钢中杂质元素对性能影响：拓展与反思

任务导引

在现代工业中，石油是血液，钢铁是骨骼。机器设备的骨骼直接影响到机器设备的使用与安全。在日常生活中到处都能看到钢铁材料的产品，从生活中的直尺到工程中的扳手，从小到一把瑞士军刀大到一台挖掘机。在这些不同的产品里，所用的钢铁材料有什么不同？它们的性能又如何？

图6.2.1　钢铁制品

任务要求

（1）了解铸铁、碳素钢、合金钢及铸钢的分类、牌号、性能和用途；

（2）了解钢的热处理及其目的。

任务实施

钢铁材料在人们的日常生活和生产活动中具有非常广泛的应用，从厨房的锅碗瓢盆，到出行所乘的汽车、高铁，再到各种机械加工设备，都离不开钢铁材料。

钢铁主要由铁和碳两种基本元素构成，故钢铁又称为铁碳合金。习惯上常说的钢铁是钢和铁的总称，其中，铁包括纯铁和铸铁。通常情况下，将碳含量在0.0218%～2.11%的铁碳合金称为钢；碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为纯铁；碳含量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业中常用铸铁的碳含量不超过4.3%。

钢的种类繁多，根据是否含有合金元素，可分为碳素钢和合金钢。

一、碳素钢

碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，它广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业。工业用钢主要是由冶金厂生产的板材、棒材、型材、管材及线材等。钢材生产的主要流程是：炼铁、炼钢、铸锭、压力加工成各种规格的钢材。

碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降。所以工程结构用钢，常限制含碳量。

碳素钢中的残余元素和杂质元素，如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这些影响有时互相加强，有时互相抵销。其中影响比较显著的有：

（1）硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。

（2）残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。

（3）除硫和氧降低强度外，其他杂质元素均在不同程度上提高了钢的强度。

（4）几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。

1.碳素结构钢

表6.2.1　碳素结构钢的表示方法

2.优质碳素结构钢

（1）优质碳素钢分类与性能。

优质碳素结构钢和碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类。

表6.2.2　钢的分类

（2）优质碳素结构钢的牌号。

表6.2.3　优质碳素结构钢的牌号含义

3.碳素工具钢

碳素工具钢是用来制造刃具、量具、模具及其他工具的钢。这些工具都要求高硬度和高耐磨性；因此，碳素工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，属于高碳钢，有害杂质元素（S、P）含量较少，都属于优质钢和高级优质钢。

表6.2.4　碳素工具钢的牌号含义

二、合金钢

随着工业生产和科技的不断进步，对钢材的某些性能提出了更高的要求。如重型机器的轴、汽车的一些重要零件，要求有更高的综合力学性能；对切削速度较高的刀具要求更高的硬度、耐磨性和红硬性；大型电站设备、化工设备等不仅需要良好的力学性能，而且还要求具有耐热、耐腐蚀、耐磨和抗氧化等特殊物理化学性能。因碳钢不能满足这些要求，于是产生了各种合金钢，应对钢材更高的要求。(www.xing528.com)

所谓合金钢是为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰铬、镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。合金元素是通过与钢中的铁和碳发生作用，以及合金元素之间的相互作用，从而影响钢的组织和改善钢的热处理性能等，以满足各种使用性能的要求。

1.合金钢的分类

合金钢的分类方法很多，常用的分类如表6.2.5所示。

表6.2.5　合金钢的分类

表6.2.6　合金钢牌号

2.合金结构钢

合金结构钢按用途可分为低合金结构钢和机械制造用钢两大类。

（1）低合金结构钢。低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶和车辆等领域。如用16Mn来代替Q235-A钢，强度可提高20%～30%，耐大气腐蚀性能提高20%～30%，重量可减轻20%～30%。常用低合金钢的牌号、性能及用途如表6.2.7所示。

表6.2.7　常用普通低合金钢举例

（2）机械制造用钢。机器制造用钢主要用于制造各种机械，按用途及热处理特点可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。常用机械制造用钢的牌号、特性和用途如表6.2.8所示。

表6.2.8　常用机械制造用钢的牌号、性能和用途

3.合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善其性能，再加入适量的合金元素的钢。这种钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。

合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具钢可分为低合金刃具钢和高速钢，模具钢可分为冷变形模具钢和热变形模具钢。

表6.2.9　合金工具钢的分类

三、应用举例

五金工具常用的钢材如下：

（1）由于合金工具钢具有特殊的机械性能，所以通常中高档的五金工具采用合金工具钢材质。主要是适用于工具使用率高和对工具要求比高的汽修厂、汽车厂、电厂和工矿企业等。

（2）低档次的五金工具通常采用碳素工具钢，它具有价格低廉的优势。主要是适用于使用率不高的家庭用户和对工具要求不高的行业。

（3）S2合金钢（一般用于制作旋具头、螺丝批）。

（4）铬钼钢（一般用于制作螺丝批）。

（5）铬钒钢（一般用于制作套筒、扳手、钳子）。

（6）碳钢（一般用于制作低档次的工具）。

手动五金工具主要采用模锻工艺加工制造。

螺丝刀常使用的材质有：批杆使用S-2合金钢、铬钼钢、铬钒钢和碳钢；手柄使用木质、塑料和橡塑。

任务拓展与反思

1.钢中常存的杂质元素对钢的性能有何影响？

2.合金元素在钢中与铁、碳的主要作用是什么？

3.为什么在碳素钢中要控制S、P的含量？

4.说明下列牌号属于哪类钢？并说明其中数字和符号的含义，每个牌号的用途各举实例1个。

65Mn　T12A　Q235-F　20CrMnTi　W18Cr4V　45　T10　60Si2Mn