第三節(jié)    非合金鋼（碳鋼）

[鋼]：是指以鐵為主要元素，碳的質量分數(shù)Wc<2.11%并含有少量硅、錳、磷、硫等雜質元素的鐵碳合金。根據(jù)國家標準GB/T13304-1991規(guī)定，鋼按化學成分分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼三類。

[非合金鋼]：是指鋼中各元素含量低于規(guī)定值的鐵碳合金。（碳鋼）不僅價格低廉，容易加工，而且能滿足一般工程結構和機械零件的使用性能要求，是最廣泛應用的材料。

一、雜質元素對鋼性能的影響

鋼中常存雜質元素是鋼冶煉時進入的，它們對鋼的性能有一定的影響。

1、錳的影響

錳是由煉鐵原料鐵礦石及煉鋼時加脫氧劑（錳鐵）中帶入的，非合金鋼中錳的質量分數(shù)一般約為0.25%~0.80%。錳的脫氧能力較好，能清除鋼中的FeO，降低鋼的脆性，與硫化合成MnS，可以減輕硫的有害作用。錳還能溶于鐵素體形成置換固溶體，產(chǎn)生固溶強化,提高鋼的強度和硬度。錳在鋼中是一種有益元素。

2、硅的影響

硅是由煉鐵原料鐵礦石及煉鋼時加脫氧劑（硅鐵）中帶入的，非合金鋼中錳的質量分數(shù)一般約為0.10%~0.40%，硅的脫氧能力比錳強，與鋼液中的FeO生成爐渣，清除FeO對鋼質量的不良影響，也能溶于鐵素體中產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的強度和硬度，硅在鋼中也是一種有益元素。

3、硫的影響

硫是在煉鐵時由礦石和燃料帶進的，它不溶于鐵，而是以化合物FeS的形式存在。FeS與Fe形成低熔點共晶體（熔點為985℃），分布在奧氏體的晶界上。當鋼在1000~1250℃進行熱加工時，由于晶界處共晶體熔化，將導致鋼變脆而開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。因此，硫在鋼中是一種有害元素，必須嚴格控制。

4、磷的影響

磷是煉鐵時由礦石帶進的，在常溫下能溶入鐵素體，使鋼的強度、硬度提高，但使塑性和韌性降低。尤其在低溫下會使鋼的塑性、韌性急劇下降，脆性轉化溫度升高。這種現(xiàn)象稱為冷脆。在一般鋼中，磷是有害元素，應嚴格控制。

硫和磷雖是鋼中的有害元素，但適當提高它在鋼中的含量（一般Ws=0.08％~0.35%、Wp=0.05%~0.15%），可以改善鋼的切削加工性能，降價低工件表面粗糙度。

二、非合金鋼的分類

非合金鋼的種類很多，常按以下方法分類。

1、按鋼中碳的質量分數(shù)分類

低碳鋼（Wc<0.25%）、中碳鋼（0.25≤Wc≤0.60%）、高碳鋼（Wc>0.60%）。

2、按鋼的用途分類

碳素結構鋼   主要用于制作機械零件，工程結構件，一般屬于低、中碳鋼。

碳素工具鋼  主要用于制作刀具、量具和模具。一般屬于高碳鋼。

3、按鋼的主要質量等級分類

普通質量非合金鋼（Ws≥0.045%、Wp≥0.045%）。普通質量碳鋼是指不規(guī)定生產(chǎn)過程中需要特別控制質量要求的鋼種。主要包括：一般用途碳素結構鋼、碳素鋼筋鋼、鐵道用一般碳鋼等。

優(yōu)質非合金鋼（硫、磷含量比普通質量碳鋼少），優(yōu)質碳鋼是指除普通質量碳鋼和特殊質量碳鋼以外的碳鋼，在生產(chǎn)過程中需要特別控制質量（例如控制晶粒度、降低硫、磷含量、改善表面質量等），以達到特殊的質量要求（與普通質量碳鋼相比，有良好的抗脆斷性能和冷成型性等）。主要包括：機械結構用優(yōu)質碳鋼、工程結構用碳鋼、沖壓薄板的低碳結構鋼、焊條用碳鋼、非合金易切削結構鋼、優(yōu)質鑄造碳鋼等。

特殊質量非合金鋼（Ws≤0.02%，Wp<0.020%），特殊質量碳鋼是指在生產(chǎn)過程中需要特別嚴格控制質量和性能（例如控制淬透性和純潔度）的碳鋼。主要包括：保證淬透性碳鋼、鐵道用特殊碳鋼、航空、兵器等專用碳鋼、核能用碳鋼、特殊焊條用鋼、碳素彈簧鋼、碳素工具鋼和特殊易切削鋼等。

此外，鋼按冶煉方法不同；可分為轉爐鋼和電爐鋼；鋼按冶煉時脫氧程度的不同，可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼等。

