第第5章章 碳素钢碳素钢n知识目标：知识目标：n了解钢中杂质元素对钢性能的影响n掌握碳素钢常用的分类方法n技能目标：技能目标：n掌握碳素钢牌号的表示方法n根据用途正确选用碳素钢牌号 碳素钢，简称碳钢。是指含碳量大于0.0218%，小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金。 碳素钢冶炼容易，价格便宜，工艺性能好，力学性能可满足一般工程构件、普通机械零件和工具的使用要求，故在机械制造、建筑、交通运输等许多行业中得到广泛的应用。 生铁的冶炼钢的冶炼5.2 5.2 碳素钢的分类碳素钢的分类5.1 5.1 钢中杂质元素对碳素钢性能的影响钢中杂质元素对碳素钢性能的影响5.3 5.3 碳素钢的牌号、性能及用碳素钢的牌号、性能及用途途第第5章章 碳素钢碳素钢5.1 钢中杂质元素对碳素钢性能的影响钢中杂质元素对碳素钢性能的影响n5.1.1 硅（Si）硅是钢中的有益元素n5.1.2 锰（Mn）锰是钢中的有益元素 n5.1.3 硫（S）硫是钢中的有害元素 n5.1.4 磷（P）磷是钢中的有害元素 n5.1.5 非金属夹杂物 降低钢的力学性能 n5.1.6 氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成严重危害 5.1.1 硅（Si）硅是钢中的有益元素n 硅来源于炼钢时使用的生铁和硅铁脱氧剂。 硅具有较强脱氧作用，可有效地清除FeO，改善钢的质量；大部分硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体并使之强化，从而提高钢了的强度、硬度和弹性，但降低钢的塑性和韧性；n总的来说，硅可以提高钢了的强度、硬度和弹性，是钢中的有益元素。n钢中的含硅量通常控制在0.5%，在碳素镇静钢中一般控制在0.17%0.37%之间。 5.1.2 锰（Mn）n锰是钢中的有益元素。n锰是炼钢时由生铁和锰铁脱氧剂带入而残留在钢中的杂质元素。锰具有较好的脱氧能力，能清除钢中的FeO，把钢中的FeO还原成铁，降低钢的脆性，改善钢的质量；锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害，改善钢的热加工性能。锰与FeO、硫的反应产物大部分进入炉渣被除去，而小部分残留在钢中形成非金属夹杂物。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化，其余部分的锰溶于Fe3C形成合金渗碳体。锰能使钢中珠光体的相对量增加并使之细化，从而使钢的强度和硬度提高。因此，一般认为锰适量时，锰是一种有益元素。n钢中锰的含量一般为0.25%0.80%之间。5.1.3 硫（S）n硫是钢中的有害元素。n硫是在炼钢时由生铁和燃料带入钢中的杂质元素，在固态下，硫在铁中的溶解度极小，主要以化合物FeS的形式存在于钢中。FeS能与铁形成低熔点共晶体（Fe+FeS），其熔点约为985，并分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到10001200进行轧制或锻造等热加工时，晶界上的Fe+FeS共晶体已熔化，晶粒间结合被破坏，导致钢材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。5.1.3 硫（S）n硫不仅使钢产生热脆性，而且还会降低钢的强度和韧性。适当增加钢中锰的含量，可减轻硫的有害作用，因为硫和锰的亲和力较硫和铁的亲和力强，锰能从FeS中夺走硫而形成高熔点的MnS（熔点1620），MnS呈粒状分布在奥氏体晶粒内，它在高温下不熔化且具有一定塑性，在钢材轧制时，故能有效地避免钢的热脆性。因此钢中锰、硫含量常有定比。MnS是非金属夹杂物，在轧制时会形成热加工纤维，使使钢的性能具有方向性。但在易切削钢中，可适当提高硫的含量，其目的在于提高钢材的可加工性。此外，硫对钢的焊接性有不良的影响，容易导致焊缝产生热裂，产生气孔和疏松。n通常情况下硫是有害杂质元素，应严格控制其含量，一般不超过0.05%。5.1.4磷（P）n磷是由生铁带入的有害元素。磷能溶解于铁素体中形成固溶体，使铁素体强化，钢的强度、硬度有所提高。但是，在结晶时磷也可形成脆性很大的化合物（Fe3P），使钢在室温下（一般为100以下）的塑性和韧性急剧下降，这种脆化现象在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部地方发生冷脆。因此，磷是一种有害杂质元素，应严格控制它的含量，一般钢中含磷量0.04%。n钢中的硫和磷是有害元素，应严格控制它们的含量。但是，在易切削钢中，常适当地提高硫、磷的含量，以增加钢的脆性，有利于在切削时形成断裂切屑，改善钢的切削加工性能，从而提高切削效率和延长刀具寿命。此外，钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性。 5.1.5非金属夹杂物n 在炼钢过程中，由于少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物可能进入钢液中，从而在钢中形成非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。n 严重时还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹，或使用时造成钢突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使钢材具有各向异性。n 严重时横向塑性仅为纵向的一半，并使钢的冲击韧度大为降低。n 因此，对重要用途的钢，如弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢等，需要检查非金属夹杂物的数量、形状、大小与分布情况，并按相应的等级标准进行评定。5.1.6氮、氧、氢n氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成严重危害。氮存在于钢中，会导致钢硬度和强度的提高而塑性和韧性降低，使钢产生时效而变脆。n氧存在于钢中，会使钢的强度和塑性降低，特别是氧化物（Fe3O4，FeO，MnO，SiO2和Al2O3）等夹杂存在于钢中，加剧了钢的热脆现象，降低了钢的疲劳强度，因此，氧是有害杂质元素。n微量的氢在钢中会使钢的塑性剧烈下降，出现“氢脆”，造成局部显微裂纹（在显微镜下可观察到白色圆痕），称“白点”。它是一种使钢产生突然断裂的根源。减少钢中含氢量的最有效方法是在炼钢时对钢进行真空处理。n总之，钢中的气体元素一般都是有害的，对钢的性能和质量影响很大，因此，必须严格控制其含量。5.2 碳素钢的分类碳素钢的分类n5.2.1 按钢的含碳量分类n5.2.2 按钢的质量分类n5.2.3 按钢的用途分类n5.2.4 按冶炼时脱氧程度的不同分类5.2.1 按钢的含碳量分类n1.低碳钢：C0.25%n2.中碳钢：C0.25%0.60%n3.高碳钢：C0.60%5.2.2 按钢的质量分类根据钢中有害元素硫、磷含量多少可分为：n1.普通钢 S0.050%，P0.045%n2.优质钢 S0.035%，P0.035%n3.高级优质钢 S0.025%，P0.025%n4.特级优质钢 S0.015%，P0.025%5.2.3 按钢的用途分类n1碳素结构钢 用于制造各种机械零件和工程构件，多为低碳钢和中碳钢。C0.70%。n2碳素工具钢 用于制造各种刀具、模具和量具等，多为高碳钢且为优质钢或高级优质钢。C0.70%。n3. 铸造碳钢 制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件。C=0.2%0.6% 。5.2.4 按冶炼时脱氧程度的不同分类n1沸腾钢：脱氧程度不完全的钢，浇注时产生沸腾现象。其特点是材料利用率高，成本低，组织不致密，力学性能较低。n2镇静钢：脱氧程度完全的钢，浇注时钢液镇静，没有沸腾现象。其特点是组织致密，力学性能较高，质量均匀，但成本较高，材料利用率低。n3半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢，生产过程较难控制，故使用量不大。n4特殊镇静钢：采用特殊脱氧工艺冶炼的脱氧完全的钢，其脱氧程度、质量及性能比镇静钢高。5.3 碳素钢的牌号、性能及用途碳素钢的牌号、性能及用途n5.3.1 碳素结构钢 n5.3.2 优质碳素结构钢 n5.3.3 碳素工具钢 n5.3.4 铸造碳钢 n5.3.5 易切削结构钢 5.3.1 碳素结构钢（GB/T700-2006） 1.成分、性能特点及用途 碳素结构钢含碳量在0.06%0.38%之间，其中有害元素和非金属夹杂物较多，按质量等级分为A、B、C和D四级。这类钢强度和硬度不高，但冶炼容易，价格便宜，产量大，且具有良好的塑性和焊接性，在性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用普遍。碳素结构钢通常以热轧空冷状态供应，制成钢板和各种型材（圆钢、方钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢筋等），适用于一般工程结构、桥梁、船舶和厂房等建筑结构或一些受力不大的机械零件（如螺钉、螺母、铆钉等）。