炼钢要选用含硫量在0.07%以下的生铁。当金属中碳的含量达到规定值时就停止吹氧。然后把炉体倾转,开始出钢。出钢时,在浇包中用锰铁,硅铁,铝对钢进行沉淀脱氧。出钢后再从炉中倒出熔渣。在吹氧转炉中可熔炼各种碳索结构钢(沸腾钢和镇静钢)。在吹氧转炉中难于炼出含有易氧化元素的合金钢,因此只能熔炼低合金钢(合金元素含量在2-3%)。用转炉熔炼低合金钢的方法是将合金元素在电炉中熔化后倒入浇包，或者在出钢前把固体铁合金放到浇包中。容量为130-300t的转炉经25-50min就可完成一次熔炼。吹氧转炉炼钢比平炉炼钢的生产率高。

热处理

钢的热处理是将固态金属或合金在一定的介质中加热、保温和冷却,以改变材料整体或表面组织,从而获得所需性能的工艺方法。热处理就是以改变金属的性能为目的的受控制的加热和冷却过程。由于热处理能显著地改变金属的机械性能和物理性能，所以，它是最重要的和用得最广泛的机械制造工艺之一。它提供了一种通常是简单而成本又低的获得所需材料性能的方法。然而，如果热处理不恰当，则得到的坏处比好处还多。因此，为了得到显著的效果，必须懂得热处理，并把它和其他制造过程联系起来。

工艺热处理

尽管热处理通常仅与用来提高强度的那些加热冷却过程有关，但是，热处理的定义还可能包括许多其他目的的加热冷却过程。由于没有更合适的术语，我们就把用于其他目的加热冷却过程统称为工艺热处理(Processingheat treatments)。进行工艺热处理是以准备材料使之便于加工为主要目的的，包括改善机械加工性能、减少变形力和能量消耗以及为进一步变形恢复塑性等。因此，热处理有着惊人的能力，为了易于加工，它可以使金属软化，然后，通过另外的热处理方法又能使同一金属获得完全不同的一组使用性能。有一类热处理被统称为退火。退火可用来降低硬度、消除残余应力、提高韧性、恢复塑性、细化晶粒、减少偏析或者改变材料的机械性能、电性能或磁性等。通过产生某一预期的组织，就能给出适合于专门用途的特性。退火工艺中的温度、冷却速率及其它细节都由被处理的材料和这种处理的目的来确定。完全退火时，将亚共析钢加热到A.温度以上30~60°C(50~100°F)，以使其组织转变为成分和温度均匀的单相奥氏体。在这一温度下保温一段时间，然后，在某一受控制的速率下缓慢冷却到A，以下。一般的规则是按最大截面厚度每英寸保温1小时，但是，为了节能已促使缩短这个时间。从保温温度开始的冷却通常在炉内进行，以每小时10~30°C(20~50℃)的速率降温，至少降到A，以下30(50*F)，随后空冷到室温。所得的组织是粗大的珠光体(间隔较宽的层片)+相图所预示的过剩的铁素体。这种材料十分软，塑性很好。对过共析钢来说，除了开始只加热到奥氏体+渗碳体区(A:以上30~60C)以外，退火方法与亚共析钢基本相同。如果材料从奥氏体单相区缓慢冷却，在晶界上可能形成网状渗碳体，而使材料变脆。经正确退火后，过共析钢组织将由粗珠光体与弥散的球状渗碳体所组成。当冷加工使金属产生强烈的应变硬化时，为了使用的要求或为了进一步加工时没有断裂的危险，常常需要恢复其塑性。中间退火(Prccess anneal)通常就用于这一目的。把金属加热到比A，稍低一点的温度，保温足够长的时间以使其软化，然后以所需的速率(通常在空气中)冷却。因为没有形成奥氏体，现有的相只不过改变了它们的形态。中间退火经常用来使低碳钢板再结晶。由于材料不象其它热处理工艺那样加热到高温，因此，中间退火费用低，时间短，产生的氧化皮一般也较少。去应力退火通常用于消除大型铸钢件和焊接结构中的残余应力。零件的加热温度在A:以下(550~650℃，1000~1200尔)，保温一段时间，然后缓慢冷却，退火时间和温度随零件的状况而变。当高碳钢必须为加工或成形作准备时，可采用称为球化退火的工艺，其目的是产生这样一种组织，即在铁素体基体中所有的渗碳体都以小的、弥散度较大的球粒状存在。它可以用各种方法实现，包括:(1)在稍低于A:的温度下长时间保温，然后较慢冷却;(2)在比A:稍高一点和稍低一点的温度之间反复加热冷却;(3)对工具钢或高合金钢来说，加热到750~800C(1400~1500°F)或更高的温度，保温几小时，随后缓慢冷却。

