碳素鋼

簡介

　　含碳量小於1.35％，除鐵、碳和限量以內的矽 、錳、磷、硫等雜 　　

質外，不含其他合金元素的鋼。碳素鋼的性能主要取決於含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類相比，碳素鋼使用最早，成本低，性能范圍寬 ，用量最大。 適用於公稱壓力PN≤32.0MPa，溫度為-30-425℃的水、蒸汽、空氣、氫、氨、氮及石油制品等介質。常用牌號有WC1、WCB、ZG25及優質鋼20、25、30及低合金結構鋼16Mn

分類

1.按化學成分分類

　　碳素鋼按化學成分（即以含碳量）可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。 　　軟鋼, 含碳量從0.10％至0.30%低碳鋼易於接受各種加工如鍛造, 焊接和切削, 常用於制造鏈條, 鉚釘, 螺栓, 軸等。 　　鎮靜鋼、半鎮靜鋼、沸騰鋼等多種產品。除碳外還可含有少量錳(0.70％～1.20％)。按產品質量分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。熱加工及切削性能良好，焊接性能較差。強度、硬度比低碳鋼高，而塑性和韌性低於低碳鋼。可不經熱處理，直接使用熱軋材、冷拉材，亦可經熱處理後使用。淬火、回火後的中碳鋼具有良好的綜合力學性能。能夠達到的最高硬度約為 HRC55(HB538)，σb為600～1100MPa。所以在中等強度水平的各種用途中，中碳鋼得到最廣泛的應用，除作為建築材料外，還大量用於制造各種機械零件。 　　工具鋼, 含碳量從0.60%至1.70%, 可以淬硬和回火。錘, 撬棍等由含碳量0.75%的鋼制造; 切削工具如鑽頭, 絲攻, 鉸刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的鋼制造。

2.按鋼的品質分類

　　按鋼的品質可分為普通碳素鋼和優質碳素鋼。 　　元素含量的限制較寬。在中國和某些國傢根據交貨的保證條件又分為三類：甲類鋼（A類鋼）是保證力學性能的鋼。乙類鋼（B類鋼）是保證化學成分的鋼。特類鋼(C類鋼)是既保證力學性能又保證化學成分的鋼，常用於制造較重要的結構件。中國目前生產和使用最多的是含碳量在0.20％左右的A3鋼(甲類3號鋼)，主要用於工程結構。 　　有的碳素結構鋼還添加微量的鋁或鈮（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，以限制晶粒長大，使鋼強化，節約鋼材。在中國和某些國傢，為適應專業用鋼的特殊要求，對普通碳素結構鋼的化學成分和性能進行調整，從而發展瞭一系列普通碳素結構鋼的專業用鋼（如橋梁、建築、鋼筋、壓力容器用鋼等）。 　　非金屬夾雜物的含量較低。根據含碳量和用途的不同,這類鋼大致又分為三類:①小於0.25％C為低碳鋼,其中尤以含碳低於0.10%的08F,08Al等,由於具有很好的深沖性和焊接性而被廣泛地用作深沖件如汽車、制罐……等。20G則是制造普通鍋爐的主要材料。此外,低碳鋼也廣泛地作為滲碳鋼，用於機械制造業。②0.25～0.60％C為中碳鋼,多在調質狀態下使用,制作機械制造工業的零件。③大於0.6％C為高碳鋼,多用於制造彈簧、齒輪、軋輥等。根據含錳量的不同,又可分為普通含錳量(0.25～0.8％)和較高含錳量(0.7～1.0％和0.9～1.2％)兩鋼組。錳能改善鋼的淬透性，強化鐵素體，提高鋼的屈服強度、抗拉強度和耐磨性。通常在含錳高的鋼的牌號後附加標記“Mn”，如15Mn、20Mn以區別於正常含錳量的碳素鋼。

3.按用途分類

　　按用途則又可分為碳素結構鋼、碳素工具鋼。 　　碳素工具鋼 含碳量在0.65～1.35％之間，經熱處理後可得到高硬度和高耐磨性，主要用於制造各種工具、刃具、模具和量具（見工具鋼）。 　　碳素結構鋼按照鋼材屈服強度分為5個牌號： 　　Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 　　每個牌號由於質量不同分為A、B、C、D等級，最多的有四種，有的隻有一；另外還有鋼材冶煉的脫氧方法區別。 　　脫氧方法符號： 　　F——沸騰鋼　　b——半鎮靜鋼　　Z——鎮靜鋼 　　TZ——特殊鎮靜鋼