圆钢方钢扁钢角钢槽钢工字钢钢筋 5.3.1 碳素结构钢（GB/T700-2006） 2.碳素结构钢的牌号 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。质量等级按硫、磷含量的多少分为A、B、C、D四级，其中A级的硫、磷含量最高，D级的硫、磷含量最低。脱氧方法符号用F、b、Z、TZ表示，F是沸腾钢；b是半镇静钢；Z是镇静钢；TZ是特殊镇静钢。Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。例如Q235-AF，为屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。 牌号牌号等等级级化化 学学 成成 分分 /%脱氧脱氧程度程度力力 学学 性性 能能相当于相当于GB700-79的牌号的牌号应用举例应用举例CMnSiSPReL/MPaRm/MPaA/%不大于不大于Q1950.060.120.250.500.300.0500.045F, ,b, ,Z19531539033A1B1 用于制作开口销、铆钉、垫片及载荷较小的冲压件等Q215A0.090.150.250. 550.300.0500.045F, ,b, ,Z21533545031A2B0.045B2Q235A0.140.220.300.650.0350.0500.045F, ,b, ,Z23537546026A3 用于制作后桥壳盖、内燃机支架、制动器底板、发电机机架、曲轴前挡油盘等B0.120.200.300.700.045C3C0.180.350.800.0400.040Z, ,TZD0.170.035Q255A0.180.280.400.700.300.0500.045Z25541055024A4 用于制作拉杆、心轴、转轴、小齿轮、销、键等B0.045C4Q2750.280.380.500.800.350.0500.045Z27549063020C5表51 碳素钢结构的牌号、化学成分、力学性能与应用5.3.2 优质碳素结构钢（GB/T699-2008 ） 1.成分及性能特点 优质碳素结构钢的化学成分和力学性能均有较严格的控制，硫、磷含量均少于0.035%，有害元素含量少，根据钢中含锰量的不同，分为普通含锰量钢（Mn0.25%0.80%）和较高含锰量钢（Mn0.7%1.2%）两组。这类钢是一种应用极为广泛的机械制造用钢，经热处理后具有良好的综合力学性能。 5.3.2 优质碳素结构钢（GB/T699-2008 ） 2.优质碳素结构钢的用途 优质碳素结构钢是按化学成分和力学性能供应的，钢中所含硫、磷及非金属夹杂物量较少，常用来制造各种重要的机械零件，如轴类、齿轮、弹簧等零件。使用前一般都要经过热处理来改善力学性能。5.3.2 优质碳素结构钢（GB/T699-2008 ）n3牌号与应用牌号与应用 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数，例如45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢；08表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号Mn（或汉字“锰”）。例如20Mn（20锰），65Mn（65锰）等。n优质碳素结构钢一般为镇静钢，但某些含碳量较低的钢也有沸腾钢，若为沸腾钢则在牌号后面加符号F（或汉字“沸”），例如10F（或10沸），表示平均含碳量为0.10%的优质碳素结构钢，沸腾钢。 表52 优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能 牌号化学成分/%力学性能ReLRmAZKHBSCSiMnMPa%J/cm2热轧钢退火钢不小于不大于08F0810F1015F15202530354045505560657075808515Mn20Mn25Mn30Mn35Mn40Mn45Mn50Mn60Mn65Mn70Mn0.050.110.050.120.070.140.070.140.120.190.120.190.170.240.220.300.270.350.320.400.370.450.420.500.470.550.520.600.570.650.620.700.670.750.720.800.770.850.820.900.120.190.170.240.220.300.270.350.320.400.370.450.420.500.480.560.570.650.620.700.670.750.030.170.370.070.170.370.070.