铁碳合金相图详解

第三章铁碳合金相图

非合金钢［（GB/T13304-91）,将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类］和铸铁

是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合

金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。木章将着重讨论铁碳

相图及其应用方面的一些问题。

铁与碳可以形成一系列化合物：Fe,C、F%C、FeC等。FeQ的含碳量为6.69%,铁

碳合金含碳量超过6.69%,脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是

尼-相图。相图的两个组元是反和

3.1Fe-Fe3c系合金的组元与基本相

3.I.I组元

⑴纯铁民是过渡族元素，1个大气压下的烙点为1538℃,20℃时的密度为

7.87xl02g/〃J。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：

（＞-Fe（体心）F孰Jy-Fe（面心）J2tfa_Fe（体心）

工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度%=180〜230,屈服强度。。2=10°〜

170MB7,伸长率45=30〜50%,硬度为50〜80"8S。

可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好、很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为

电工材料用于各种铁芯。

（2）Fe,C是铁和碳形成的间隙化合物，晶体垢构十分复杂，通常称渗碳体，可用

符号表示。产具有很高的硬度但很脆，硬度约为950〜1050"V,抗拉强度

=30MPa,伸长率3=0。

3.1.2基本相

产e-Fe,。相图中除了高温时存在的液相L,和化合物相尸e,C外，还有碳溶于铁形成的

几种间隙固溶体相：

⑴高温铁素体碳溶于s-用的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号3表示。

⑵铁素体碳溶于a-用的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号。或尸表示。尸中碳的

固溶度极小，室温时约为0.0008%,600C时约为0.0057%,在727c时溶碳量最大,约为

0.0218%,但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁

相当。

⑶奥氏体碳溶于/一用的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号/或A表示。奥氏体中

碳的固溶度较大，在1148c时最大达2.11%。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。

3.2尸e-Fe3c相图

3.2.1凡-与《相图中各点的温度、含碳■及含义

民-&相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。

图3.1及表3.I中代表符号属通用，一般不随意改变。

100

o

Fe

C,%(重量)一

图3.1Fe~3c相图

表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义

符号温度（C）含碳量［%（质量）］含义

A15380纯铁的熔点

B11950.53包晶传变时液态合金的成分

C11484.30共品点

D12276.69Fe£的熔点

E11482.11碳在丫-Fe中的最大溶解度

F1148出69Fe3c的成分

G9120a-I'e-Y同素异构转变点

H14950.09碳在6-F。中的最大溶解度

J11950.17包品点

K7276.69Fe3c的成分

N13940Y-Fe—6-Fe同素异构转变点

P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度

S7270.77共析点

Q6000.0057600c（或空温）时碳在a-隆中的最大溶解度

（室温）(0.0008)

3.2.2r-与。相图中重要的点和线

3.2.2.1三个重要的特性点

⑴./点为包晶点合金在平器结晶过程中冷却到1495c时0A点成分的/，与H点成分

的5发生包晶反应，生成，点成型勺A。包晶反应在恒温下。进行，反应过程中L、3、A三

相共存，反应式为：LB+5〃」侬-A」或几3+2舱A1,17o

（2）。点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148c时。。点成分的L发生共晶反

应，生成七点成分的A和血C。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L、A、&C三相共

存，反应式为：Lc*tr4+FqC或T48tr+Fe、C。

共晶反应的产物是A与"e0的共晶混合物，称莱氏体，用符号口表示，所以共晶反应

式也可表达为：以心-LQo

莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜卜莱氏体的形态是块状或粒状A

（727。。时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。

（3）S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727C时S点成分的A发生共析反应，

生成P点成分的厂和共析反应在恒温下进行，反应过程中A、F、氏eC三相共存，

反应式为：人筌建—乙+良。或人力筌建—工如+好夕

共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号P表示，因而共析

反应可简单表示为：A,,小占儿,

尸中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下p的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可

