碳钢的概念、钢和铁的区别及钢中常存元素对性能的影响

碳钢

一、碳钢的概念：

铁碳合金中，碳钢的含碳量小于2.11%，且含有少量的硅元素，还含有少量的锰元素，也含有少量的硫元素，也含有少量的磷元素。

二、钢和铁的区别：

区分主要依据含碳量。铁碳合金中，含碳量大于2.11%的被称作铁。含碳量小于2.11%的铁碳合金被叫做钢。成分存在差异，这决定了结构有所不同，进而导致性能也不同。

日常生活里讲的生铁，其实就是课本里提到的铁，日常生活中说的熟铁，实际上就是课本中讲的钢。（二者性能存在差异）

三、钢中常存元素对钢性能的影响：

1.有益元素：

Si —有很强的固溶强化作用,能脱氧。

Mn —固溶强化，提高钢的强度和硬度、脱氧、去硫。

2.有害元素:

P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。

S能引起钢在热加工时开裂，S能引起钢在高温工作下开裂，也就是热裂或热脆，S和Fe会生成低熔点的共晶体。

（一）锰的影响

脱氧剂。有益元素，碳钢中不超过0.8%，

（1）固溶强化；

（2）形成MnS，消除硫的有害影响。

（二）硅的影响

脱氧剂中，硅能增大钢液的流动性，可使热轧钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性下降不明显。但是，当硅含量超过0.8至1.0%时，会引起断面缩率下降，特别是冲击韧性会显著降低。

（三）硫的影响

一般来说，硫属于有害元素，它主要源自生铁原料，源自炼钢时加入的矿石，还源自燃料燃烧产物中的二氧化硫 。

硫在铁里的溶解度非常小。在室温的情况下，硫是以硫化物夹杂的形态存在于固态钢之中的。

硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓热脆。

硫对钢的力学性能产生影响，是通过形成硫化物夹杂来实现的。增加钢中的含硫量，会使硫化物夹杂的含量升高，进而导致钢的范性和韧性降低。与此同时，钢材力学性能的方向性会增大，钢的热加工性能也会变差。硫对钢力学性能的影响，不但与钢的含硫量有关，而且和所形成的硫化物夹杂的大小、形状及分布有关，还与基体的组织有关。

硫具有有益作用，能提高钢材的切削加工性。易削钢中，含硫量在0.08%至0.2%之间，同时含锰量在0.50%至1.20%之间。

在多数情形下，硫存在有害影响，并且硫的偏析倾向极大，所以通常对钢的含硫量限制极为严格。普通质量碳钢里，硫含量不超过0.055%，优质钢中不超过0.045%，高级优质钢中不超过0.02%。

改变硫的存在方式：

加入适当的Mn，Mn与S的化学亲和力比Fe大，会优先形成MnS，MnS的熔点为1600℃，该熔点高于热加工温度，能够避免热脆的发生。

（四）磷的影响

一般来说，磷属于有害杂质元素，它源自矿石和生铁等炼钢原料，钢中残余的含磷量与冶炼方法关联极大。

磷在纯铁里有颇为大的溶解度，磷可以提升钢的强度，然而会让范性、韧性下降，尤其是会使钢的脆性转折温度急剧上升，也就是提高钢的冷脆性 。

（五）氮、氢、氧等微量气体的影响

炼钢时，氮通过炉气进入钢中，钢件快速冷却时，氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中，在随后放置过程中，氮逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。

——称为蓝脆(因300℃上下应变时最易产生)

——蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。

高温下，氢大量溶于钢中。温度下降时，氢在钢中的溶解度急剧降低。然而氢来不及逸出表面。于是过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚。随后逐渐形成氢气。氢气的体积膨胀引起大的内应力。大的内应力导致微裂纹。这种因氢使钢变脆的现象称为氢脆，它是严重的缺陷 。

消除方法：锻后缓冷。尤大型锻件。

发裂

白点

3、氧：

氧化物夹杂物包括FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，它们对钢的塑性影响很大，对钢的韧性影响也很大，对钢的疲劳强度影响同样很大。

有害元素的利用：

S、P在易切钢中的应用

P在炮弹钢中的应用。

第二节碳钢的分类、编号及用途

一、碳钢的分类

1.按用途分类；

2.按化学成分分类；

3.按质量等级分类；

4.按冶炼方法分类；

5.按工艺方法（脱氧程度）分类 ；

1.按用途分类

结构钢可分为工程构件用钢，比如建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢，还可分为机器零件用钢，比如调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等 。

（2）工具钢 根据用途不同可分为刃具钢、模具钢、量具钢等。

（3）特殊性能钢 可分为不锈钢、 耐热钢、耐磨钢等。

刃具

量具

模具

按化学成分分类

按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。

非合金钢是铁碳合金，其WC＜2.11%，还含有少量Si、Mn、S、P等杂质元素，在施行新的钢分类标准以前被称为碳素钢，简称碳钢，按其含碳量又分为低碳钢，其0.0218%＜WC＜0.25%，中碳钢，其0.25%≤WC ≤0.60%，和高碳钢，其WC ＞0.60% 。

