优质碳素结构钢及碳素工具钢的特性和用途

钢铁材料是现代工业中应用最广泛的金属材料。它的主要元素是铁和碳。钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数在2.11%以下，并含有其他元素的材料。钢按化学成分可分为非合金钢（碳钢）、低合金钢和合金钢三类。

一、非合金钢的概念

非合金碳钢也叫碳素钢，是含碳量ωC≤2.11%，并含有少量的硅、锰、硫、磷的铁碳合金。

二、常存元素对碳钢的影响

碳钢中除铁和碳两种元素外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素，这些元素，有的是从炉料中带来的，有的是在冶炼过程中不可避免地带入的，它们的存在必然会对钢的性能产生影响。

1.硅

硅是冶炼后期以硅铁作脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。残留在钢中的硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体，可提高钢的强度和硬度，所以硅是钢中有益元素。由于其含量小，故其强化作用不大。钢中的硅，在碳素镇静钢中一般控制在0.17%～0.37%之内。

2.锰

锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高。此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害，所以锰也是钢中的有益元素。钢中锰的含量一般为0.25%～0.80%。

3.硫

硫主要是由生铁带入钢中的有害元素，它在钢中与铁生成化合物FeS。FeS与铁形成共晶体（Fe+FeS），其熔点较低（985℃），当钢材加热到1000℃～1200℃进行轧制或锻造时，沿晶界分布的Fe+FeS共晶体已经融化，各晶粒间的连接破坏，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。因此，钢的含硫量不得超过0.05%。钢中加入锰，可消除硫的有害影响。因为硫和锰的亲和力较硫和铁的亲和力强，锰能从FeS中夺走硫而形成MnS。MnS的熔点高（1620℃），在钢材轧制时不融化，故能有效地避免钢的热脆性。因此钢中锰、硫含量常有定比。

4.磷

磷也是由生铁带入的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体，部分在结晶时形成脆性很大的化合物（Fe3P），使钢在室温下（一般为100℃以下）的塑性和韧性急剧下降，这种现象称为冷脆。一般钢中含磷量达到0.10%时，冷脆性就很严重了。

磷在结晶时还容易偏析，从而在局部地方发生冷脆。一般钢中含磷量限制在0.04%以下。钢中的硫和磷是有害元素，应严格控制它们的含量，但是，在易切削钢中，常适当地提高硫、磷的含量，以增加钢的脆性，有利于在切削时形成断裂切屑，从而提高切削效率和延长刀具寿命。这种易切削钢主要用于在自动机床上加工生产量大、受力不大的零件。

三、非合金钢（碳钢）的分类

（1）按用途可以把碳钢分为碳素结构钢和碳素工具钢。碳素结构钢又可分为工程结构钢和机器制造结构钢两种。

（2）按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（wC＜0.25%），中碳钢（0.25%≤wC≤0.60%）和高碳钢（0.60%＜wC≤2.11%）。一般碳钢中含碳量越高则硬度越高，强度也就高，但塑性降低。

（3）按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）。

（4）按冶炼时脱氧程度的不同分类

①沸腾钢：脱氧程度不完全的钢。

②镇静钢：脱氧程度完全的钢。

③半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。

四、碳钢的牌号表示方法、性能及应用(www.xing528.com)

1.碳素结构钢（工程结构钢）

这类钢主要保证力学性能。用Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首。数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服极限为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢。例如Q235—AF表示屈服极限为235MPa的A级沸腾钢，Q235—C表示屈服极限为235MPa的C级镇静钢。

工程结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成形钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。碳素结构钢牌号、化学成分及用途见表1-14。

表1－14　碳素结构钢牌号、化学成分及用途

2.优质碳素结构钢

这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其牌号是采用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数为0.08%。当钢中含锰量较高（wMn=0.7%～1.2%）时，在数字后面附以符号Mn，如65Mn钢，表示平均wC=0.65%，并含有较多的锰（wMn=0.9%～1.2%）。

优质碳素结构钢主要用于制造机器零件。一般都要经过热处理以提高力学性能。根据碳质量分数不同，有不同的用途。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销，样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件，例如40、45钢常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮和其他受力不大的轴类零件；55、60、65钢热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，常用于制作负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12～15mm）的弹簧，如调压和调速弹簧、柱塞弹簧、冷卷弹簧等。优质碳素结构钢的牌号和用途如表1-15所示。

表1－15　优质碳素结构钢的牌号和用途

3.碳素工具钢

碳素工具钢是基本上不含合金元素的高碳钢，含碳量在0.65%～1.35%范围内，其生产成本低，原料来源易取得，切削加工性良好，热处理后可以得到高硬度和高耐磨性，所以是被广泛采用的钢种，用来制造各种刃具、模具、量具。但这类钢的红硬性差，即当工作温度大于250℃时，钢的硬度和耐磨性就会急剧下降而失去工作能力。另外，碳素工具钢如制成较大的零件则不易淬硬，而且容易产生变形和裂纹。

碳素工具钢的牌号用“T”（“碳”字汉语拼音字首）和数字组成。数字表示钢的平均碳的质量分数的千分数。如T10钢，表示平均ωC=1%的碳素工具钢。若牌号末尾加“A”表示高级优质钢，钢中硫、磷含量比相同含量的碳素工具钢少。碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途见表1-16。

表1－16　碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途

4.铸造碳钢

在机械制造业中，许多形状复杂，力学性能要求高的工程构件或一些机械零件，很难用锻压或机械加工方法成形；力学性能较高，也不能用铸铁来铸造，可用碳钢铸造生产。重型机械、矿山机械、运输机械、冶金机械等，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。碳素铸钢按用途分为一般工程用碳素铸钢（GB／T11352—1989）和焊接结构用碳素铸钢（GB／T7659—1987）。工程用铸造碳钢的牌号前面是ZG（“铸钢”二字汉语拼音字首），后面第一组数字表示屈服点，第二组数字表示抗拉强度。如ZG270-500表示屈服点不低于270MPa，抗拉强度不低于500MPa的铸造碳钢。表1-17列举了碳素铸钢的牌号、性能及用途。

表1－17　碳素铸钢的牌号、性能及用途

任务实施

任务内容：试说明螺纹连接件上常用的六角头螺栓、螺钉、螺母、弹簧垫圈的牌号和性能。

任务步骤：