清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁索体片（宽条）。

尸的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：

抗拉强度（?）770MPa延伸率（3）20〜35%

冲击韧性（见）30〜40〃。/硬度（H8）180kgf/mm2

3.2.2.2相图中的特性线

相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。

⑴水平线为包晶反应线。碳含量0.09〜0.53%的铁碳含金在平衡结晶过程中均发

生包晶反应。⑵水平线改尸为共晶反应线。碳含量在2.H〜6.69%之间的铁碳合金，在平

衡结晶过程中均发生共晶反应。⑶水平线尸SK为共析反应线。碳含量0.0218〜6.69%之间

的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。RS'K线在热处理中亦称4线。⑷GS线是

合金冷却时自A中开始析出产的临界温度线，通常称七线。（5）小线是碳在A中的固溶线,

通常称A”线。由于在1148c时A中溶碳量最大可达2.11%,而在727℃时仅为0.77%,

因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727C的过程中，将从A中析出无：。。

析出的渗碳体称为二次渗碳体（所。〃）。线亦是从A中开始析出土C〃的临界温度线。

⑹0Q线是碳在尸中的固溶线。在727℃时尸中溶碳量最大可达0.0218%,室温时仅为

0.0008%,因此碳含量大于（）.（）008%的铁碳合金自727C冷至室温的过程中，将从产中析

出Fe.C。析出的渗碳体称为三次渗碳体（PQ线亦为从F中开始析出汽川的临

界温度线。

FqC〃数量极少，往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出

过程。

3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程

根据Fe-住C相图，铁碳含金可分为三类:

(1)工业纯铁(CS0.0218%)

'亚关析钢(0.0218%(C(0.77%)

(2)钢(0.0218%(C42.11期共析榆(C=O.77财

［过共析纲(0.77<CS；2.11)

‘亚共晶白口铸铁（2.3%）

（3）白口铸铁（2.11%<C<6.69就共晶白口铸铁（C=4.3%）

过共晶白口铸铁（4.3%<C<6.69%）

下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。

3.3.1工业纯铁

以含碳0.01%的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。

合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时，开始从L中结晶出6,至2点合金全

部结晶为3。从3点起，5逐渐转变为4,至4点全部转变完了。4-5点间A冷却不变。自

5点始，从4中析出尸。尸在A晶界处生核并长大，至6点时A全部转变为尸。在6-7点

间产冷却不变。在7-8点间，从F晶界析出Fe.C,„。因此合金的室温平衡组织为F+FqC,”。

1—

,呈小白片状分布于产晶界处。若忽略Fe.C,,,,则组织全为Fo

图12工业纯铁结晶过程示意图

3.3.2共析钢

其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。

合金冷却时，于1点起从L中结晶出A,至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变。至

3点时，A发生共析反应生成P。从3'继续冷却至4点，。皆不发生转变。因此共析钢的

室温平衡组织全部为尸，尸呈层片状。

共析钢的室温组织组成物也全部是尸，而组成相为尸和尸e。，它们的相对质量为：

F%=-Ux100%=88%;FeC%=l—/％=12%

6.693

0.77ZC

A

N

G

/F+Fe£|

J___11

Q时间_

图3.3共析钢结晶过程小意图

3.3.3亚共析钢

以含碳0.4%的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示.

合金冷却时，从1点起自L中结晶出3,至2点时，L成分变为0.53%C,6变为0.09%

C,发生包晶反应生成47,反应结束后尚有多余的八2'点以下，自L中不断结晶出A,

至3点合金全部转变为A。在3-4点间A冷却不变。从4点起，冷却时由A中析出尸，尸在

A晶界处优先生核并长大，而A和尸的成分分别沿GS和G尸线变化。至5点时，A的成分

变为().77%C,产的成分变为0.0218%C。此时A发刍共析反应，转变为P,/不变化。

从5'继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为"+P。/呈白色块状:

夕呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于D.6%的亚共析钢，室温平衡组织中

的尸常呈白色网状，包围在P周围。

0.4ZC

+(5

L+5-A

1以上卜二三-N

L+A

3

A

A+F

A+F

A73-4

5F

「+P

F+Fe£

6

—5,-6

时间一

图3.4亚共析钢结晶过程示意图

含0.4%。的亚共析钢的组织组成物（尸和夕）的相对质量为:

04—002

P%=---------x100%=51%；F%=1-51%=49%

0.77-0.02

组成相（F和FeyC）的相对质量为:

6.69-0.4

尸％=x100%=94%;FeC%=1-94%=6%

6.69y

由于室温下F的含碳量极微,若将F中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在P中,

所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据尸的含量可求出钢的含碳量为:

