碳素鋼

碳素鋼是近代工業中使用最早、用量最大的基本材料。世界各工業國傢，在努力增加低合金高強度鋼和合金鋼產量的同時，也非常註意改進碳素鋼質量，擴大品種和使用范圍。目前碳素鋼的產量在各國鋼總產量中的比重，約保持在80%左右，它不僅廣泛應用於建築、橋梁、鐵道、車輛、船舶和各種機械制造工業，而且在近代的石油化學工業、海洋開發等方面，也得到大量使用。

中文名

碳素鋼

外文名

Carbon steel

公稱壓力

PN≤32.0MPa

適用溫度

-30-425℃

碳量

小於1.35%(0.1%-1.2%)

分類

低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼

1簡要介紹

含碳量小於1.35%(0.1%-1.2%)，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^[1]

2具體分類

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。

(1) 低碳鋼

又稱軟鋼，含碳量從0.10%至0.25%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。

(2) 中碳鋼

碳量0.25%～0.60%的碳素鋼。有鎮靜鋼、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。

（3）高碳鋼

常稱工具鋼，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；切削工具如鉆頭，絲攻，鉸刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的鋼制造。

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。

（1）普通碳素結構鋼又稱普通碳素鋼，對含碳量、性能范圍以及磷、硫和其他殘餘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）。

（2）優質碳素結構鋼和普通碳素結構鋼相比，硫、磷及其他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。

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

^[2]

3雜質影響

Mn的影響

鋼中常在雜質有：Si、Mn、S、P和氧、氫、氮等氣體。

Mn是煉鋼時用錳鐵給鋼液脫氧後而殘餘在鋼中的元素。

錳有較強的脫氧能力，錳大部分溶於F，使鋼強化，錳對鋼有益。

錳能降低S對鋼的危害。

一般碳素鋼中把錳控制在0.25%~0.8%范圍內。

Si的影響

Si主要來自原料生鐵和矽鐵脫氧劑。

Si比錳脫氧能力強，矽溶於F，提高鋼的強度和硬度，但會使塑性和韌性降低。

矽促進Fe3C分解成石墨，若鋼中出現石墨會使鋼的韌性嚴重下降，產生所謂的“黑脆”。

矽在碳素鋼中一般控制在0.17~0.37%范圍內

S的影響

S可使鋼的“熱脆”性增加。（S不溶於α-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔點為1190℃，而FeS又能於Fe形成共晶體分佈於晶界上，其熔點僅為985℃。）

S對鋼的焊接性能也有不良影響，容易導致焊縫熱裂。所以，S在鋼中是有害雜質，其含量一般要求不大於0.05%。但是，S能改善鋼材的切削性能。

P的影響

P會引起鋼的“冷脆”。（P在鋼中全部溶於α-Fe中，使鋼的強度和硬度增高，同時，塑性和韌性顯著降低。當鋼中含P量達0.3%時，鋼完全變脆，這種脆性現象在低溫時更為嚴重。）

P還降低鋼的焊接性能。所以，P在鋼中是有害雜質，其含量一般要求不大於0.045%。但是，P能改善鋼材的切削性能和耐腐蝕性能。

氣體的影響

氧會降低鋼的力學性能，尤其是疲勞強度。對鋼無益，越少越好。

N會以氮化物的形式析出，增加鋼的強度和硬度，但會降低鋼的塑性和韌性，使鋼變脆。

H會使鋼的脆性顯著增加，稱為“氫脆”。

H會使鋼中產生裂紋，稱為“白點”。^[3]

4制造工藝

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。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鋼板、鋼帶、鋼條和各種斷面形狀的型鋼。碳鋼一般在熱軋狀態下直接使用。當用於制造工具和各種機器零件時，則需要根據使用要求進行熱處理；至於鑄鋼件，絕大多數都要進行熱處理。

5化學影響

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。