生產制造方法

　　碳素鋼的冶煉通常在轉爐、平爐中進行。轉爐一般冶煉普通碳素鋼，而 平爐可以冶煉各種優質鋼。近年來氧氣頂吹轉爐煉鋼技術發展很快，有趨勢可代替平爐煉鋼。將煉好的鋼液註入鋼錠模，就得到各種鋼錠。鋼錠經過鍛壓或軋制後便加工成各種形狀的鋼材和鍛件。鋼錠經過壓力加工後，能夠改善鋼的內部組織和夾雜物分佈，所以同樣成分的鋼材要比鋼錠的性能優越一些。

主要生產及輸往國傢、地區

　　我國的鞍鋼、寶鋼、上海鋼廠、太原鋼廠、重慶鋼廠、天津鋼廠、保定普瑞商貿（鋼材）有限公司等是出口碳素鋼的主要產地。一般碳素鋼多加工成型材，如角鋼、扁鋼、工字鋼等輸往日本、香港、東南亞、中東等國傢和地區。

主要進口生產國傢

　　我國主要從日本、俄羅斯、德國、東歐等國傢進口。與其他鋼類相比，碳素鋼進口數量最多。進口到貨後缺重問題較為突出。收用貨部門要加強到貨後重量的驗收。

規格及外觀質量

　　碳素鋼的品種主要有圓鋼、扁鋼、方鋼等。經冷、熱加工後鋼材的表面不得有裂縫、結疤、夾雜、折疊和發紋等缺陷。尺寸和允許公差必須符合相應品種國傢標準的要求。

化學成分的影響

　　碳素鋼的性能主要取決於鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態下，隨含碳量的增加，鋼的強度和硬度升高，而塑性和沖擊韌性下降（見圖）。焊接性和冷彎性變差。所以工程結構用鋼，常限制含碳量。 碳素鋼中的殘餘元素和雜質元素如錳、矽、鎳、磷、硫、氧、氮等，對碳素鋼的性能也有影響。這些影響有時互相加強，有時互相抵銷。例如：①硫、氧、氮都能增加鋼的熱脆性，而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。②殘餘元素除錳、鎳外都降低鋼的沖擊韌性，增加冷脆性。③除硫和氧降低強度外，其他雜質元素均在不同程度上提高鋼的強度。④幾乎所有的雜質元素都能降低鋼的塑性和焊接性。 　　氫在鋼中能造成很多嚴重缺陷，如產生白點、點狀偏析、氫脆、表面鼓泡和焊縫熱影響區內的裂縫等。為保證鋼的質量，必須盡可能降低鋼中氫的含量（見應力腐蝕斷裂和氫脆）。脫氧帶入的殘餘元素如鋁，可減小低碳鋼的時效傾向，還可以細化晶粒，提高鋼在低溫下的韌性，但餘量不宜過多。由爐料中帶入的殘餘元素如鎳、鉻、鉬、銅等，含量高時可提高鋼的淬透性，但對要求具有高塑性的專用鋼，如深沖用鋼板，則是不利的。

加工性能

　　碳素鋼目前大都采用氧氣轉爐和平爐冶煉，優質碳素鋼也采用電弧爐生產。根據煉鋼過程脫氧程度的不同，碳素鋼可分為鎮靜鋼、沸騰鋼和介於兩者之間的半鎮靜鋼。冶煉方法對鋼的性能影響，主要是通過鋼的純凈度而起作用的。近年來人們通過真空處理、爐外精煉和噴吹技術等，都可獲得更高純凈度的鋼，從而顯著改善瞭碳素鋼的品質。 　　碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經過熱加工,鋼錠中的小氣泡、疏松等缺陷被焊合起來,使鋼的組織致密。同時，熱加工可破壞鑄態組織、細化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態具有更好的力學性能。經冷加工的鋼,隨著冷塑性變形程度增大，強度和硬度增加,塑性和韌性降低。為提高成材率，廣泛應用連續鑄鋼工藝。

時效處理

　　低碳鋼的時效通常有淬火時效和應變時效兩種，都是由間隙元素作用引起的，主要是由於碳、氮、氧的重新分佈所造成。 　　淬火時效 即鋼由高溫快速冷卻後性能隨時間而變化的現象。鋼中含碳量、脫氧程度和含氮量對淬火時效都有很大影響。低碳鋼、脫氧不充分的沸騰鋼和含氮量較高的鋼發生淬火時效最顯著。含碳約0.3％的中碳鋼，由淬火時效所引起的性能變化已大為減弱。含碳約0.6％的高碳鋼，實際上不起時效硬化作用（見金屬熱處理）。 　　應變時效 經冷加工變形後的性能隨時間而變化的現象。碳和氮對應變時效的影響，與對淬火時效的影響相似，磷也促進應變時效。低碳鋼因冷變形而消失的屈服點，隨時間的延長而逐漸恢復。應變時效比淬火時效更為復雜。如鋼材經淬火後再進行冷加工，無論在室溫或稍高溫度下，均將加速其應變時效。 　　碳素鋼的時效常給工業生產帶來很大危害，例如沸騰鋼焊接後，由於時效使焊接接頭熱影響區出現細小裂紋，嚴重影響焊接結構的安全性。但由於近代冶金技術的發展，和在工業生產中的應用，尤其是氧氣轉爐煉鋼能獲得更低的氮、氧含量，因此時效問題有所減輕。

用途

　　Q195 用於制造承載較小的零件、鐵絲、鐵圈、墊鐵、開口銷、拉桿、沖壓件以及焊接件等。 　　Q215 A 用於制造拉桿、套圈、墊圈、滲圈、滲碳零件以及焊接件等。 　　Q235 A A、B級用於制造金屬結構件、心部強度要求不高的滲碳件或碳氮共滲件、拉桿、連桿、吊鉤、車鉤、螺栓、螺母、套筒、軸以及接件；C、D級用於制造重要的焊接結構件。 　　Q255 A 用於制造轉軸、心軸、吊鉤、拉桿、搖桿、楔等強度要求不高的零件。此負焊接性尚可。 　　Q275 用於制造軸類、鏈輪、齒輪、吊鉤等強度要求高的零件。

缺陷

　　碳素鋼在冶煉和軋制(鍛造)加工過程中，由於設備、工藝和操作等原因造成鋼的欠缺。主要包括結疤、裂紋、縮孔殘餘、分層、白點、偏析、非金屬夾雜、疏松和帶狀組織等。

1.結疤

　　鋼材表面未與基體焊合的金屬或非金屬疤塊。有的部分與基體相連，呈舌狀；有的與基體不連接，呈鱗片狀。後者有時在加工時脫落，形成凹坑。煉鋼(澆鑄)造成的結疤，疤下一般有肉眼可見的非金屬夾雜。軋鋼造成的結疤一般稱“軋疤”，疤下一般僅有氧化鐵皮。 　　連鑄坯)表面或皮下夾雜、氣泡和重皮。 　　(3)模壁嚴重缺陷或鑄溫過高造成凸疤和粘模，經軋制或鍛壓加工演變為結疤。 　　

2.裂紋

　　按裂紋形狀和形成原因有多種名稱，如拉裂、橫裂、裂縫、裂紋、發紋、炸裂(響裂)、脆裂(矯裂)、軋裂和剪裂等。從煉鋼、軋鋼到鋼材深加工幾乎每道工序都有造成裂紋的因素。 　　應力過大；鋼錠模有嚴重缺陷或保溫帽安裝不良造成鋼錠凝固過程懸掛；保護渣性能不佳，模子潮和各種澆鑄操作不良都能造成鋼錠表面質量不佳，在鋼材上形成裂紋。 　　火焰切割鋼材溫度過低造成炸裂；鋼材矯直應力過大，矯直次數過多而又未進行適當熱處理時易產生矯裂；冷拔管、線鋼料熱處理不良或過酸洗造成裂紋；鋼件在藍脆區剪切易剪裂；焊接工藝不當造成焊縫或熱影響區裂紋。 　　裂紋直接影響鋼材的力學性能和耐腐蝕性能，成品鋼材不允許裂紋存在。對於裂紋可以進行磨修，磨修後鋼材尺寸應符合標準規定。為瞭防止或減少鋼材裂紋，一是要改進煉鋼、軋鋼和鋼材深加工及有關工序工藝操作；二是對鋼坯缺陷部位要進行重點清理，對重要用途鋼坯可以進行扒皮處理。