C%=P%xO.77%o由于户和歹的密度相近，钢中。和厂的含量（质量百分数）可以近似

用对应的面枳百分数来估算。

图3.5过共析钢结晶过程示意图

3.3.4过共析钢

以碳含量为1.2%的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。

合金冷却时，从1点起自L中结晶出A,至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变,

从3点起，由A中析出生及。〃呈网状分布在A晶界上。至4点时A的碳含量降为

0.77%,4-4"发生共析反应转变为尸，而FqC〃不变化。在4，-5点间冷却时组织不发生

转变。因此室温平衡组织为尸eQ〃+尸。在显微镜下，尸。《“呈网状分布在层片状P周围。

含1.2%C的过共析钢的组成相为F和FeyC；组织组成物为Fe£,和P,它们的相对质

IO-O77

量为：Fe,C„%='•一'—x100%=7%;P%=1-7%=93%

3"6.69-0.77

3.3.5共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。

图3.6共晶白口铸铁结晶过程示意图

合金在1点发生共晶反应，由L转变为（高温）莱氏体Le（A+广qC）。在1'-2点间，

Le中的A不断析出此C〃。FeC〃与共晶厂qC无界线相连，在显微镜下无法分辨，但此时

的莱氏体由A+尸qC〃+FeC组成。由于此夕〃的析出，至2点时A的碳含量降为0.77%,

并发生共析反应转变为P；高温莱氏体Le转变成低温莱氏体Le'（P+尸6。〃+与］）。从

2'至3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为上屋，由黑色条状或粒状尸和白色人•。基

体组成（见图3.12）o

共晶白口铸铁的组织组成物全为小'，而组成相还是F和尸e。，它们的相对重量可用

杠杆定律求出。

3.3.6亚共晶白口铸铁

以碳含量为3%的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如图3.7所示。

Le

时间一

图3.7亚共品白口铸铁结晶过程示意图

合金自1点起，从L中结晶出初生A,至2点时L的成分变为含4.3%C（A的成分变

为含2.11%）,发生共晶反应转变为Le,而4不参与反应。在2'-3点间继续冷却时，初

生4不断在其外围或晶界上析出尸eC〃，同时Le中的A也析出产eC〃。至3点温度时，所

有A的成分均变为0.77%,初生4发生共析反应转变为P；高温莱氏体心也转变为低温莱

氏体。在3'以下到4点，冷却不引起转变。因此室温平衡组织为尸+后夕〃+£/。

网状用。〃分布在粗大块）犬尸的周围，Lef则由条状或粒状P和尸基体组成。

亚共晶向口铸铁的组成相为厂和林夕。组织组成物为尸、Fe、Clt、和Le'。它们的相

对质量可以两次利用杠杆定律求出。

先求合金钢冷却到2点温度时初生儿”和%的相对质量：

A3—3

A,“％=--—―x100%=59%;L.%=1-59%=41%

4.3-2.1143

心心通过共晶反应全部转变为Le，并随后转变为低温莱氏体Le',所以Le'%=Le%

=L4i%=41%o

再求3点温度时（共析转变前）由初生A”析出的及共析成分的4”的相对质量:

2.11-0.776.69-2.11

星c%=X59%=13%；4%=x59%=46%o

6.69-0.77776.69-0.77

由于A,”发生共析反应转变为。，所以P的相对质量就是46%。

3.3.7过共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的区别是：其先析出相是

一次渗碳体（尸6（,）而不是A,而且因为没有先析出A,进而其室温组织中除Le'中的尸

以外再没有尸，即室温下组织为Le'+Fe.C,,组成相也同样为/和F/C,它们的质量分

数的计算仍然用杠杆定律，方法同上。

3.4含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系

3.4.1按组织划分的Fe-Fe3c相图

由抡-FeC相图，可知铁碳合金室温平衡组织都由尸和尸qC两相组成，随含碳量增高,

厂含量下降，由100%按直线关系变至0（含6.69%。时）；尸e5含量相应增加，由0按直

线关系变至100%（含6.69%。时）。改变含碳量，不仅引起组成相的质量分数变化，而且

产生不同结晶过程，从而导致组成相的形态、分布变化，也即改变了铁碳合金的组织。由图

3.8,可见随着含碳量增加，室温组织

变化如下：F（+F6>,C,„）-*F+P-*P

fP+Fe、C〃-*P+FeyC„+Le'-*

Le'Le'+Fe3cl。

组成相的相对含量及组织形态的

变化，会对铁碳合金性能产生很大影

响。

3.4.2碳钢的机械性能与碳

含■的关系

对图3.8进行分析，得知铁碳合金

的含碳量：小于0.0218%时组织全部

为F；等于0.77%时全部为P；等于

4.3%时全部为Le'；等于6.69%时

全部为此C：在它们之间的组织则为

相应组织的混合物。利用杠杆定律对

其质量分数计算可得如图3.9所示的

含碳量与组织（F、P、Fe.C„、Le'、

Fefi,）的数量关系。

硬度(主要决定于组织中组图3.8标注组

织分区的Fe-Fe：,C合金相图

成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响

相对较小。随碳含量的增加，由于硬度高的FqC增多，硬度低

的产减少，所以合金的硬度呈直线关系增大，由全部为尸的硬

度约8048增大到全部为飞。时的约800”8。

强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加，亚

共析钢中P增多而产减少。。的强度比较高，其大小与细密程

度有关。组织越细密，则强度值越高。尸的强度较低。所以亚

共析钢的强度随碳含量的增大而增大：但当碳含量超过共析成

分之后，由于强度很低的尸沿晶界析出，合金强度的增高

变慢；到约0.9%时，沿晶界形成完整的网，强度迅速降

低；随着碳含量的增加，强度不断下降，到2.11%后，合金中

出现Lc'时，强度已降到很低的值。再增加碳含量时，由于合

金基体都为脆性很高的尸qC，强度变化不大且值很低，趋近于FeC的强度(约20-

30MPa)<,图3.9含碳量与组织的关系

铁碳含金中尸qC是极脆的相，没有塑性，

不能为合金的塑性作出贡献，合金的塑性全部

由厂提供，所以随碳含晟的增大，产量不断减

少时，合金的塑性连续下降。到合金成为白口

铸铁时，塑性就降到近于零值了。见图3.10。

对于应用最广的结构材料亚共析钢，其硬

度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：图3.10性能随含碳量的变化

硬度(HB)七80x「r%+180xP%或(HB)80xF%+800xFe.C%；强度(。〃)七

230xF%+770xP0/0(MPa)；延伸率(6)250xf*%+20x式中的数字相应为产、P

或此口的近似硬度、强度和延伸率；符号相应表示组织中尸、P或尸qC的含量。

3.5"-与3c相图的应用和局限性

3.5.1屋-屋3。相图的应用

凡?一凡夕相图在生产中具有重大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺

的制订两个方面。

3.5.1.1在钢铁材料选用方面的应用

(1)&-用0相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材料选用提供了根据；

⑵建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材：⑶各种机械

零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢；⑷各种工具要用硬

度高和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种：⑸纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但

由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等；⑹白口铸铁硬度

高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐

磨、不受冲击、形状更杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辑'货车轮、犁锌、球磨机的磨球等。

3.5.1.2在铸造工艺方面的应用

根据代-构C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50〜1()0℃。

从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流

动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在

铸钢生产中，碳含量规定在0.15〜0.6%之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸

造性能较好。

3.5.1.3在热锻、热轧工艺方面的应用

钢处于马氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内法行。

一般始锻、始轧温度控制在固相线以下10（）〜200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力小,

节约能源，设备要求的吨位低，但温度不能过高，防止钢材严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。

终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂.亚共析钢热加工终止

温度多控制在GS线以上一点，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低。

过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。

终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也粗大。一般始锻温

度为1150~1250℃,终锻温度为750〜850℃。

3.5.1.4在热处理工艺方面的应用

用-EqC相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正

火、淬火的加热温度都是依据凡一良。相图确定的。这将在下一章中详细阐述。

3.5.2相图的局限性

我《一与,相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其下列局限性。

⑴正-凡夕相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成

分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。⑵氏-F'C相

图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往

往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大变化。严格说，在

这样的条件下铁碳相图己不适用。⑶&-尸eC相图反帙的是平衡条件下铁碳合金中相的状

态。相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。

就是说，相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当冷却和加热速

度较快时，常常不能用相图来分析问题。

3.6碳钢及其常存杂质

碳钢被广泛使用在工农业生产中。它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能

满足使用性能的要求C为了掌握碳钢的正确选择和合理使用、必须熟悉它的牌号和用途.

