碳素钢的化学成分和机械性能要求

在钢铁领域,最早得以广泛应用的是碳素钢,含碳量小于或等于2.06%的铁碳合金称为碳素钢。

碳素钢的分类方法有很多种,如按化学成分分类常分为低碳钢(C＜0.25%)、中碳钢(C=0.25%～0.6%)和高碳钢(C＞0.6%)三种;按质量分类常分为普通钢(S≤0.05%,P≤0.05%)、优质钢(S≤0.04%,P≤0.04%)和高级优质钢(S≤0.02%,P≤0.03%)三类;按用途分类常分为结构钢、承压用钢(压力容器用钢、锅炉用钢)、工具钢等。由于中碳钢和高碳钢可焊性较差,在工程设计中除螺栓材料之外,常用的管道材料都是低碳钢。

1.普通碳素钢

普通碳素钢根据其冶炼过程的脱氧程度不同可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。脱氧不完全的钢称为沸腾钢。由于脱氧不完全,钢液中含氧量多,浇铸及凝固时会产生大量CO气体,造成剧烈的沸腾现象,沸腾钢也因此而得名。沸腾钢冷凝后没有集中缩孔,因而成材率高,成本低,表面质量及冲击性能好。但因含氧量高,化学成分偏析大,内部杂质多,抗腐蚀性和机械性能差,且容易发生时效硬化和钢板的分层,质量较差故不宜作重要用途。

镇静钢是脱氧完全的钢,浇铸时钢水在钢锭模内不产生CO气体,钢液平静,没有沸腾现象。此类钢冷凝后易产生集中缩孔,所以成材率低,成本高。但镇静钢气体含量低,时效倾向小,钢锭中气泡、疏松较少,质量较好。

脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢叫半镇静钢,其性能介于两者之间。沸腾钢常在其材料牌号后面加字母F进行表示,半镇静钢则是在其材料牌号后面加字母b进行表示,镇静钢省略不加。

普通碳素钢与优质碳素钢相比,由于它的有害杂质元素S、P含量相对较高,综合机械性能和耐蚀性较差,故不宜用在较重要的场合,但普通碳素钢价格便宜,故工程上常用于各种钢构架、支吊架等,而流体输送管道上使用时常给予一定的限制。

普通碳素钢的牌号表示方法如下。(www.xing528.com)

根据《碳素结构钢》GB/T700—2006规定碳素钢牌号有代表屈服强度的字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法。例如:Q235AF,符号含义,Q—钢材屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母;235(MPa)—屈服强度数值;A、B、C、D—分别表示质量等级;F—沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母;Z—镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母;TZ—特殊镇静钢“特镇”字汉语拼音首位字母。其中Z、TZ可以省略。

管道中常用的普通碳素结构钢牌号为Q235A、Q235B、Q235C这三种,这些牌号的质量要求是依次提高的。

2.优质碳素钢

优质碳素钢中的有害杂质元素S、P比普通碳素钢低,不仅如此,两者的冶炼方法也多有不同,普通碳素钢多用成本最低的转炉冶炼,而优质碳素钢则采用平炉或纯氧顶吹转炉冶炼,脱氧较好,杂质含量较低,故其综合机械性能、耐蚀性等均优于普通碳素钢。优质碳素钢与高级优质碳素钢相比,价格不高,故这类钢是工程上应用最广泛的碳素钢。

《优质碳素结构钢》GB/T699—1999标准给出了优质碳素钢的化学成分和机械性能要求。该标准列出了很多种材料牌号,而管道材料设计中常用的牌号为10#钢和20#钢这两种。牌号中的两位数数字,表示钢中平均含碳量的万分之几,如10、20、25、35等;含锰元素的量达到0.7%以上时,或者特意加入的其他元素,为该元素的化学符号,如15Mn、20Mn等;特殊用途标记,如R表示容器用钢,G表示锅炉用钢,D表示低温用钢,例如:20G、20R、16MnD等。

3.高级优质碳素钢

高级优质碳素钢各方面性能略优于优质碳素钢,但价格较高,工程上应用的并不多。一般情况下,如果采用优质碳素钢不能满足使用条件要求时,将考虑选用相应的合金钢而不用高级优质碳素钢。高级优质碳素钢的表示方法是在优质碳素钢的牌号后面加字母“A”。