如何正确识别碳素钢的牌号？

【情境导入】

请讨论：如图3-1所示的3种零件有什么样的性能特点?用的什么材料?每一种材料应如何表示?

图3-1　零件

(a)齿轮；(b)弹簧；(c)锉刀

【讲一讲】

一、碳素钢的定义

碳素钢(简称碳钢)是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳钢的主要成分是铁和碳，除此外还含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质元素，其中硅和锰在钢中属于有益元素，能提高钢的强度，硫和磷属于有害元素，分别使钢产生热脆性和冷脆性。

二、碳素钢的分类

碳素钢的分类方法有很多，主要有如下几种分类方法。

1.按钢的含碳量分类

·低碳钢：WC≤0.25%。

·中碳钢：0.25%＜WC＜0.60%。

·高碳钢：WC≤0.60%。

2.按钢的质量分类

根据钢中有害元素硫、磷含量不同可分为：

·普通钢：WS≤0.050%，Wp≤0.045%。

·优质钢：WS≤0.035%，Wp≤0.035%。

·高级优质钢：WS≤0.030%，Wp≤0.030%。

·特级优质钢：WS≤0.020%，Wp≤0.025%。

3.按钢的用途分类

·碳素结构钢：用于制造各种机械零件和工程构件，多为低碳钢和中碳钢(WC≤0.70%)。

·碳素工具钢：用于制造各种刀具、模具和量具等，多为高碳钢且为优质钢或高级优质钢(WC＞0.70%)。

·铸造碳钢：用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件(WC=0.2%～0.6%)。

4.按冶炼时脱氧程度的不同分类

·沸腾钢：为脱氧程度不完全的钢，浇注时产生沸腾现象。其特点是材料利用率高、成本低、组织不致密、力学性能较低。

·镇静钢：为脱氧程度完全的钢，浇注时钢液镇静，没有沸腾现象。其特点是组织致密、力学性能较高、质量均匀，但成本较高、材料利用率低。

·半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢，其生产过程较难控制，故使用量不大。

·特殊镇静钢：采用特殊脱氧工艺冶炼的脱氧完全的钢，其脱氧程度、质量及性能比镇静钢高。

三、碳素钢的牌号、性能及用途

1.碳素结构钢

(1)成分、性能特点及应用

碳素结构钢碳(图3-2)的质量分数为0.12%～0.24%，其有害元素和非金属夹杂物较多，按质量等级分为A、B、C和D 4级。这类钢的强度和硬度不高，但冶炼容易，价格便宜，产量大，且具有良好的塑性和焊接性，在性能上能满足一般工程结构件及普通零件的要求，因而应用普遍。碳素结构钢通常以热轧空冷状态供应，制成钢板和各种型材(圆钢、方钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢筋等)，适用于一般工程结构、桥梁、船舶和厂房等建筑结构或一些受力不大的机械零件(如螺钉、螺母、铆钉等)。优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表3-1。

图3-2　碳素结构钢

(2)牌号表示

碳素结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音首位字母“Q”、屈服强度数值、质量等级符号和脱氧方法符号4个部分按顺序组成。质量等级按硫、磷含量的多少分为A、B、C、D 4级，其中A级的硫、磷含量最高，D级的硫、磷含量最低。脱氧方法符号用F、b、Z、TZ表示，F是沸腾钢，b是半镇静钢，Z是镇静钢，TZ是特殊镇静钢。Z与TZ这两个符号在牌号组成表示方法中予以省略。

(3)牌号识读

2.优质碳素结构钢

(1)成分、性能特点及应用

优质碳素结构钢(图3-3)的化学成分和力学性能均有较严格的控制，其硫、磷的质量分数均小于0.035%，有害元素含量少。根据钢中含锰量的不同，分为普通含锰量钢(WMn=0.25%～0.80%)和较高含锰量钢(WMn=0.7%～1.2%)。这类钢是一种应用极为广泛的机械制造用钢，经热处理后具有良好的综合力学性能，常用来制造各种重要的机械零件，如轴类、齿轮、弹簧等零件。优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表3-2。