低合金钢与合金钢是钢种，它们是在非合金钢基础上形成的，是有目的地加入了某些元素后得到的，加入钢中的这些元素被称为合金元素。

3.按质量分类

主要按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类。可分为

普通钢(WS、 WP≥0.045%)；

优质钢(WS、 WP≤0.035%)；

高级优质钢(WS≤0.020%、

WP≤0.030%)；

特级优质钢(WS≤0.015% 、

WP≤0.025%)等。

4.按冶炼方法分类

可按炉别分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。

平炉钢熔化炉料、提高钢水温度依靠燃料（煤气或重油）的燃烧，进行氧化反应靠炉气中的氧气以及加入铁矿石，因平炉钢消耗大量燃料，在我国已被淘汰。

转炉钢是一种炼钢方法，它把空气或氧气吹入铁水中，让铁水中的C、Mn、Si、P、S等迅速氧化，依靠氧化时放出的热量来升温，且不靠燃料供热，转炉钢因为节省燃料，所以是目前主要炼钢设备。

电炉钢是一种炼钢方法，这种方法利用电能作为热源。电炉钢主要用于生产高质量钢。电炉钢还主要用于生产高合金钢。

5.按工艺方法（脱氧程度）分类

按脱氧程度不同分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。

沸腾钢只用Mn铁脱氧，Mn铁价格低且脱氧效果差，因而钢中含氧较多，浇注时，钢中氧与碳发生作用析出大量CO，致使钢水在钢模内呈沸腾现象，这种钢被称为沸腾钢。沸腾钢成材率高，成本低，不过其化学成份不均匀，存在偏析，杂质也多。沸腾钢钢号最后用“F”来表示。

镇静钢是指除了用Mn铁脱氧外，还用Si铁脱氧，有时也用Al脱氧，此时钢中氧已很少，浇注时没有沸腾现象 ，其化学成分均匀，机械性能较好，不过有缩孔，成本高，并且镇静钢钢号后加“Z” 。

半镇静钢的脱氧程度处于镇静钢和沸腾钢之间，其性能同样介于两者之间，在钢号后面加“b”，这种钢应用较少。

6、按含碳量分类

按钢的含碳质量分数分类

低碳钢含碳质量分数 ωc≤0.25%

中碳钢含碳质量分数 ωc=0.25-0.60%

高碳钢含碳质量分数 ωc≥0.6%

含碳量越高，其强硬度越高，塑韧性越低。

二、碳钢的编号方法

（1）普通碳素结构钢

（2）优质碳素结构钢

（3）碳素工具钢

（1）普通碳素结构钢

该类钢牌号表示方法由四个部分按顺序组成，第一部分是代表屈服点“屈”字的汉语拼音字首，即（Q），第二部分是屈服点数值，第三部分是质量等级符号，包括(A 、B 、C 、D 、E)，第四部分是脱氧方法符号，有(F、b、Z 、TZ) 。例如 Q235-AF，它表示屈服点为бS≥235MPa 、质量等级为A的沸腾钢。

F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，一般情况下，在牌号表示中，符号Z与TZ可以省略 。

质量等级符号能体现碳素结构钢里磷、硫含量的情况，A质量等级较低，B质量等级高于A，C质量等级又高于B，D质量等级是最高的，这几个质量等级依次递增 。

约占钢总产量的 70～80％，大部分作工程结构件。

牌号：Q+σS （一组数字） +质量等级+脱氧方法

“Q”----表示屈服点的汉语拼音字首

σS----表示屈服 强度，单位MPa

质量等级为 A、B、C、D四个等级，从A到D依次升高。

脱氧方法有，F（沸腾钢），b（半镇静钢），Z（镇静钢），TZ（特殊镇静钢），Z、TZ在牌号中不标出。

请你提供一下具体的句子内容，以便我按照要求进行改写。

Q195塑性较好，有一定强度，Q215塑性较好，有一定强度，Q235A塑性较好，有一定强度，Q235B塑性较好，有一定强度，它们通常被轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用来制作桥梁、建筑物等构件，也能用来制作普通螺钉、螺帽、铆钉等。

Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。

Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。

这类钢通常在热轧状态下被使用，不会再进行热处理 。不过对于某些零件而言 ，也能够进行正火处理 ，还能进行调质处理 ，也可以进行渗碳等处理 ，目的是提高其使用性能 。

常用碳素结构钢

钢板钢筋建筑构件

螺钉铆钉钢桥梁

优质碳素结构钢，其牌号由两位数字表示，这两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍。比如45钢，意味着平均WC＝0.45%；08钢则表示平均WC＝0.08%。

