碳鋼的種類及用途

碳鋼

一、碳鋼的概念：

碳鋼是含碳量小於2。11%的鐵碳合金，並含有少量的矽、錳、硫、磷等元素。

二、鋼和鐵的區別：

主要以含碳量來區分。含碳量大於2。11%的鐵碳合金稱為鐵，小於2。11%的鐵碳合金稱為鋼。成分的不同，決定了結構不同，效能的不同。

日常生活中所說的生鐵就是課本上所說的鐵，日常生活中所說的熟鐵就是課本中所說的鋼。（效能不同）

三、鋼中常存元素對鋼效能的影響：

1。有益元素：

Si —有很強的固溶強化作用，能脫氧。

Mn —固溶強化，提高鋼的強度和硬度、脫氧、去硫。

2。有害元素：

P—有很強的固溶強化作用，低溫韌性差 （ 冷脆 ）。

S — 能引起鋼在熱加工時或高溫工作下開裂 （ 熱裂或熱脆 ）。（S和Fe生成低熔點的共晶體）

（一）錳的影響

脫氧劑。有益元素，碳鋼中不超過0。8%，

（1）固溶強化；

（2）形成MnS，消除硫的有害影響。

（二）矽的影響

脫氧劑，矽增大鋼液的流動性。可使熱軋鋼的抗拉強度提高，屈服點提高，伸長率下降。鋼的面縮率和衝擊韌性下降不明顯。但是，當矽含量超過0。8~1。0%時，則引起斷面縮率下降，特別是衝擊韌性顯著降低。

（三）硫的影響

一般來說，硫是有害元素，它主要來自生鐵原料、鍊鋼時加入的礦石和燃料燃燒產物中的二氧化硫。

硫在鐵中的溶解度很小。室溫時，硫以硫化物夾雜的形式存在於固態鋼中。

硫的最大危害是引起鋼在熱加工時開裂，即產生所謂熱脆。

硫透過形成硫化物夾雜而對鋼的力學效能發生影響。增加鋼中的含硫量，使硫化物夾雜的含量增高，鋼的範性和韌性將降低，同時，鋼材力學效能的方向性增大，鋼的熱加工效能也變壞。硫對鋼力學效能的影響，不僅和鋼的含硫量有關，而且還和所形成的硫化物夾雜的大小、形狀和分佈，並與基體的組織有關。

硫能提高鋼材的切削加工性，這是硫的有益作用。在易削鋼中，含硫0。08~0。2%，同時含0。50~1。20%Mn。

在大多數情況下，由於硫的有害影響，同時也考慮到硫的偏析傾向很大，所以，一般對鋼的含硫量限制甚嚴。在普通質量碳鋼中，硫含量不大於0。055%，在優質鋼中不大於0。045%，在高階優質鋼中不大於0。02%。

改變硫的存在方式：

加入適當的Mn，Mn與S的化學親和力大於Fe，優先形成MnS，MnS的熔點1600℃，高於熱加工溫度，可避免熱脆的發生。

（四）磷的影響

一般來說，磷是有害雜質元素。它來源於礦石和生鐵等鍊鋼原料。鋼中殘餘含磷量與冶煉方法有很大關係。

磷在純鐵中有相當大的溶解度。磷能提高鋼的強度，但使範性、韌性降低，特別是使鋼的脆性轉折溫度急劇升高，即提高鋼的冷脆性。

（五）氮、氫、氧等微量氣體的影響

1、氮：鍊鋼時氮透過爐氣進入鋼中。鋼件快速冷卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。在隨後放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼的韌性。

——稱為藍脆（因300℃上下應變時最易產生）

——藍脆是造成船舶、橋樑災難性事故的原因之一。

2、氫：高溫下氫大量溶於鋼中。隨溫度下降，氫在鋼中的溶解度急劇降低，但氫來不及逸出表面，過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處偏聚，並逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內應力，導致微裂紋，這種氫使鋼變脆的現象稱為氫脆——嚴重的缺陷。

消除方法：鍛後緩冷。尤大型鍛件。

發裂

白點

3、氧：

氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等影響很大。

有害元素的利用：

S、P在易切鋼中的應用

P在炮彈鋼中的應用。

第二節碳鋼的分類、編號及用途

一、碳鋼的分類

1。按用途分類；

2。按化學成分分類；

3。按質量等級分類；

4。按冶煉方法分類；

5。按工藝方法（脫氧程度）分類 ；

1。按用途分類

（1）結構鋼 可分為工程構件用鋼（如建築工程用鋼、橋樑工程用鋼、船舶工程用鋼、車輛工程用鋼）和機器零件用鋼（如調質鋼、滲碳鋼、彈簧鋼、軸承鋼等）。

（2）工具鋼 根據用途不同可分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼等。

（3）特殊效能鋼 可分為不鏽鋼、 耐熱鋼、耐磨鋼等。

刃具

量具

模具

按化學成分分類

按化學成分分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。

非合金鋼是指WC＜2。11% ，並含有少量Si 、Mn 、S 、P等雜質元素的鐵碳合金，在施行新的鋼分類標準以前稱為碳素鋼（簡稱碳鋼）。按其含碳量又分為低碳鋼（0。0218%＜WC＜0。25%）、中碳鋼（0。25%≤WC ≤0。60%）和高碳鋼（WC ＞0。60%）。