3.縮孔殘餘

鋼水凝固過程中，由於體積收縮，在鋼錠或連鑄坯心部未能得到充分填充而形成的管狀或分散孔洞。在熱加工前，因為切頭量過小或縮孔較深，造成切除不盡，其殘留部分稱為縮孔殘餘。 　　縮孔殘餘分佈在鋼錠上部中心處，並與鋼錠頂部貫通的叫一次縮孔。由於設計的鋼錠模細長或上小下大，在澆鑄凝固過程中，鋼錠截口以下錠中心仍有未凝固的鋼水，凝固後期不能充分填充，形成的孔洞叫二次縮孔。一次縮孔和二次縮孔有本質差別，前者隻出現在鋼錠頭部，後者在鋼錠上、中、下部位都有可能出現。一次縮孔酸洗試片中心區域呈不規則的折皺裂縫或空洞。在其上或附近常伴有嚴重的夾渣、成分偏析和疏松。二次縮孔孔洞中或附近沒有夾渣，但有偏析生成碳物。一次縮孔殘餘和空氣貫通的二次縮孔在軋制(鍛造)過程中不能焊合，與空氣隔絕的二次縮孔和連鑄坯縮孔在軋制時一般能夠焊合，不影響鋼材使用性能。 　　縮孔殘餘嚴重地破壞鋼材的連續性，是鋼材不允許存在的缺陷，軋制(鍛造)時必然在鋼坯上產生裂紋。為瞭防止縮孔的產生，要求正確設計鋼錠模和保溫帽尺寸，並采用性能優良的保護渣、保溫劑(發熱劑)和絕熱板，把縮孔控制在鋼錠頭部，以保證在開坯時切掉。控制澆鑄速度不要太快，溫度不要過高可以防止縮孔產生。

4.分層

　　鋼材基體上出現的互不結合的兩層結構。分層一般都平行於壓力加工表面，在縱、橫向斷面低倍試片上均有黑線。分層嚴重時有裂縫發生，在裂縫中往往有氧化鐵、非金屬夾雜和嚴重的偏析物質。 　　鎮靜鋼鋼錠的縮孔和沸騰鋼錠的氣囊及尾孔經軋制(鍛造)不能焊合產生分層。鋼中大型夾雜和嚴重成分偏析也能產生分層。分層是鋼材中不允許存在的缺陷，嚴重影響鋼材的使用。 　　

5.白點

　　在鋼材縱、橫斷面酸浸試片上，出現的不同長度無規則的發紋。它在橫向低倍試片上呈放射狀、同心圓或不規則分佈，多距鋼件中心或與表面有一定距離。型鋼在橫向或縱向斷口上，呈圓形或橢圓形白亮點。直徑一般為3～10mm。 　　板鋼在縱向、橫向斷口上白點特征不明顯，而在z向斷口上呈現長條狀或橢圓狀白色斑點。采用斷口檢查白點時，最好把試樣先進行淬火和調質處理。 　　鋼坯上出現白點，經壓力加工後可變形或延伸，壓下率較大時也能焊合。 　　白點缺陷對鋼材力學性能(韌性和塑性)影響很大，當白點平面垂直方向受應力作用時，會導致鋼件突然斷裂。因此，鋼材不允許白點存在。 　　白點產生的原因，一般認為是鋼中氫含量偏高和組織應力共同作用的結果。奧氏體中溶解的氫，在冷卻相變過程中，其溶解度顯著降低，所析出的氫原子聚集在鋼材微孔中或晶間偏析區或夾雜物周圍，結合成氫分子，產生巨大局部壓力，當這種壓力與相變組織應力相結合超過鋼的強度時，則產生裂紋，形成白點。 　　白點多在高碳鋼，馬氏體鋼和貝氏體鋼中出現。奧氏體鋼和低碳鐵素體鋼一般不出現白點。 　　消除白點的措施主要是改進冶煉操作，采用真空處理，降低鋼水氫含量和采用鋼坯(鋼材)緩冷工藝。

6.偏析

　　鋼材成分的嚴重不均勻。這種現象不僅包括常見的元素(如碳、錳、矽、硫、磷)分佈的不均勻性，還包括氣體和非金屬夾雜分佈的不均勻性。 　　偏析產生的原因是鋼水在凝固過程中，由於選分結晶造成的。首先結晶出來的晶核純度較高，雜質遺留在後結晶的鋼水中。因此，結晶前沿的鋼水為碳、硫、磷等雜質富集。隨著溫度降低，雜質凝固在樹枝晶間，或形成不同程度的偏析帶。此外，隨著溫度降低，氣體在鋼水中溶解度下降，在結晶前沿析出並形成氣泡上浮，富集雜質的鋼水沿上山軌跡形成條狀偏析帶。由於偏析在鋼錠上出現部位不同和在低倍試片上表現出形式各異，偏析可分為方形偏析、“V”、“＾”形偏析、點狀偏析、中心偏析和晶間偏析等。 　　另外，脫氧合金化工藝操作不當，可以造成嚴重的成分不均。保護渣卷入到鋼水中造成局部增碳。這些因素使鋼材產生偏析的程度往往超過由於選分結晶造成的偏析。 　　偏析影響鋼材的力學性能和耐蝕性能。嚴重偏析可能造成鋼材脆斷，冷加工時還會損壞機械，故超過允許級別的偏析是不允許存在的。 　　偏析程度往往與錠型、鋼種、冶煉操作和澆鑄條件有關。合金元素、雜質和氣體的偏析，隨澆鑄溫度升高和澆鑄速度加快，偏析程度愈嚴重。連鑄鋼采用電磁攪拌可以減輕偏析程度。另外，增加鋼水潔凈度是減輕偏析的重要措施。