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.170.370.250.500.350.650.250.500.350.650.250.500.350.650.350.650.500.800.500.800.500.800.500.800.500.800.500.850.500.800.500.800.500.800.500.800.500.800.500.800.500.800.701.000.701.000.701.000.701.000.701.000.701.000.701.000.701.000.701.000.901.200.901.20175195185205205225245275295315335355375380400410420880930980245275295315335355375390410430450295325315335355375410450490530570600630546675695715108010801130410450490540560590620645695735785353333312927252321201916141312109766262422201917151311986060555555555550504545404035353030303030555050454545404035303088.378.568.758.84939.288.378.568.758.84939.21311311371371431431561701791872172412412552552552692852853021631972072172292292412552692852851871972072172292292292412412551871972072172172292292295.3.3 碳素工具钢（GB/T 1298-2008 ）n1.成分及性能特点 碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具等。要求具有较高的硬度、耐磨性和一定的韧性，故碳素工具钢含碳量在0.65%1.35%之间，而且都是优质钢或高级优质钢。此类钢的含碳量范围可保证淬火后有足够的硬度，虽然这类钢淬火后的硬度相近，但随着含碳量的增加，未溶渗碳体增多，使钢的耐磨性增加，而韧性下降，故不同牌号的这类钢其用途也不同。高级优质碳素工具钢淬裂倾向小，宜制造形状复杂的刀具。5.3.3 碳素工具钢 2.热处理特点及用途 预备热处理：碳素工具钢在锻造、轧制后进行的预备热处理为球化退火，目的是降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火作组织准备。最终热处理：淬火+低温回火。淬火温度约为780，回火温度约为180，组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。 碳素工具钢的缺点是淬透性差、热硬性低，温度达200后硬度明显降低，失去切削能力；此外，该类钢淬火加热易过热，导致钢的强度、塑性和韧性降低。因此，该类钢仅用了制造截面较小、形状简单、切削速度较低的刀具和不太重要的模具、量具等。5.3.3 碳素工具钢 3.牌号与应用 碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”及后面的阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳量的千分数，例如T8表示平均含碳量为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母A，如T12A表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。若为含锰量较高的碳素工具钢，则在牌号后面标以符号Mn（或汉字锰），如T8Mn。