碳钢是指含碳量在0.0218%～2.11%的铁碳合金，也叫碳素钢。实际使用的碳钢中除铁和碳两种元素外，还有少量的硅、锰、硫、磷等元素。一般碳钢中含碳量越高则硬度越大，强度也越高，但塑性越低。
目前，工业上所使用的钢铁材料中，碳钢占有很重要的地位。由于碳钢容易冶炼和加工，并具有一定的力学性能，在一般情况下，它能够满足工农业生产的需要，同时价格低廉，所以应用非常广泛。
4.2.1 碳钢的分类
碳钢的分类方法很多，下面只介绍几种常用的分类方法。
1.按照冶炼时脱氧方法的不同分类
根据冶炼时脱氧方法的不同，碳钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。
2.按碳的质量分数分类
（1）低碳钢。低碳钢中碳的质量分数小于等于0.25%。
（2）中碳钢。中碳钢中碳的质量分数为0.25%～0.60%。
（3）高碳钢。高碳钢中碳的质量分数大于0.60%。
3.按钢的用途分类
（1）碳素结构钢。碳素结构钢主要用于制造各类工程构件（如桥梁、船舶、建筑物等）及各种机器零件（如齿轮、螺钉、螺母、连杆等）。它多属于低碳钢和中碳钢。
（2）碳素工具钢。碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢中碳的含量较高，一般属于高碳钢。
（3）特殊性能钢。特殊性能钢包括不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。
4.按钢中有害杂质的含量分类
碳钢主要按钢中有害杂质硫、磷含量分为以下几种：
（1）普通碳素钢。普通碳素钢中硫的质量分数不大于0.055%，磷的质量分数不大于0.045%。
（2）优质碳素钢。优质碳素钢中硫和磷的质量分数均为0.035%～0.040%。
（3）高级优质碳素钢。高级优质碳素钢中硫的质量分数为0.020%～0.030%，磷的质量分数为0.030%～0.035%。
4.2.2 碳钢的牌号、性能及主要用途
钢材牌号，又称钢铁产品牌号，是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合表示钢材产品名称、用途、特性和工艺的方法。
1.普通碳素结构钢
普通碳素结构钢又称普通碳素钢，含碳量为0.06%～0.22%，以小于0.25%最为常用，属于低碳钢。其牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度值（单位符号为MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）四部分按顺序组成。质量等级符号反映了普通碳素结构钢中有害元素硫、磷含量的高低，其中，A级钢，硫、磷质量分数最高，A、B、C、D表示钢材质量依次提高。脱氧方法符号F、b、Z、TZ分别代表沸腾钢、半镇静钢、镇静钢以及特殊镇静钢。例如Q235-A·F即表示屈服强度为235 MPa的A级沸腾钢。
普通碳素结构钢的应用范围非常广泛，其中大部分用作焊接、铆接或栓接的钢结构件，少数用于制作各种机器部件。强度较低的Q195、Q215钢用于制作低碳钢丝、钢丝网、屋面板、焊接钢管、地脚螺栓和铆钉等。Q235钢具有中等强度，并具有良好的塑性和韧性，而且易于成型和焊接。这种钢多用作钢筋和钢结构件，另外还用作铆钉、铁路道钉和各种机械零件，如螺栓、拉杆、连杆等，是应用最广的普通碳素结构钢。图4-2为Q235H型钢。强度较高的Q255、Q275钢用于制作各种农业机械，也可用作钢筋和铁路鱼尾板。碳素结构钢的牌号、化学成分及性能见表4-1。
图4-2 Q235型钢
表4-1 碳素结构钢的牌号、化学成分及力学性能(www.xing528.com)
2.优质碳素结构钢
优质碳素结构钢是含碳量小于0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比普通碳素结构钢少，机械性能较为优良。