3.6.1碳钢中杂质元素

由于原料和冶炼工艺的原因，碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量Si、S、

P以及微量的气体元素。、H、N等非特意加入的杂质元素。Si和是炼钢时作为脱氧

剂（锦铁、硅铁）加入而残留在钢中的，其余的元素则是从原料或大气中带入钢中而冶炼时

不能清除尽的有害杂质。它们对钢的性能有一定影响。

3.6.1.1锌和硅的影响

Si、用〃加入钢中，可将钢液中的反。还原成FZ,并形成S/R和例〃还与钢液

中的S形成而大大减轻S的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留钢

中成为非金属夹杂。钢中含M〃量约为（）.25〜0.80%。钢中含非量约为0.03〜0.40%。

脱氧剂中的Si与M〃总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，产生固溶强化作用。

在含量不高（VI%）时，可以提高钢的强度，而不降低钢的塑性和韧性，--般认为Si、Mn

是钢中有益元素。

3.6.1.2其它杂质的影响

（DS的影响S在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为1190C的民S,FeS又与

7一用形成熔点更低的（985C）共晶体。即使钢中含S量不高，由于严重偏析，凝固快完

成时.，钢中的S几乎全部残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的（Fe+FeS）共晶。含

有硫化物共品的钢材进行热压力加工（加热温度•般在1150〜1250C之间），分布在晶界处

的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆,

如果钢水脱氧不良，含有较多的代O,还会形成（Fe^FeO^FeS｝三相共晶体，熔点更低

（940℃）,危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂；S也使焊件的婢缝处

易发生热裂。

（2）P的影响。在铁中固溶度较大，钢中的夕一般都固溶于铁中。P溶人铁素体后，有

较之其他元素更强的固溶强化能力，尤其是较高的含Q量，使钢显著提高强度、硬度的同时，

剧烈地降低钢的塑、韧性，并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性

很低，脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。

5、P在钢中是有害元素，在普通质最非合金钢中，其含量被限制在0.045%以下。如

果要求更好的质量，则含量限制更严格。

在一定条件下S、P乜被用于提高钢的切削加工性能。炮弹钢中加入较多的可使炮

弹爆炸时产生更多弹片，使之有更大的杀伤力。P与。〃共存可以提高钢的抗大气腐蚀能力。

⑶O、"、N的影响。在钢中溶解度很小，儿乎全部以氧化物夹杂形式存在，如FeO.