图3-3　优质碳素结构钢

(2)牌号表示

优质碳素结构钢的牌号用“两位数字”或“两位数字+锰”表示，其中两位数字表示钢中平均碳量的万分之几，如果后面加锰表示该钢中锰的含量较高。

(3)牌号识读

优质碳素结构钢一般为镇静钢，但某些含碳量较低的钢也有沸腾钢，若为沸腾钢则在牌号后面加符号F(或“沸”)，如10F(10沸)表示平均碳的质量分数为0.10%的优质碳素结构钢，为沸腾钢。用于各种专门用途的某些专用钢则在牌号后面标出规定的符号，如20G表示平均碳的质量分数为0.20%的优质碳素结构钢，为锅炉用钢。

3.碳素工具钢(GB/T 1298—2008)

(1)成分、性能特点及应用

碳素工具钢(图3.4)用于制造刀具、模具和量具等，要求具有较高的硬度、耐磨性和一定的韧性，故碳素工具钢碳的质量分数为0.65%～1.35%，而且都是优质钢或高级优质钢。此类钢的含碳量可保证钢在淬火后具有足够的硬度，虽然这类钢淬火后的硬度相近，但随着含碳量的增加，未溶渗碳体增多，使钢的耐磨性提高，而韧性下降，故不同牌号的这类钢其用途也不同。高级优质碳素工具钢淬裂倾向小，适宜制作形状复杂的刀具。各类碳素工具钢的应用见表3-3。

图3-4　碳素工具钢

(2)牌号的表示(www.xing528.com)

碳素工具钢的牌号是用“T(碳)+数字”或“T(碳)+数字+A”表示，其数字表示钢中平均碳量的千分之几，字母A表示质量为高级优质，无A表示质量为优质。

(3)牌号识读

4.铸造碳钢(GB/T 11352—2009)

(1)成分、性能特点及应用

铸造碳钢(图3-5)是将钢液直接浇注成零件毛坯的碳钢，其碳的质量分数一般为0.20%～0.60%，如果含碳量过高，则塑性变差，铸造时易产生裂纹。铸造碳钢具有良好的力学性能和较好的焊接性能，但其铸造性能并不理想，铸钢件偏析严重，内应力大。因此，铸钢件应在铸造工艺上采取适当措施，并需要通过热处理来改善其组织和性能。各类铸造碳钢的应用见表3-4。

图3-5　铸钢件

(2)牌号的表示

铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两字的汉语拼音首个字母“ZG”后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。

(3)牌号识读

【议一议】

活动一：分组讨论碳素钢按含碳量不同可以分为哪几类?并举实例说明。

活动二：分组讨论对比各种碳素钢的性能特点及牌号。

【做一做】

1.低碳钢、中碳钢和高碳钢是怎样划分的?

2.说明下列牌号属于哪类钢，并说明其符号及数字的含义，然后各举一实例，说明它们的主要用途。

Q235A、20、65Mn、T8、T12A、45、08F

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________

【拓展阅读】

一、杂质元素对碳素钢性能的影响

碳素钢中除了铁和碳两种元素外，还含有少量的硅、锰、硫、磷、氧、氮、氢等杂质元素。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碳素钢的性能和质量产生一定的影响。

1.硅(Si)

硅是钢中的有益元素，它来源于炼钢时使用的生铁和硅铁脱氧剂。炼钢后期以硅铁作脱氧剂进行脱氧反应时，硅元素不可避免地残留在钢中。硅的脱氧作用比锰要强，可有效地清除FeO，改善钢的质量。大部分硅能溶于铁素体中，形成含硅铁素体并使之强化，从而提高钢的强度、硬度和弹性，但降低钢的塑性和韧性；少量的硅以硅酸盐夹杂物的形式存在于钢中，仅作为少量杂质元素，对钢的性能影响并不显著。总的来说，硅可以提高钢的强度、硬度和弹性，是钢中的有益元素。由于硅的含量低，故其强化作用不大。钢中硅的质量分数通常不大于0.5%，在碳素镇静钢中硅的质量分数一般控制为0.17%～0.37%。

2.锰(Mn)