低合金鋼與合金鋼是指在非合金鋼基礎上有目的的加入了某些元素所形成的鋼種，加入鋼中的元素稱為合金元素。

3。按質量分類

主要按鋼中的有害雜質磷、硫含量來分類。可分為

普通鋼（WS、 WP≥0。045%）；

優質鋼（WS、 WP≤0。035%）；

高階優質鋼（WS≤0。020%、

WP≤0。030%）；

特級優質鋼（WS≤0。015% 、

WP≤0。025%）等。

4。按冶煉方法分類

可按爐別分為平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼。

平爐鋼是靠燃料（煤氣或重油）的燃燒來熔化爐料和提高鋼水溫度，靠爐氣中的氧氣和加入鐵礦石進行氧化反應，由於平爐鋼消耗大量燃料在我國已被淘汰。

轉爐鋼是把空氣或氧氣吹入鐵水中，使鐵水中的C、Mn、Si、 P、S等迅速氧化、靠氧化時放出的熱量來升溫，而不靠燃料供熱的鍊鋼方法。轉爐鋼由於節省燃料是目前主要鍊鋼裝置。

電爐鋼是利用電能作為熱源的鍊鋼方法。電爐鋼主要生產高質量和高合金鋼。

5。按工藝方法（脫氧程度）分類

按脫氧程度不同分為沸騰鋼、鎮靜鋼和半鎮靜鋼。

沸騰鋼是指只用Mn鐵（價格低、脫氧效果差）脫氧，所以鋼中含氧較多，澆注時，鋼中氧與碳發生作用析出大量CO，因此鋼水在鋼模內呈沸騰現象，稱沸騰鋼。沸騰鋼成材率高，成本低，但化學成份不均勻、偏析、雜質多。沸騰鋼鋼號最後用“F”表示。

鎮靜鋼是指除用Mn鐵，還用Si鐵（有時用Al）脫氧，鋼中氧已很少，澆注時沒有沸騰現象。鎮靜鋼化學成分均勻，機械效能較好，但有縮孔，成本高。鎮靜鋼鋼號後加“Z”。

半鎮靜鋼的脫氧程度在鎮靜鋼與沸騰之間，效能也介於之間，鋼號後加“b”。半鎮靜鋼應用較少。

6、按含碳量分類

按鋼的含碳質量分數分類

低碳鋼含碳質量分數 ωc≤0。25%

中碳鋼含碳質量分數 ωc=0。25-0。60%

高碳鋼含碳質量分數 ωc≥0。6%

含碳量越高，其強硬度越高，塑韌性越低。

二、碳鋼的編號方法

（1）普通碳素結構鋼

（2）優質碳素結構鋼

（3）碳素工具鋼

（1）普通碳素結構鋼

該類鋼牌號表示方法由代表屈服點“屈”字的漢語拼音字首（Q）、屈服點數值、質量等級符號（A 、B 、C 、D 、E）及脫氧方法符號（F、b、Z 、TZ）等四個部分按順序組成。例如 Q235-AF，即表示屈服點為бS≥235MPa 、A等級質量的沸騰鋼。

F 、b、Z 、TZ 依次表示沸騰鋼、半鎮靜鋼、鎮靜鋼、特殊鎮靜鋼，一般情況下符號Z與TZ在牌號表示中可省略。

質量等級符號反映碳素結構鋼中磷、硫含量的多少，A、B、C、D質量等級依次增加。

約佔鋼總產量的 70～80％，大部分作工程結構件。

牌號：Q+σS （一組數字） +質量等級+脫氧方法

“Q”——表示屈服點的漢語拼音字首

σS——表示屈服 強度，單位MPa

質量等級為 A、B、C、D四個等級，從A到D依次升高。

脫氧方法： F（沸騰鋼）、b（半鎮靜鋼）、Z（鎮靜鋼）、TZ（特殊鎮靜鋼）；Z、TZ在牌號中不標出。

例如 Q215-A·F表示σS≥215MPa，質量為A級的沸騰鋼；Q235-B·b表示σS≥235MPa，質量為B級的半鎮靜鋼。

Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性較好，有一定的強度，通常軋製成鋼筋、鋼板、鋼管等，可用於做橋樑、建築物等構件，也可用做普通螺釘、螺帽、鉚釘等。