A/。。、SiO八MnO需,这些非金属夹杂使钢的力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、

疲劳强度等危害很大。

”在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑、韧性，增大枢的脆

性，这种现象称为氢脆，

少量N存在于钢中，会起强化作用。N的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象，即

含N的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后，随时间的延长，钢的强度、硬度上升，塑、

韧性下降，脆性增大，同时脆性转变温度也提高了，造成了许多焊接工程结构和容器突然断

裂事故。

3.6.2非合金钢（碳钢）的分类

根据GB/T13304-91第一部分：钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。其中

非合金钢即为原国标中的碳钢。

下面将原碳钢分类方法及新国标非合金钢的分类分列如下：

3.6.2.1碳钢分类方法

碳钢主要有下列几种分类方法：

低碳钢—CM0.25%

⑴按钢的碳含量分1中碳钢-0.25%vC«0.6%

高碳钢-C>0.6%

.普通碳素钢-SM0.055%;0.045%

⑵按钢的质量分,优质碳素钢-S《0.040%;PM0.040%

高级优质碳素钢-SS0.（）30%;P40.035%

'碳素结构钢-用于制造各种工程构件］如桥梁、船舶、

⑶按用途分1建筑构件等）和机器零件（如齿轮、轴、连杆等）

碳素工具钢-用于制造各种工具（如刃具、量具、模具等）

,平炉钢（用平炉冶炼）

f碱性转炉钢-冷炼时造碱性渣

（4）按钢的冶炼方法分1转炉钢（用转炉冶炼乂酸性转炉钢-冶炼时造酸性渣

顶吹转炉钢-冶炼时吹氧

电炉钢

3.6.2.2非合金钢的分类方法

非合金钢主要按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。

⑴按主要质量等级分为：

①普通质量非合金钢普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要

求的并应同时满足四种条件的所有钢种（条件见GB/T13304-91）o

普通质量非合金钢主要包括：一般用途碳素结构钢（如GB700规定的A、3级钢）、

碳素钢筋钢（如GB13031规定的Q235钢）、铁道用一般碳素钢（如GB11264、GB11265、

GB2826规定的轻轨和垫板用碳素钢）及一般钢板桩型钢。

②优质非合金钢优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的

非合金钢，在生产过程中需要特别控制质量（例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面

质量或增加工艺控制等），以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求（例如良好的抗脆断

性能，良好的冷成型性等），但这种钢的生产控制不如特殊质量非合金钢严格（如不控制淬

透性）。

优质非合金钢（见GE/T13304-91）主要包括：机械结构用优质碳素钢、工程结构用碳

素钢、冲压薄板的低碳结沟钢、镀层板、带用的碳素钢、锅炉和压力容器用碳素钢、造船用

碳素钢、铁道用优质碳素纲、焊条用碳素钢、非合金易切削结构钢、电工用非合金钢板、带

及优质铸造碳素钢等。

③特殊质量非合金钢特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和

性能（例如，控制淬透性和纯洁度）的非合金钢，另外应符合GB/T13304-91规定的条件的

非合金钢（包括易切削钢和工具钢）。

特殊质最非合金钢主要包括：保证淬透性非合金钢、保证厚度方向性能非合金钢、铁道

用特殊非合金钢、航空、兵器等专用非合金结构钢、核能用非合金钢、特殊焊条用非合金钢、

碳素弹籥钢、特殊席条钢及钢丝、特殊易切削钢、碳素工具钢和中空钢、中磁纯铁、原料纯

铁等。

⑵按主要性能及使用特性分类

非合金钢按其基本性能及使用特性等主要特性分类如下：

①以规定最高强度（或硬度）为主要特性的非合金钢，例如冷成型用薄钢板。②以规定

最低强度为主要特性的非合金钢，例如造船、压力容器、管道等用的结构钢。③以限制碳含

量为主要特性的非合金钢（但下述④、⑤项包括的钢除外），例如线材、调质用钢等。④非

合金易切削钢。⑤非合金工具钢。⑥具有专门规定磁性或电性能的非合金钢，例如无硅磁性

薄板和带，电磁纯铁。⑦其他非合金钢，例如原料纯铁等。

3.6.3碳钢的牌号及用途

下面按用途及质量介绍碳钢的牌号及用途。

3.6.3.1普通碳素结构钢

普通碳索结构钢简称普碳钢，国家标准GB700将其分为甲类钢、乙类钢和特类钢三类。

其中以甲类钢为最常用。

⑴甲类钢（或A类钢）按机械性能供应。钢号为Al、A2……A7等七种。数字越大,

则屈服强度（巴）和抗拉强度（区）越大，延伸率（3）越小。甲类钢的机械性能及冷弯

试验要求见GB700o

甲类钢的用途：Al,A2,A3钢塑性好，有一定的强度，通常轧制成钢板、钢筋、钢

管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺帽、枷钉等。A4,A5强度较

高，轧制成型钢、钢板作构件用。A6,A7强度更高，可用作工具、农机零件、轻轨等。

甲类钢一般情况下在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可进行正火、

调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。

（2）乙类钢（或8类钢）按化学成分供应。钢号为81,B2……87等七种，数字越大,

碳含量越高，见GB7（）0。

乙类钢的用途与相同号数的甲类钢相同。由于其化学成分已知，可进行热加工，并可通

过适当的热处理提高其性能。

⑶特类钢（或C类钢）按机械性能及化学成分供应。钢号为C2、C3,C4,C5等

四种。特类钢使用较少，在性能要求较高的场合，通常选用优质碳素钢。

普通碳素结构钢的编号中，常常标明钢种的冶炼方法。例如碱性转炉钢标“碱”或“J”,

酸性转炉钢标“酸”或"S”，顶吹转炉钢标“顶”或平炉钢则不标。例如：

甲