碳素钢1、简要介绍含碳量小于1.35%(0.1%-1.2%)，除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。

碳素钢的性能主要取决于含碳量。

含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。

与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。

适用于公称压力PN≤32.0MPa，温度为-30-425℃的水、蒸汽、空气、氢、氨、氮及石油制品等介质。

常用牌号有WC1、WCB、ZG25及优质钢20、25、30及低合金结构钢16Mn2、具体分类碳素钢按化学成分（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0.25%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。

能够达到的最高硬度约为HRC55(HB538），σb为600～1100MPa。

所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。

（3）高碳钢常称工具钢，含碳量从0.60%至1.70%，可以淬硬和回火。

锤，撬棍等由含碳量0.75%的钢制造；切削工具如钻头，丝攻，铰刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的钢制造。

按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。

（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。

中国目前生产和使用最多的是含碳量在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微量的铝或铌（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，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。

按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。

碳素工具钢含碳量在0.65～1.35%之间，经热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具（见工具钢）。

碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275每个牌号由于质量不同分为A、B、C、D等级，最多的有四种，有的只有一；另外还有钢材冶炼的脱氧方法区别。

脱氧方法符号：F——沸腾钢b——半镇静钢Z——镇静钢TZ——特殊镇静钢3、杂质影响Mn的影响钢中常在杂质有：Si、Mn、S、P和氧、氢、氮等气体。

Mn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素。

锰有较强的脱氧能力，锰大部分溶于F，使钢强化，锰对钢有益。

锰能降低S对钢的危害。

一般碳素钢中把锰控制在0.25%~0.8%范围内。

Si的影响Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。

Si比锰脱氧能力强，硅溶于F，提高钢的强度和硬度，但会使塑性和韧性降低。

硅促进Fe3C分解成石墨，若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降，产生所谓的“黑脆”。

硅在碳素钢中一般控制在0.17~0.37%范围内。

S的影响S可使钢的“热脆”性增加。

（S不溶于α-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔点为1190℃，而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上，其熔点仅为985℃。

）S对钢的焊接性能也有不良影响，容易导致焊缝热裂。

所以，S在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.05%。

但是，S能改善钢材的切削性能。

P的影响P会引起钢的“冷脆”。

（P在钢中全部溶于α-Fe中，使钢的强度和硬度增高，同时，塑性和韧性显著降低。

当钢中含P量达0.3%时，钢完全变脆，这种脆性现象在低温时更为严重。

）P还降低钢的焊接性能。

所以，P在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.045%。

但是，P能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能。

气体的影响氧会降低钢的力学性能，尤其是疲劳强度。

对钢无益，越少越好。

N会以氮化物的形式析出，增加钢的强度和硬度，但会降低钢的塑性和韧性，使钢变脆。

H会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆”。

H会使钢中产生裂纹，称为“白点”。

4、命名方法1、碳素结构钢主要用途：各类工程。

通常热轧后空冷供货，用户一般不需进行热处理而直接使用。

这类钢共分五个强度等级。

命名：标志符号Q+最小σS值—等级符号+脱氧程度符号如：Q235-AF；等级符号：A、B、C、D（D级达到了优质钢水平）2、优质碳素结构钢主要用途：重要机件。

可以通过热处理调整零件的力学性能。

出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态。

随用户需要而定。

命名：用两位数字表示，两位数字表示钢中含碳量的万分之几。

如：45钢WC=0.45%。

常用牌号：08F、15、45、60、60Mn等。

3、碳素工具钢（WC=0.65%~1.35% 属高碳钢）主要用途：制作各种小型工具。

可进行淬火、低温回火处理获得高硬度高耐磨性。

分为优质级和高级优质级两大类。

命名：标志符号T+含碳量的1000倍。

如：T10 WC=1.0%。

高级优质级在钢号尾部加A，如T10A。

4、一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）主要用途：难用锻压等方法成型的复杂零件且力学性能要求较高；命名：标志符号ZG+最低σS值—最低σb值如：ZG340-640。