7.非金屬夾雜

　　鋼中含有與基體金屬成分不同的非金屬物質。它破壞瞭金屬基體的連續性和各向同性性能。 　　晶界呈網狀薄膜析出，如FeS。 　　鋼中非金屬夾雜對鋼材的強度、伸長率、韌性和疲勞強度有不同程度的影響。按使用要求，根據中國國傢非金屬夾雜標準評定鋼材夾雜級別。鋼材中不允許存在嚴重危害鋼材性能的大顆粒夾雜。 　　保證出鋼和澆鑄系統清潔，采用吹氬、渣洗、噴粉、真空處理等爐外精煉措施及保護澆鑄措施，可以減少鋼中非金屬夾雜。

8.疏松

　　鋼材截面熱酸蝕試片上組織不致密的現象。在鋼材橫斷面熱酸蝕試片上，存在許多孔隙和小黑點子，呈現組織不致密現象，當這些孔隙和小黑點子分佈在整個試片上時叫一股疏松，集中分佈在中心的叫做中心疏松。在縱向熱酸蝕試片上，疏松表現為不同長度的條紋，但仔細觀察或用8～10倍放大鏡觀察，條紋沒有深度。用掃描電子顯微鏡觀察孔隙或條紋，可以發現樹枝晶末梢有金屬結晶的自由表面特征。 　　疏松的成因與鋼水冷凝收縮和選分結晶有關。鋼水在結晶時，先結晶的樹枝晶晶軸比較純凈，而枝晶問富集偏析元素、氣體、非金屬夾雜和少量未凝固的鋼水，最後凝固時，不能夠全部充滿枝晶間，因而形成一些細小微孔。 　　鋼材在熱加工過程中，疏松可大大改善，但當鋼錠疏松嚴重時，壓縮比不足或孔型設計不當時，熱加工後疏松還會存在。嚴重的疏松視為鋼材缺陷，當疏松嚴重時，鋼材的力學性能會受到一定影響。但根據鋼材使用要求，可以按標準圖片評定鋼材疏松級別。 　　采用提高鋼水純凈度、加快冷卻速度、連鑄用電磁攪拌和減少枝晶等措施，可以減少疏松。

9.帶狀組織

　　熱加工後的低碳結構鋼，其顯微組織鐵素體和珠光體沿軋向平行排列，呈帶狀分佈，形成鋼材帶狀組織。 　　帶狀組織形成的機制一般有3種： 　　(1)通常，在低碳鋼中，當樹枝晶間富集磷、硫等雜質，鋼材經熱加工後，非金屬夾雜被拉長。如硫化物，而奧氏體在冷卻過程中先共析鐵素體沿硫化物夾雜形核和長大，形成鐵素體條帶。同時，鐵素體形成時向鐵素體條帶兩側排碳，也形成瞭珠光體條帶。 　　(2)當低碳鋼中含錳較高時，先凝固的樹枝晶晶幹成分較純，形成鐵素體條帶。而枝晶間含錳、碳、硫、磷等雜質，而且鐵素體條帶也向枝晶間排碳，形成珠光體條帶。 　　(3)當熱加工終軋溫度較低時，在雙相區軋制也能形成帶狀組織。 　　帶狀組織實質上是鋼材組織不均勻的一種表現，影響鋼材性能，產生備向異性。帶狀組織降低鋼材塑性、沖擊韌性和斷面收縮率，特別是對橫向力學性能影響較大。 　　根據鋼材的使用要求，可以按中國國傢帶狀組織評級標準圖片來評定鋼材帶狀組織的級別。 　　降低鋼中夾雜和樹枝晶成分偏析是減輕鋼中帶狀組織的主要措施。