碳钢铸造现场

应用领域

碳素结构钢

碳素结构钢通常轧制成钢筋、钢板和钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺母、铆钉等;Q235C、Q235D可用于重要的焊接件;Q235、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板用作构件。

优质碳素结构钢

优质碳素结构钢中所含硫、磷及非金属杂物量较少，常用来制造重要的机械零件，使用前一般都要经过热处理来改变力学性能。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。08钢塑性好，可制造冲压零件;10、20钢冲压性与焊接性良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理(如渗碳)也可以制造轴、销等零件;30、40、45、50钢经热处理后，可获得良好的力学性能，用来制造齿轮、轴类、套简等零件;60、65钢主要用来制造弹簧。优质碳索结构钢使用前一般都要进行热处理。

工模具钢

工模具钢都是高碳钢，都是优质钢或高级优质钢，主要用来制造各种刃具、量具、模具.等。由于大多数工模具都要求高硬度和高耐磨性，故工模具钢中碳的质量分数均在0.70%以上。工模具钢常被用来制造各种刃具、量具、模具等。T7、T8硬度高、韧性较好，可制造冲头、錾[zàn]子、锤子等工具;T9、T10、TI1硬度高、韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具;T12、T13硬度高，韧性较低，可制作锉[cuò]刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。工模具钢使用前都要进行热处理。

铸钢

铸钢主要用来制造重型机械、矿山机械、冶金机械、机车车辆上的某些形状复杂、用锻造方法难以生产而力学性能要求又比较高的零件及构件，它的铸造性能比铸铁差，主要表现在流动性差、凝固时的收缩率大、易产生偏析等方面。

影响因素

碳钢中除铁和碳两种元素外，还含有少量硅、锰、硫、磷等元素，它们的存在对钢的质量有很大的影响。虽然S和P是有害元素，但适量的S和P可以提高钢的可加工性。所以在制造表面粗糙度要求较小而强度不是很高的零件时，可以将P和S元素的质量分数分别提高到0.08%~0.38%和0.05%~0.15%，这种钢称为易切削钢。

锰

钢中锰的含量(质量分数)一般为0.25%~0.80%，锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中，提高钢的强度和硬度。锰还能与硫形成MnS，减轻硫对钢的危害，所以锰是钢中的有益元素。

硅

硅是炼钢后期以硅铁作为脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元索。在碳素镇静钢中，硅的质量分数一般控制在0.17%~0.37%。钢中的硅能溶于铁素体，可提高钢的强度和硬度，但由于其含量小，故其强化作用不大。硅是钢中的有益元素。

硫

(3)硫硫是主要由生铁带入钢中的有害元素。在钢中硫与铁生成化合物FeS。FeS与Fe形成共晶体(Fe+FeS)，其熔点仅为985C。当钢材加热到1000~1200C进行轧制或锻造时，沿晶界分布的Fe+FeS共晶体熔化，导致坯料开裂，这种现象称为热脆。钢中的硫含量一般不得超过0.05%(质量分数)。钢中的锰能从FeS中夺走硫而形成MnS。MnS的熔点高(1620C)，在钢材轧制时不熔化，能有效地避免钢的热脆性。S虽是有害元素，但当钢中S含量较多时，可形成较多的MnS，在切削加工时，MnS对断屑有利，可改善钢的可加工性。

磷

磷也是由生铁带人的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体，部分在结晶时形成脆性很大的化合物(Fe3P)，使钢在室温下(一般为100C以下)的塑性和韧性急剧下降，这种现象称为冷脆。磷在结晶时还容易偏析，在局部发生冷脆。一般钢中磷含量限制在0.04%(质量分数)以下。钢中含有适量的磷，能提高钢在大气中的耐蚀性。

缺点

碳钢存在以下不足:1、淬透性低。一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有15~20mm,因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。2、碳钢的强度和屈强比较低。Q235钢的R.L为235MPa，而低合金结构钢16Mn的R。L则为360MPa以上;屈强比低说明强度的有效利用率低，导致工程结构和设备笨重;40钢的屈强比为0.43，而合金钢35CrNi3Mo的屈强比可达0.74。3、碳钢的回火稳定性差。4、综合性能差。为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样碳钢的韧性就偏低;为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时，强度又偏低。5、特殊性能差。碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损，以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。

发展趋势

现代科学技术和工业的发展对材料提出了更高的要求，如更高的强度，耐高温、高压、低温，耐腐蚀、耐磨，以及其他特殊物理、化学性能的要求，而碳钢无法满足这些要求。为了弥补碳钢存在的不足，特意在碳钢中加入一些合金元素，即形成合金钢。合金钢就是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。这类钢中除含有硅、锰、硫、磷外，还根据钢种的要求向钢中加入一定数量的合金元素，如铬、镍[niè]、钼[mù]、钴、钨、钒、硼、铝、钛及稀土等合金元素。

参考资料

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