三、常用非合金鋼

1、碳素結構鋼

牌號表示方法：由屈服點漢語拼音字母字首Q，屈服點數(shù)值、質量等級符號、脫氧方法符號四部分按順序組成。例如Q235-A·F，表示σs≥235MPa，質量等級為A級，脫氧方法為沸騰鋼的碳素結構鋼。

特性：價格低廉，工藝性能（如焊接性和冷成形性）優(yōu)良。

應用：主要用于一般工程結構和普通機械零件。碳素結構鋼通常熱軋成各種型材（如圓鋼.方鋼.工字鋼等），一般不經(jīng)熱而直接使用。

195、Q215，通常軋制成薄板、鋼筋供應市場。也可用于制作鉚釘、螺釘、輕負荷的沖壓零件和焊接結構件等；

Q235、Q255強度稍高，可制作螺栓、螺母、銷子、吊鉤和不太重要的機械零件以及建筑結構中的螺紋鋼、型鋼、鋼筋等；質量較好的Q235C，D級可作為重要焊接結構用材；

Q275鋼可部分代替優(yōu)質碳素結構鋼25、30、35鋼使用。 

碳素結構鋼的牌號、化學成分和力學性能（摘自GB/T 700-88）

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2、優(yōu)質碳素結構鋼 

牌號表示方法：用鋼中平均含碳量的萬分數(shù)表示鋼號。例如45鋼，表示平均Wc=0.45%的優(yōu)質碳素結構鋼。當鋼中含錳量較高（WMn=0.7%~1.2%）時，在兩位數(shù)字后面加上符號“Mn”，如65Mn鋼，表示平均Wc=0.65%，并含有較多錳的優(yōu)質碳素結構鋼（WMn=0.9%~1.2%）。如果是高級優(yōu)質鋼，在數(shù)字后面加上符號“A”；特級優(yōu)質鋼在數(shù)字后面加上符號“E”。

特性：與碳素結構鋼相比，夾雜物較少，質量較好。力學性能根據(jù)碳質量分數(shù)不同有較差異。
    應用：主要用于機械零件，一般都要經(jīng)過熱處理后使用。
    典型優(yōu)質碳素鋼的應用：
    08F鋼，碳質量分數(shù)低，塑性好，強度低，軋成薄板，主要用于冷沖壓件如家電、汽車和儀表外殼；
    20鋼，冷塑性變形和焊接性好可用于強度要求不高的零件及滲碳零件，例如機罩、焊接容器，小軸、螺母、墊圈及滲碳齒輪等；點擊顯示低碳鋼應用實例
    45鋼，經(jīng)調(diào)質后可獲得良好的綜合力學性能，中碳鋼主要用于受力較大的機械零件，如齒輪、連桿、軸等
    65鋼（65Mn）鋼具有較高的強度；可用于制造各種彈簧、機車輪緣、低速車輪等。

表2-5 優(yōu)質碳素結構鋼牌號、熱處理、力學性能（摘自GB/T699—1999）  

3、碳素工具鋼

       牌號表示方法：用“碳”字漢語拼音字母字首“T”加上數(shù)字表示。數(shù)字表示鋼平均含碳量的千分數(shù)。例如T12鋼表示W(wǎng)c=1.2%的碳素工具鋼。如果牌號未尾處寫上“A”，則表示鋼中含硫、磷量較少，為高級優(yōu)質鋼，如末尾處加上“Mn”,則表示含錳量較高。  

       特性：碳素工具鋼（非合金工具鋼）的Wc=0.65%~1.35%，特點是生產(chǎn)成本低，加工性能優(yōu)良、強度、硬度較高，耐磨性好，但塑韌性較差
       應用：適用于各種手用工具。此類鋼一般以退火狀態(tài)供應市場。使用時再進行適當?shù)臒崽幚怼?nbsp;

碳素工具鋼的牌號、化學成分、性能和用途（摘自GB/T1298-86）

4、鑄造碳鋼

       牌號表示方法：用“鑄”和“鋼”兩字漢語拼音字母字首“ZG”后加兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字表示屈服點的最低值，第二組數(shù)字表示抗拉強度的最低值。例如ZG200-400，表示σs≥200MPa，σb≥400MPa的鑄鋼。  

       特性：鑄鋼碳的質量分數(shù)一般為0.15%~0.6%。鑄鋼的鑄造性能比鑄鐵差，但力學性能比鑄鐵好

       應用：鑄鋼主要用于制造形狀復雜，力學性能要求高，而在工藝上又很難用鍛壓等方法成形的比較重要的機械零件，例如汽車的變速箱殼，機車車輛的車鉤和聯(lián)軸器等。

工程用鑄造碳鋼的牌號、化學成分、力學性能及應用舉例（摘自GB/T 11352-95）

附表：碳素鑄鋼中外牌號近似對照