优质碳素结构钢依据锰的质量分数不同来划分，分为普通锰这一组，其锰的质量分数为WMn＝0.25%～0.80%，还分为较高锰这一组，其锰的质量分数为WMn＝0.70%～1.2% 。对于较高锰的优质碳素结构钢，其牌号数字后面要加“Mn”，比如65Mn 。

沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，要在牌号后特别标明，像08F指的是平均含碳量为0.08%的沸腾钢，15g指的是平均碳质量分数为0.15%的锅炉钢。

采用平炉或者电炉进行冶炼，其中硫的含量小于百分之零点零三五，磷的含量小于百分之零点零三五，化学成分受到严格控制，塑性较高，韧性也较高，多用于制造重要的零件，这类钢布氏硬度、屈服强度、抗拉强度高，经过热处理后力学性能较好。

钢的牌号用 2位数字表示

数字表示钢的平均含碳量的万分数。

45钢表示平均含碳量为0.45％的优质碳素结构钢。

数字后加F的为沸腾钢，如08F。

数字后加Mn的为含锰量较高的钢,如45Mn。

牌号自08，10～80，中间为5进制。

优质碳素结构钢的用途

08、10钢，含碳量很低，塑性很好，可用来作冲压件。

15到30钢属于低碳钢，其抗拉强度不高，不过塑性和韧性较好，具备良好的冲压性与可焊性，能够用来制作冲压件、螺钉、螺帽等。这种钢经过渗碳淬火后，可得到表面硬度高且心部韧性好的零部件，常被用作渗碳用钢，也被称作碳素渗碳钢。

35到50钢属于中碳钢，这种钢经过调质处理后再使用，能获得综合力学性能，其既有一定强度和硬度，又有一定塑性和韧性且配合良好，它也被称作碳素调质钢，可用来制作锻件、热冲压件、冷镦件、齿轮、轴类等零件。

55到80钢，含碳量比较高，强度高但塑性低，具备一定的耐磨性，经过热处理后有很高的弹性极限，常被用于制造各种弹性零件，也称作碳素弹簧钢，还可用作耐磨零件以及机车车轮等 。

常用优质碳素结构钢：

齿轮

螺栓

曲轴

弹簧

（3）碳素工具钢

其牌号以“T”冠名，“T”是“碳”字汉语拼音的首个字母，后面的数字代表平均碳的质量分数的千倍，碳素工具钢分为优质和高级优质两类，若为高级优质钢，会在数字后面加上“Ａ”字 。

例如T8A钢，表示平均WＣ＝0.8% 高级优质碳素工具钢。

对于含有较高锰的碳素工具钢，这里的锰含量是WMn＝0.40%～0.60%，那么要在数字后面加上“Mn”，比如T8Mn 、T8MnA 等。

碳素工具钢含碳量较高（0.65％～1.35％）。

碳素工具钢按S、P含量分为2组：

第一组是高级优质钢：S≤0.020％,P≤0.030％；

第二组是优质钢：S≤0.030％，P≤0.035％。

碳素工具钢有其特定的牌号表示方法，是用“碳或T+数字”来表示，其中数字所代表的含义是，它表示钢的平均碳质量分数的千分数 。

像碳12，它表示钢的平均碳质量分数为1.2％的碳素工具钢，还有T12，同样表示钢的平均碳质量分数为1.2％的碳素工具钢 。

如果是高级优质碳素工具钢，那么要在钢号数字后面加上一个“高”字，或者加上一个“A”，例如T8A，又或者是碳8高 。

如果存在T8Mn，或者存在T8MnA，那就意味着是一种碳素工具钢或者高级碳素工具钢，这种钢的碳质量分数为0.8％，并且含Mn量较高。

碳素工具钢通常在经过淬火以及低温回火之后才投入使用，其硬度超过64HRC。随着碳质量分数不断增加，经过热处理的钢，耐磨性得以提升，然而塑性与韧性却有所降低。鉴于碳素工具钢的淬透性并不高，所以它适用于小尺寸的模具、刀具以及量具等。

T7、T8硬度高，韧性较高，可制作冲头、凿子、锤子等工具

T9硬度高，T9韧性适中，T9可制造钻头，T9可制造刨刀，T9可制造丝锥，T9可制造手锯条等刃具，T9还可制造冷作模具等；T10硬度高，T10韧性适中，T10可制造钻头，T10可制造刨刀，T10可制造丝锥，T10可制造手锯条等刃具，T10还可制造冷作模具等；T11硬度高，T11韧性适中，T11可制造钻头，T11可制造刨刀，T11可制造丝锥，T11可制造手锯条等刃具，T11还可制造冷作模具等。

T12、T13等硬度很高，韧性却比较低，能够用来制作锉刀、刮刀等刃具，以及量规、样套等量具。其工作温度通常不会超过180℃，不然硬度会急剧下降。

锉刀

量规

钻头