优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，即钢中平均含碳量的万分位数。例如，20号钢表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢。当钢中锰的质量分数为0.7%～1.2%时，应在牌号后面加上元素符号，如50Mn。若为沸腾钢，则在数字后加“F”，如08F表示碳的质量分数为0.08%的沸腾钢。
优质碳素结构钢产量较大，用途较广，一般多轧（锻）制成圆、方、扁等型材、板材和无缝钢管，主要用于制造一般结构及机械结构零、部件以及建筑结构件和输送流体用的管道。图4-3为45钢制造的传动齿轮。优质碳素结构钢一般都要经过热处理，以提高力学性能。根据碳的质量分数不同，优质碳素结构钢有不同的用途，其牌号及用途见表4-2。
图4-3 传动齿轮
表4-2 优质碳素结构钢的牌号及用途
3.碳素工具钢
碳素工具钢含碳量高（0.65%～1.35%），随着含碳量的升高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。碳素工具钢中S、P的含量均较少，属于优质钢。碳素工具钢的牌号以“T”加数字表示，“T”表示碳素工具钢，数字表示钢中平均含碳量的千分数。如wC＝0.8%的碳素工具钢，其钢号为“T8”。若为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加“A”，如“T10A”。
碳素工具钢生产成本较低，原材料来源方便；易于冷、热加工，在热处理后可获得相当高的硬度；在工作受热不高的情况下，耐磨性也较好，因而得到广泛应用。这类钢的钢号有T7、T7A、T8、T8A…T13A，共8个钢种、16个牌号。含碳量越高，则碳化物含量越多，耐磨性就越高，但韧性就越差。因此，受冲击的工具应选用含碳量低的工具钢。一般冲头、凿子要选用T7、T8钢等，车刀、钻头可选用T10钢，而精车刀、锉刀则选用T12、T13钢等。图4-4为T8钢制造的断线钳。碳素工具钢的牌号、化学成分及硬度见表4-3。
图4-4 断线钳
表4-3 碳素工具钢的牌号、化学成分及硬度
注：① 淬火后硬度不是指用途举例中各种工具的硬度，而是碳素工具钢材料在淬火后，未回火的最低硬度。
② 表中数据摘自GB/T 1298—2008《碳素工具钢》。
4.铸 钢
许多形状复杂的零件不便通过锻压等方法加工成型，用铸铁时性能又难以满足需求，此时常常选用铸钢，因此，铸钢在机械制造尤其是重型机械制造业中应用非常广泛，图4-5为铸钢制造的轧钢机机架及法兰闸阀。
图4-5 铸钢的应用
铸钢按化学成分可分为碳素铸钢和合金铸钢；按用途可分为铸造结构钢、铸造工具钢和铸造特殊钢。
根据GB/T 5613—2014《铸钢牌号表示方法》中的规定，铸钢的牌号有以下表示方法：
（1）以强度表示的铸钢牌号是由铸钢两字的汉语拼音首字母“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字代表最低屈服强度，第二组数字代表最低抗拉强度。例如，ZG200-400表示屈服强度不小于200 MPa，抗拉强度不小于400 MPa。
（2）以化学成分表示的铸钢牌号，ZG＋两位数字（平均碳含量的万分之数）＋带有百分数数字的合金元素符号，平均含碳量大于1%时，在牌号中不表示；当平均含碳量小于1%时，第一位数字为0。在含碳量后面排列各主要合金元素符号，每个元素符号后面用整数标出其百分含量。当合金元素平均质量分数为0.9%～1.4%时，除Mn只标符号不标质量分数外，其他元素需在符号后标注数字1；当合金元素平均质量分数大于1.5%时，标注方法同合金结构钢，如ZG15Cr1Mo1V、ZG20Cr13。
（3）另加一些字母和符号分别表示不同的含义，如RZG200-400，表示熔模铸造铸钢；ZU70Mn表示轧辊用铸钢，“ZU”表示轧辊用，“70”代表碳平均含量的万分之几，Mn含量为0.9%～1.4%。
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