5、制造工艺碳素钢的冶炼通常在转炉、平炉中进行。

转炉一般冶炼普通碳素钢，而平炉可以冶炼各种优质钢。

氧气顶吹转炉炼钢技术发展很快，有趋势可代替平炉炼钢。

将炼好的钢液注入钢锭模，就得到各种钢锭。

钢锭经过锻压或轧制后便加工成钢板、钢带、钢条和各种断面形状的型钢。

碳钢一般在热轧状态下直接使用。

当用于制造工具和各种机器零件时，则需要根据使用要求进行热处理；至于铸钢件，绝大多数都要进行热处理。

6、化学影响碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。

在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降（见图）。

焊接性和冷弯性变差。

所以工程结构用钢，常限制含碳量。

碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。

这些影响有时互相加强，有时互相抵销。

例如：①硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。

②残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。

③除硫和氧降低强度外，其他杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。

④几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。

氢在钢中能造成很多严重缺陷，如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。

为保证钢的质量，必须尽可能降低钢中氢的含量（见应力腐蚀断裂和氢脆）。

脱氧带入的残余元素如铝，可减小低碳钢的时效倾向，还可以细化晶粒，提高钢在低温下的韧性，但余量不宜过多。

由炉料中带入的残余元素如镍、铬、钼、铜等，含量高时可提高钢的淬透性，但对要求具有高塑性的专用钢，如深冲用钢板，则是不利的。

7、加工性能碳素钢大都采用氧气转炉和平炉冶炼，优质碳素钢也采用电弧炉生产。

根据炼钢过程脱氧程度的不同，碳素钢可分为镇静钢、沸腾钢和介于两者之间的半镇静钢。

冶炼方法对钢的性能影响，主要是通过钢的纯净度而起作用的。

人们通过真空处理、炉外精炼和喷吹技术等，都可获得更高纯净度的钢，从而显著改善了碳素钢的品质。

碳素钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。

经过热加工，钢锭中的小气泡、疏松等缺陷被焊合起来，使钢的组织致密。

同时，热加工可破坏铸态组织、细化晶粒。

使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。

经冷加工的钢，随着冷塑性变形程度增大，强度和硬度增加，塑性和韧性降低。

为提高成材率，广泛应用连续铸钢工艺。

8、时效处理低碳钢的时效通常有淬火时效和应变时效两种，都是由间隙元素作用引起的，主要是由于碳、氮、氧的重新分布所造成。

淬火时效即钢由高温快速冷却后性能随时间而变化的现象。

钢中含碳量、脱氧程度和含氮量对淬火时效都有很大影响。

低碳钢、脱氧不充分的沸腾钢和含氮量较高的钢发生淬火时效最显著。

含碳约0.3%的中碳钢，由淬火时效所引起的性能变化已大为减弱。

含碳约0.6%的高碳钢，实际上不起时效硬化作用（见金属热处理）。

应变时效经冷加工变形后的性能随时间而变化的现象。

碳和氮对应变时效的影响，与对淬火时效的影响相似，磷也促进应变时效。

低碳钢因冷变形而消失的屈服点，随时间的延长而逐渐恢复。

应变时效比淬火时效更为复杂。

如钢材经淬火后再进行冷加工，无论在室温或稍高温度下，均将加速其应变时效。

碳素钢的时效常给工业生产带来很大危害，例如沸腾钢焊接后，由于时效使焊接接头热影响区出现细小裂纹，严重影响焊接结构的安全性。

但由于近代冶金技术的发展，和在工业生产中的应用，尤其是氧气转炉炼钢能获得更低的氮、氧含量，因此时效问题有所减轻。

9、用途Q195 用于制造承载较小的零件、铁丝、铁圈、垫铁、开口销、拉杆、冲压件以及焊接件等。

Q215 A 用于制造拉杆、套圈、垫圈、渗圈、渗碳零件以及焊接件等。

Q235 A A、B 级用于制造金属结构件、心部强度要求不高的渗碳件或碳氮共渗件、拉杆、连杆、吊钩、车钩、螺栓、螺母、套筒、轴以及接件；C、D级用于制造重要的焊接结构件。

Q255 A 用于制造转轴、心轴、吊钩、拉杆、摇杆、楔等强度要求不高的零件。

此负焊接性尚可。

Q275 用于制造轴类、链轮、齿轮、吊钩等强度要求高的零件。