《金属学与热处理》第六章 碳素钢

第六章碳素钢6.1杂质元素对钢性能的影响6.2碳素钢的分类6.3碳素钢的牌号及用途6.1杂质元素对钢性能的影响

一、锰的影响锰是炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢中的杂质元素。锰具有一定的脱氧能力，能把钢中的Fe0还原成铁，改善钢的质量。脱氧后残留在钢中的锰大部分可溶于铁素体中，形成置换固溶体，使钢的强度和硬度提高。此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。所以锰也是钢中的有益元素。钢中锰的含量一般为0.25%~0.80%。

二、硫的影响硫是在炼钢时由矿石和燃料带人钢中的有害元素，它在钢中与铁生成化合物FeS。FeS与铁形成共晶体(Fe+FeS)，其熔点较低(985℃)，当钢材加热到1000℃~1200℃进行轧制或锻造时，沿晶界分布的Fe+FeS共晶体已经熔化，各晶粒间的连接被破坏，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。下一页返回6.1杂质元素对钢性能的影响因此，钢的含硫量不得超过0.05%。钢中加人锰，可消除硫的有害影响。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MnS。MnS的熔点高(1620℃)，在钢材轧制时不熔化，故能有效地避免钢的热脆性。因此钢中锰、硫含量常有固定比。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，容易使焊缝产生热裂，产生气孔和疏松。

三、硅的影响硅是炼钢后期以硅铁作脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。硅的脱氧作用比锰要强，可以防止形成Fe0，改善钢的质量。硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体，可提高钢的强度、硬度和弹性，但会降低钢的塑性和韧性。总的来说，硅是钢中的有益元素。由于其含量小，故其强化作用不大。钢中的硅，在碳素镇静钢中一般控制在0.17%~0.37%。

上一页下一页返回6.1杂质元素对钢性能的影响四、磷的影响磷是由生铁带人的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体，部分在结晶时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，产生低温脆性，这种现象称为冷脆。一般钢中含磷量达到0.10%时，冷脆性就很严重了。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部地方发生冷脆。一般钢中含磷量限制在0.04%以下，应严格控制磷的含量。但在易切削钢中，常适当地提高磷的含量，以增加钢的脆性，有利于在切削时形成断裂切屑，从而提高切削效率和延长刀具寿命。这种易切削钢主要用于在自动机床上加工生产量大、受力不大的零件。此外，钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性。上一页下一页返回6.1杂质元素对钢性能的影响五、非金属夹杂物的影响在炼钢过程中，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。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。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。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。此外，钢在整个冶炼过程中，与空气接触，因而钢液中会吸收一些气体，如氮、氧、氢等。这些气体对钢的质量会产生不良的影响。尤其是氢对钢的危害很大，它使钢变脆(称氢脆)，也可使钢产生微裂纹(称白点)，严重影响钢的力学性能，使钢容易产生脆断。上一页返回6.2碳素钢的分类

碳素钢的分类方法很多，常用的分类方法有以下几种。一、按钢的含碳量分类

.低碳钢:w(C)≤0.25%;.中碳钢;0.25%<w(C)<0.60%;.高碳钢:w(C)≥0.60%。二、按钢的质量分类根据钢中有害元素硫、磷含量多少可分为:.普通钢:w(S)≤0.050%，w(P)≤0.045%;.优质钢:w(S)≤0.035%，w(P)≤0.035%;.高级优质钢:w(S)≤0.025%，w(P)≤0.025%o三、按钢的用途分类

.结构钢:主要用于制造各种机械零件和工程构件，其含破量一般小于0.70%;下一页返回6.2碳素钢的分类

.工具钢:主要用于制造各种刀具、模具和量具等，其含破量一般大于0.70%。四、按冶炼时脱氧程度的不同分类

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。上一页返回6.3碳素钢的牌号及用途

碳素钢的牌号采用化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字相结合的方法来表示。稀土元素用RE表示。

一、碳素结构钢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4个部分按顺序组成。质量等级符号用字母A,B,C,D表示，其中A级的硫，其磷含量最高，D级的硫，其磷含量最低。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Q235一A·F，为屈服点为235MPa的A级沸腾钢。碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能如表6-1所示。

碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大，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。下一页返回6.3碳素钢的牌号及用途碳素结构钢通常轧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)，用于厂房、桥梁、船舶等建筑结构或一些受力不大的机械零件(如铆钉、螺钉、螺母等)。

二、优质碳素结构钢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。优质碳素结构钢根据钢中含锰量的不同，分为普通含锰量钢[(w(Mn)=0.35%~0.80%]和较高含锰量钢[w(Mn)=0.7%~1.2%]两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn"。例如50Mn。若为沸腾钢或为了适应各种专门用途的某些专用钢，则在牌号后面标出规定的符号，例如lOF指平均含碳量为0.10%的优质碳素结构钢，沸腾钢;20g指平均含碳量为0.20%的优质碳素结构钢，锅炉用钢。上一页下一页返回6.3碳素钢的牌号及用途

优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表6-2。

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，常用来制造重要的机械零件，使用前一般都要经过热处理来改善力学性能。

三、碳素工具钢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。碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途如表6-3所示。

碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.70%以上，都是优质钢或高级优质钢。上一页下一页返回6.3碳素钢的牌号及用途

各种牌号的碳素工具钢经淬火后的硬度相差不大，但是随着含碳量的增加，未溶的二次渗碳体增多，钢的耐磨性增加，韧性降低。因此，不同牌号的工具钢用于制造不同使用要求的各类工具。T7,T8一般用于要求韧性稍高的工具，如冲头、契子、简单模具、木工工具等;T10用于要求中等韧性、高硬度的工具，如手用锯条、丝锥、板牙等，也可用作要求不高的模具;T12具有高的硬度和耐磨性，但韧性低，用于制造量具、锉刀、钻头、刮刀等。高级优质碳素工具钢由于含杂质和非金属夹杂物少，适于制造重要的要求较高的工具。

四、铸造碳钢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点，第二组数字代表抗拉强度值。如ZG270-500表示屈服点不小于270MPa、抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢。铸造碳钢的含碳量一般在0.20%~0.60%，如果含碳量过高，则塑性变差，而且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能如表6-4所示。上一页下一页返回6.3碳素钢的牌号及用途

铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件。这些零件形状复杂，很难用锻造或机械加工的方法制造，又由于力学性能要求较高，不能用铸铁来铸造。铸造碳钢广泛用于制造重型机械的某些零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。不同牌号的铸造碳钢用于不同使用要求的零件。ZG200-400有良好的塑性、韧性和焊接性，用于受力不大、要求具有一定韧性的零件，如机座、变速箱体等;ZG230-450有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性良好，切削性能尚可，用于受力不大、要求具有一定韧性的零件，如砧座、轴承盖、外壳、阀体、底板等;ZG270-500有较高强度和较好塑性，铸造性能良好，焊接性较差，切削性能良好，是用途较广的铸造碳钢，用作轧钢机机架、连杆、箱体、缸体、曲轴、轴承座等;ZG310-570强度和切削性能良好，塑性、韧性较差，用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等;ZG340-640有高的强度、硬度和耐磨性，切削性能中等，焊接性差，裂纹敏感性大，用做作齿轮、棘轮等。上一页下一页返回6.3碳素钢的牌号及用途

五、易切削结构钢易切削结构钢的钢号以“Y'，后面加数字来表示的，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。易切削结构钢是钢中加人一种或几种元素，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人的元素是: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、花键轴等热处理零件。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。例如，为了提高可加工性，钢中加人硫(0.18%~0.30%)，同时加人锰(0.6%~1.55%)，使钢内形成大量的MnS夹杂物。在切削时，这些夹杂物可起断屑作用，从而减少动力损耗。上一页下一页返回6.3碳素钢的牌号及用途另外，硫化物在切削过程中还有一定的润滑作用，可以减小刀具与工件表面的摩擦，延长刀具的使用寿命。适当提高磷的含量，可以使铁素体脆化，也能提高钢材的切削性能。部分易切削结构钢的钢号、化学成分和力学性能见表6-5。

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。此外，还用于制造炮弹的弹头、炸弹壳等，使之在爆炸时碎裂成更多的弹片