锰是钢中的有益元素，它是炼钢时由生铁和生铁脱氧剂带入而残留在钢中的杂质元素。锰具有较好的脱氧能力，能清除钢中的FeO，把FeO还原成铁，降低钢的脆性，改善钢的质量。锰能与硫形成高熔点的MnS，从而减轻硫对钢的危害，改善钢的热加工性能。锰与FeO、硫的反应产物大部分进入炉渣被除去，而小部分残留在钢中形成非金属夹杂物。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化，其余部分的锰溶于Fe3C中形成合金渗碳体。锰能使钢中珠光体的相对量增加并使之细化，从而使钢的强度和硬度提高。因此，一般认为锰适量时是一种有益元素。钢中锰的质量分数一般为0.25%～0.80%。

3.硫(S)

硫是钢中的有害元素，它是在炼钢时由生铁和燃料带入钢中的杂质元素。在固态下，硫在铁中的溶解度极小，主要以化合物FeS的形式存在于钢中。FeS能与铁形成低熔点共晶体(Fe+FeS)，其熔点约为985℃，并分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到1 000～1 200℃进行轧制或锻造等热加工时，晶界上的Fe+FeS共晶体已经熔化，晶粒间的结合被破坏，导致钢材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。硫不仅使钢产生热脆性，而且还会降低钢的强度和韧性。适当增加钢中铬的含量，可减轻硫的有害作用，因为硫和锰的亲和力较硫和铁的亲和力强，锰能从FeS中夺走硫而形成高熔点的MnS(熔点1 620℃)。MnS呈粒状分布在奥氏体晶粒内，它在高温下不熔化且具有一定塑性，故在轧制钢材时能有效地避免钢的热脆性。因此，钢中锰、硫含量常有定比。MnS是非金属夹杂物，在轧制时会形成热加工纤维，使钢的性能具有方向性，但在易切削钢中可适当提高硫的含量，其目的在于提高钢材的切削加工性能。此外，硫对钢的焊接性能有不良的影响，容易导致焊缝产生热裂、气孔和疏松。因此，通常情况下硫是有害杂质元素，应严格控制其含量，一般硫的质量分数不超过0.05%。

4.磷(P)

磷是由生铁带入的有害元素。磷能溶解于铁素体中形成固溶体，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度有所提高。但是，在结晶时磷也可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，这种脆化现象在低温时更为严重，称为冷脆性。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部地方发生冷脆。通常希望脆性转变温度低于工件的工作温度，以免发生脆化。一般钢中磷的质量分数达到0.10%时，冷脆性就很严重了。因此，磷是一种有害杂质元素，应严格控制它的含量，一般钢中磷的质量分数小于0.04%。

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，改善钢的切削加工性能，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。此外，钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性。

5.非金属夹杂物

在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物可能进入钢液中，从而在钢中形成非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度，严重时还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹，或使用时造成钢的突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使钢材具有各向异性，严重时横向塑性仅为纵向的一半，并使钢的冲击韧度大为降低。因此，对重要用途的钢，如弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢等，需要检查非金属夹杂物的数量、形状、大小与分布情况，并按相应的等级标准进行评定。

6.氮、氧、氢

氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成严重危害。氮存在于钢中，会导致钢硬度和强度的提高而塑性和韧性降低，使钢产生时效而变脆。为了防止氮在钢中的有害影响，在炼钢时常采用铝和铁脱氮，生成AlN和TiN，从而减轻钢的时效倾向(即固氮处理)，消除氮的脆化效应。

氧存在于钢中，会使钢的强度和塑性降低，特别是氧化物(Fe3O4、FeO、MnO、SiO2和Al2O3)等夹杂存在于钢中，加剧了钢的热脆现象，降低了钢的疲劳强度。因此，氧是有害杂质元素。

微量的氢在钢中会使钢的塑性剧烈下降，出现氢脆，造成局部显微裂纹(在显微镜下可观察到白色圆痕)，称为白点，白点是使钢产生突然断裂的根源。减少钢中含氢量的最有效方法是在炼钢时对钢进行真空处理。

总之，钢中的气体元素一般都是有害的，对钢的性能和质量影响很大，因此，必须严格控制其含量。

二、碳素钢的常用牌号、化学成分、力学性能及应用

表3-1　碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用

表3-2　优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能

续表

表3-3　碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和应用

表3-4　铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能