表5-3 常用碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和应用牌号化 学 成 分 /%硬 度应 用 举 例CMnSi供应状态HB（不大于）淬火后HRC（不小于）T7T7A0.650.740.400.3518762承受冲击载荷，韧性较好、硬度适当的工具，如扁铲、錾子、手钳、大锤、木工工具、旋具、冲头、压缩空气工具、钻头、模具等T8T8 A0.750.84T8MnT8Mn A0.800.900.400.60承受冲击载荷，较高硬度的工具，如冲头、压缩空气工具、木工工具等，淬透性较大，可制造较大断面的工具T9 T9 A0.850.940.40192承受中等冲击载荷，韧性中等、硬度较高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具、车刀、刨刀、丝锥、板牙、手工锯条、卡尺等T10 T10 A0.951.04197T11 T11 A1.051.14207T12 T12 A1.151.24不受冲击载荷、要求高硬度的工具和耐磨机件，如钻头、锉刀、丝锥、刮刀、精车刀、量具等T13 T13 A1.251.35217注：淬火后硬度不是指应用举例中各种工具的硬度，而是指碳素工具材料在淬火后的最低硬度。 5.3.3 碳素工具钢（GB/T 1298-2008 ）扁铲、锉刀、丝锥、板牙、卡尺5.3.4 铸造碳钢（GB/T11352-2009 ）n 1.成分及性能特点 铸造碳钢是将钢水直接浇注成零件毛坯的碳钢，其含碳量一般在0.20%0.60%之间，如果含碳量过高，则塑性变差，铸造时易产生裂纹。铸造碳钢具有良好的力学性能和较好的焊接性能，但其铸造性能并不理想，铸钢件偏析严重，内应力大。因此，铸钢件应在铸造工艺采取适当措施，并需要通过热处理来改善其组织和性能。n 2.牌号与应用 铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成：第一组数字代表屈服强度，第二组数字代表抗拉强度值。如ZG270500表示屈服强度不小于270MPa，抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢。 表5-4 铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能牌号化 学 成 分 /%室 温 力 学 性 能CSiMnPSReL/MPaRm/MPaA/%Z/%K/J/cm2不 大 于不 小 于ZG2004000.200.500.800.04200400254060ZG2304500.300.90230450223245ZG2705000.40270500182535ZG3105700.500.60310570152130ZG3406400.60340640121820铸钢件5.3.5 易切削结构钢（GB/T 8731-2008 ）n1.成分及性能特点 易切削结构钢是钢中加入一种或几种元素，利用其本身或与其他元素形成一种对切削加工有利的夹杂物，来改善钢材的可加工性。目前在易切削结构钢中常加入的元素是：硫（S）、磷（P）、铅（Pb）、钙（Ca）、硒（Se）、碲（Te）等。易切削结构钢适合在自动机床上进行高速切削制作通用机械零件，如Y45钢适合于高速切削加工，与45钢相比，生产效率提高一倍以上，节省工时，用来制造齿轮轴、花键轴等零件。这种钢材不仅应保证在高速切削条件下工件对刀具的磨损要小，而且还要求零件切削后其表面的粗糙度值要小。5.3.5 易切削结构钢n2.牌号与应用 易切削结构钢的钢号以“Y+数字”表示，Y是“易”字汉语拼音首位字母，数字为钢中平均含碳量的万分之几，如Y12钢表示其平均含碳量为0.12%；锰的含量较高的易切削结构钢，应在钢号后附加Mn，如Y40Mn钢等。n目前，易切削结构钢主要用于制造受力较小、不太重要的大批生产的标准件，如螺钉、螺母、垫圈、垫片，缝纫机、计算机和仪表零件等。 金属切削加工表表5-5 部分易切削结构钢的钢号、化学成分和力学性能部分易切削结构钢的钢号、化学成分和力学性能钢号化 学 成 分 （%）力 学 性 能（热轧状态）CMnSPRm/MPaA/%Y120.080.160.701.000.100.200.080.1539054022Y200.170.250.080.150.0645060020Y300.270.3551065515Y350.320.4051065514Y40Mn0.370.451.201.550.200.300.0553973514本章小结：n钢中杂质元素对碳素钢性能的影响钢中杂质元素对碳素钢性能的影响 硅（Si）、锰（Mn）是钢中的有益元素，硫（S）、磷（P）是钢中的有害元素 。 非金属夹杂物降低钢的力学性能， 氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成严重危害。n碳素钢的分类碳素钢的分类 按钢的含碳量分类、 按钢的质量分类、 按钢的用途分类、 按冶炼时脱氧程度的不同分类。n碳素钢的牌号、性能及用途碳素钢的牌号、性能及用途 碳素结构钢、 优质碳素结构钢、 碳素工具钢 、 铸造碳钢、 易切削结构钢。