Q235C、Q235D可用於重要的焊接件。

Q255、Q275 強度較高，可軋製成型鋼、鋼板作構件用。

這類鋼常在熱軋狀態下使用，不再進行熱處理。但對某些零件，也可以進行正火、調質、滲碳等處理，以提高其使用效能。

常用碳素結構鋼

鋼板鋼筋建築構件

螺釘鉚釘鋼橋樑

（2）優質碳素結構鋼 其牌號用兩位數字表示，兩位數字表示鋼中平均碳的質量分數的萬倍。例如 45鋼，表示平均WC＝0。45%；08鋼表示平均WC＝0。08%。

優質碳素結構鋼按錳的質量分數不同，分為普通錳（WMn＝0。25%～0。80%）與較高錳（WMn＝0。70%～1。2%）兩組。較高錳的優質碳素結構鋼牌號數字後加“Mn”，如 65Mn。

沸騰鋼、半鎮靜鋼以及專門用途的優質碳素結構鋼，應在牌號後特別標出，如08F即指平均含碳量為0。08%的沸 騰鋼；15g即指平均碳質量分數為0。15%的鍋爐鋼。

用平爐或電爐冶煉。其中 S＜0。035％、P＜0。035％，化學成分加以嚴格控制，塑性、韌性較高，多用於製造重要的零件。這類鋼 HBS、σS、σb高，經熱處理後力學效能較好。

鋼的牌號用 2位數字表示

數字表示鋼的平均含碳量的萬分數。

45鋼表示平均含碳量為0。45％的優質碳素結構鋼。

數字後加F的為沸騰鋼，如08F。

數字後加Mn的為含錳量較高的鋼，如45Mn。

牌號自08，10～80，中間為5進位制。

優質碳素結構鋼的用途

08、10鋼，含碳量很低，塑性很好，可用來作衝壓件。

15～30鋼，低碳鋼，σb不高，而塑性韌性較好，具有良好的衝壓性和可焊性，可用來製作衝壓件、螺釘、螺帽等。經滲碳淬火後可獲得表面硬度高而心部韌性好的零部件，常用作滲碳用鋼，亦稱碳素滲碳鋼。

35～50鋼，中碳鋼，經調質處理後使用，可獲得既有一定強度和硬度，又有一定塑性和韌性良好配合的綜合力學效能，亦稱碳素調質鋼，可製作鍛件、熱衝壓件、冷鐓件、齒輪、軸類等零件。

55～80鋼，含碳量較高，強度高而塑性低，具有一定的耐磨性，經熱處理後有很高的彈性極限，常用於製造各種彈性零件，亦稱碳素彈簧鋼。也可用作耐磨零件和機車車輪等。

常用優質碳素結構鋼：

齒輪

螺栓

曲軸

彈簧

（3）碳素工具鋼

其牌號冠以“T”（“T”為“碳”字的漢語拼音字首），後面的數字表示平均碳的質量分數的千倍。碳素工具鋼分優質和高階優質兩類。若為高階優質鋼，則在數字後面加“Ａ”字。

例如T8A鋼，表示平均WＣ＝0。8% 高階優質碳素工具鋼。

對含較高錳（WMn＝0。40%～0。60%）的碳素工具鋼，則在數字後加“Mn”。如T8Mn 、T8MnA 等。

碳素工具鋼含碳量較高（0。65％～1。35％）。

碳素工具鋼按S、P含量分為2組：

第一組是高階優質鋼：S≤0。020％，P≤0。030％；

第二組是優質鋼：S≤0。030％，P≤0。035％。

碳素工具鋼的牌號是用“碳或T+數字”表示，數字表示鋼的平均碳質量分數的千分數。

如碳12或T12表示鋼的平均碳質量分數為1。2％的碳素工具鋼。

若是高階優質碳素工具鋼，則在鋼號數字後加一個“高”或“A”，如T8A或碳8高。

如有T8Mn或T8MnA，則表示碳質量分數為0。8％，含Mn量較高的碳素工具鋼或高階碳素工具鋼。

碳素工具鋼一般經淬火+低溫回火後使用，硬度大於64HRC。隨著碳質量分數的增加，熱處理後鋼的耐磨性提高，而塑性、韌性降低。由於碳素工具鋼的淬透性不高，故適用於小尺寸的模具、刀具和量具等。

T7、T8硬度高，韌性較高，可製作衝頭、鑿子、錘子等工具

T9、T10、T11硬度高，韌性適中，可製造鑽頭、刨刀、絲錐、手鋸條等刃具及冷作模具等。

T12、T13等硬度高，韌性較低，可製作銼刀、刮刀等刃具及量規、樣套等量具。工作溫度一般不超過180℃，否則硬度急劇下降。

銼刀

量規

鑽頭