碳素钢的分类和性能的分析介绍

1.碳素钢的分类

碳素钢为含碳量（质量分数）小于2.06%的铁碳合金。除碳以外，还含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。压力容器用碳素钢主要有两类：普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

普通碳素结构钢和优质碳素结构钢的主要区别是对有害杂质硫和磷含量的控制要求不同（硫引起钢材的热脆，磷引起钢材的冷脆），此外钢材出厂时检验项目和保证条件不同。这类碳素钢强度较低，塑性和焊接性较好，价格低廉，故常用于常压等低参数容器的制造，以及用作支座、垫板等零部件的材料。

普通碳素结构钢（如Q195、Q215、Q235、Q255^[2]、Q275系列钢板），在压力容器中使用较多的是Q235C、Q235D。

优质碳素结构钢（如10、20、15Mn、20Mn等）共两类31个牌号。一类是普通含Mn量的优质碳素钢，牌号有08、10、15、20、...、85等20个；另一类是较高含Mn量的优质碳素钢，牌号有15Mn、20Mn、…、70Mn等11个。表示牌号的数字是钢中平均碳含量的万分数，如20钢的含碳量范围是0.17%～1.24%，平均含碳量0.2%。

2.碳素钢的性能

普通碳素钢在超过350℃、优质碳素钢超过400℃时就要考虑蠕变的影响，而0℃以下，碳素钢的塑性和冲击韧度会急剧下降。所以在用于一般结构时，普通碳素钢的使用温度范围为-20～400℃，优质碳素钢的使用温度范围可扩展至-40～450℃。碳素钢用于压力容器受压元件时另有规定，见GB150.1～150.4—2011。

碳素钢的强度较低，但有良好的塑性和焊接性能，故制造工艺性能良好，可以进行铸造、锻压、切削和焊接等各种形式的冷、热加工，适于制造低参数压力容器的元件。

碳素钢的耐蚀性较差，在盐酸、硝酸、稀硫酸、醋酸、氯化物溶液和浓碱液中均会被强烈腐蚀，故不宜使用在接触这些介质的场合。但在浓硫酸中，由于钝化而具有较好耐蚀性，故在温度不高的情况下，可用碳素钢制造浓硫酸储罐。在质量分数小于30%的稀碱液中，碳素钢表面生成不溶性的氢氧化铁和氢氧化亚铁保护膜，所以在温度不高的稀碱液中，碳素钢是耐蚀的。在大气、土壤和较弱腐蚀性介质中，经适当保护，如涂覆防腐材料等，可使用碳素钢。

3.碳素钢中常存杂质元素对钢性能的影响

（1）硅和锰

锰在钢中是有益物质，是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的，锰可以与硫形成高熔点（1600℃）MnS，消除硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能使钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。

硅也是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的元素。硅与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。硅在钢中溶于铁素体内，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。由于钢中的含硅量（质量分数）不超过0.5%，对钢的性能影响不大。(www.xing528.com)

（2）硫和磷

硫和磷在钢中都是有害物质。

图2-6 统一数字代号的结构形式

硫可导致钢热脆。液态钢溶硫能力很强，固态几乎不溶。钢液中残存的S在凝固时几乎全部以FeS（熔点1190℃）存在。这些FeS又可与Fe形成低熔点（985℃）共晶物（FeS+Fe），存在于奥氏体的晶界上。当将钢加热到1000～1200℃进行压力加工时，由于FeS+Fe共晶体和FeS的融化，导致钢沿着晶界开裂。这种现象称为热脆。

磷可导致钢冷脆。磷在钢中全部溶于铁素体中，可提高钢的强度，但在室温时钢的塑性和韧性急剧下降。这种现象称为冷脆。当磷含量（质量分数）为0.3%、室温时，钢的冲击韧度值几乎等于零。

由此可见，硫和磷的含量应越少越好。钢中的硫、磷含量是衡量钢的质量的最重要标志。如《固定式压力容器安全技术监察规程》规定了用于焊接的碳素钢和低合金钢板的硫、磷含量（质量分数）都不大于0.035%。

（3）氧

在炼钢过程中需要加入大量的氧以完成氧化过程，因此使钢中含有较多的氧。氧在钢中是有害物质。尽管在炼钢末期要加入锰铁、硅铁、碳和铝等脱氧剂进行脱氧，但钢中的氧不可能除尽。脱氧剂使溶解于钢液中的氧化铁还原，生成不溶于钢液的氧化物熔渣，然后上浮排除。少量的氧化物（如FeO、MnO、SiO₂、Al₂O₃等）夹杂的存在，能够使钢的强度、塑性和冲击韧度降低。

按照脱氧程度不同，钢可分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。脱氧相当完全的钢称为镇静钢。镇静钢组织致密，成分均匀，力学性能较好。脱氧不完全的钢称为沸腾钢。沸腾钢凝固前发生氧化反应，生成大量CO气泡，引起钢液沸腾，因此其成分、性能不均匀，强度也较低，不适于制造重要零件。脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间的钢称为半镇静钢。

压力容器受压元件用钢，应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢。