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碳素钢(carbon steel)

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碳含量为0.02%~1.35%,并有硅、锰、硫、磷及其他残余元素的铁碳合金,简称碳钢。碳钢中硅和锰是在炼钢时作为脱氧剂而加入的,硫和磷是由炉料带入并在炼钢时未能除尽而成为有害杂质。碳钢中硅含量一般在0.37%以下,锰在1.20%以下,硫在0.055%以下,磷在0.045%以下。碳钢中有时虽含有少量的镍、铬、铜等合金元素,但它并不是特意加入而是由原料带入的。

碳钢是目前无论在工业上,还是在生活上,都是用途最广,用量最多的金属材料。它广泛应用于建筑、桥梁、铁道车辆、汽车、船舶、机械制造、化工和石油等工业部门,它还可制作切削工具、模具、量具和轻工民用产品。它易于冶炼,价格低廉,因此它的生产和应用在国民经济中占有很重要的地位。碳钢的产量占全部钢产量的90%左右。

人类的进步与金属材料特别是碳钢的冶炼技术和使用紧密联系在一起。中国是金属冶炼技术发达最早的国家。早在春秋末期(公元前5世纪)中国的冶炼技术已很发达。并在15世纪以前一直处于世界领先地位。17世纪初北欧和西欧开始用生铁冶炼熟铁,18世纪英国大量用生铁冶炼熟铁,利用水力鼓风对熔化的生铁进行脱碳,然后锻造排渣,炼成低碳熟铁(含碳量较低的碳钢)。直至19世纪中叶空气转炉和平炉相继出现后,人类才真正进入钢的时代,与此同时它也把世界带入一个飞跃发展的历史阶段。

由于工业生产技术的飞跃发展,对钢的质量要求越来越高,用途也越来越广。为了满足这种要求,各工业先进国家在大力发展合金钢的同时,也在积极改善碳钢的质量,扩大碳钢的使用范围。从20世纪50年代起,在炼钢生产上推广了氧气顶吹转炉和连续铸钢,为提高碳钢的产量和质量创造了极为有利的条件。从20世纪70年代末开始采用钢包吹氩、喷粉以及在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中将钢液进行脱气、脱硫、脱氧,脱夹杂和进行成分微调等先进的炉外精炼技术,使碳钢的质量得到更进一步的提高。在氧气顶吹转炉和电炉生产上采用这些先进技术后,能生产低硫(%26le;5%26times;10-6)、低磷(%26le;20%26times;10-6)、低氧(%26le;10%26times;10-6)、低氢(%26le;0.7%26times;10-6)低碳(%26le;15%26times;10-6)的高级优质碳钢。碳钢的使用领域已逐渐扩大到油气管道、特厚钢板,海上钻井平台和其他特殊用途的重要结构部件上。

分类 (1)按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。(2)按钢水的脱氧程度和钢锭宏观组织特征分为镇静钢、半镇静钢、沸腾钢。(3)按钢的质量(主要是根据硫、磷含量)分为普通碳素钢和优质碳素钢。普通碳素钢硫和磷含量分别允许达到0.050%和0.045%;优质碳素钢硫、磷含量均在0.035%以下。(4)按钢中含碳量划分低碳钢、中碳钢和高碳钢。根据生产技术发展情况的差异其碳含量范围各国规定不一。(见低碳钢,中碳钢,高碳钢)。(5)按钢的用途分为碳素结构钢和碳素工具钢。碳素结构钢又可分为碳素工程结构钢和碳素机械结构钢。碳素工程结构钢指用于建筑结构、桥梁结构、船舶结构等的碳素结构钢;碳素机械结构钢指用于机械结构件的碳素结构钢。碳素结构钢按质量又可分为:普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

生产方式 碳钢一般由转炉和平炉冶炼,由电炉冶炼的不多。在生产中少数碳钢浇铸成铸件使用,绝大多数碳钢浇铸成钢锭或连铸坯,经轧制成钢板,钢管,钢带,钢条和各种不同断面形状的型钢。碳钢一般在热轧状态下直接使用,而用于制造工具和各种机器零件时则需根据使用要求进行热处理,至于铸钢件绝大多数都要进行热处理。

显微组织 与碳含量和热处理状态有关。碳含量对碳钢的显微组织影响很大。在平衡状态下,碳含量小于0.77%的亚共析碳钢的显微组织是先共析铁素体和珠光体,碳含量为0.77%的共析碳钢的显微组织是珠光体,碳含量大于0.77%的过共析碳钢的显微组织是珠光体和先共析渗碳体。亚共析碳钢随碳含量的增加,先共析铁素体相对量减少,珠光体相对量增加;珠光体相对量减少,先共析渗碳体相对量增加。

力学性能 碳含量对退火碳钢力学性能的影响如图1所示。由图1可知,随碳含量增加,碳钢的伸长率、断面收缩率和冲击韧性下降,而硬度上升;但是抗拉强度先是上升,然后下降。碳钢力学性能与碳含量的关系反映了碳钢显微组织与碳含量之间的关系。铁素体是软而塑性好的相,渗碳体是硬而脆的相。

珠光体是铁素体与渗碳体的混合物,其力学性能介于铁素体和渗碳体之间。随着碳含量增加,亚共析钢中珠光体量增加,而先共析铁素体量减少。所以亚共析钢的伸长率、断面收缩率和冲击韧性随碳含量增加而降低,硬度和抗拉强度却随碳含量的增加而升高。当碳含量增加到0.77%时显微组织全是珠光体,而碳含量超过0.77%时,显微组织中除了珠光体之外还有先共析渗碳体。当过共析钢中碳含量增加时,先穹共析渗碳体随之增加,所以伸长率、断面收缩率气和冲击韧性降低,硬度升高。但是因为先共析渗碳体以网状析出,在拉伸时容易产生早期裂纹,从而抗拉强度随碳含量增加而降低。在生产中为了保证钢材既有较好的强度,又有一定的塑性和韧性,碳在钢中的含量一般应不超过1.35%。

工艺性能 主要包括切削加工性、锻造性、焊接性和铸造性能。

(1)切削加工性。低碳钢中铁素体较多,塑性好,因而切削时产生的切削热较大,容易粘刀,而且切削不易折断,影响加工件的表面粗糙度,故切削性差。高碳钢中渗碳体较多,硬度高,严重磨损刀具,故切削性也差。中碳钢中铁索体与渗碳体的比例合适,硬度和塑性比较适中,其切削性较好。钢的硬度大约在HB250时切削性最好。

钢的显微组织对切削性有很大影响。在低碳钢中当珠光体呈片状,特别是呈细片状时,可降低钢的塑性,有利于切削;而以球状存在时,不利于切削。在高碳钢中珠光体以片状存在,先共析渗碳体以网状存在时,硬度过高,不利于切削,经渗碳体球化退火可改善其切削性。

(2)锻造性。钢加热到高温时可获得单相奥氏体组织,其塑性好,锻造性好。但随碳含量增加,奥氏体的变形阻力增加。因此高碳钢的锻造性比低碳钢差。

(3)焊接性。焊接性对工程结构来说十分重要。焊接时由于焊缝区的温度很高,焊后冷却速度很快,珠光体相对量增多,而且其组织较粗,甚至会形成马氏体。这时焊缝区的硬度将明显升高或完全淬硬,塑性降低,从而容易引起焊裂。焊接热影响区的淬硬和焊裂倾向是衡量钢材焊接性的主要标志,影响这种倾向的主要因素是钢中碳含量。随着钢中碳含量的增加,这种倾向将增大,钢材的焊接性变差。钢中锰、硅等元素含量对焊接性也有影响,并将按其影响作用的大小定量计算成相应的碳,即碳当量。低碳钢因其碳当量低,淬硬和焊裂倾向小,故焊接性好。

(4)铸造性。包括流动性、收缩性、冷热裂和偏析倾向性等。铸造流动性指钢水充满铸造模型的能力,主要与钢水的化学成分和浇铸时钢水的温度有关。随着碳含量的增加,因为钢水结晶开始与终了的温度间距增大,所以流动性变差,但由于碳含量增加后,钢水的结晶温度降低,因此在浇铸温度相同时,钢液的流动性仍将随着碳含量增加变好。

铸造收缩性是指钢液从浇铸冷却至室温时产生的体积变化。铸件的收缩由液态、凝固、固态收缩三部分组成。液态收缩和凝固收缩将会产生缩孔和疏松,固态收缩将会产生内应力从而引起开裂。当浇铸温度一定时,随着碳含量增加,液态收缩和凝固收缩量增加,但固态收缩量却减少。因此浇铸的铸件中,随着碳含量增加,产生缩孔和疏松的倾向性变大,但由于产生内应力而引起的开裂倾向变小。

硅、锰、磷、硫等元素对性能及组织的影响碳含量是决定碳钢性能和显微组织的主要因素,但硅、锰、磷、硫等元素的含量对碳钢的性能和显微组织也有很重要的影响。有害元素的含量超过一定值时,会使碳钢产生缺陷(见碳素钢缺陷)。

(1)硅。是钢在冶炼中采用的较强的脱氧剂。它将与钢中有害的游离的氧结合生成二氧化硅和各种类型的硅酸盐。由于脱氧钢中含氧量降低,凝固后钢锭组织碳tan致密性增加,化学成分偏析减轻,钢锭质量得到显著的改善。钢中加入硅,除用于脱氧外,多余的硅能溶于铁素体中,产生固溶强化作用,提高钢的强度和硬度。硅的固溶量越多,钢的强度和硬度提高也越多,但钢的塑性和冲击韧性将随之显著降低。因此钢中含硅量不宜过高,在碳钢中不超过0.40%,经脱氧生成的二氧化硅和各种类型的硅酸盐,大部分上浮至钢液表面进入渣中,少部分残留在钢中成为非金属夹杂物。有些夹杂物具有良好的塑性,在热加工时,它将沿着钢的变形方向延伸成条带状。条带状夹杂物使钢的性能具有各向异性,特别是使冲击韧性的各向异性增大更为显著。

(2)锰。钢的主要脱氧剂之~。它与钢中有害的游离的氧结合生成氧化锰,其中少部分的氧化锰呈小颗粒残留在钢内成为非金属夹杂物。碳钢中锰含量一般在0.80%以下,含锰量高的可达1.20%。碳钢中锰大部分固溶于铁素体中,部分还溶于渗碳体中。固溶于铁素体将起固溶强化作用,并使碳钢轧后空冷显微组织细化,珠光体相对量增加。因此锰将提高碳钢的强度和硬度。碳钢中含0.80%以下的锰时,可稍微提高断面收缩率和冲击韧性。锰与钢中的硫化合形成硫化锰,可减少硫对钢的危害。但它是塑性夹杂物,在热轧时沿着轧制方向拉伸变形成条带状。由于这些夹杂物的强度较低,从而降低了钢材的塑性和冲击韧性,特别是横向塑性和冲击韧性降低得更为明显。锰含量过高时,会显著增加钢的冷脆倾向,焊接性能也变坏。

(3)硫。钢中有害元素。因硫在%26alpha;-铁中溶解度很小,大部分以塑性硫化物夹杂物存在于钢中,在热加工后,呈条状,大大降低了钢的塑性和韧性。硫的另一种危害是使钢在热加工时产生裂纹,即引起钢的热脆。另外硫产生偏析倾向性较大,这就更加加剧钢的热脆危害性。硫对钢的焊接性也有不良影响,除易导致焊缝热裂外,在焊接过程中,因硫易于氧化生成二氧化硫气体,在焊缝产生气孔和疏松。因此钢中的硫含量应予以严格控制。对钢的质量要求越高,硫含量应越少。钢中硫的含量在一定范围内能提高钢材的切削加工性能(见易切削钢)。

(4)磷。钢中有害元素。它与硫不同,在铁素体中的溶解度大,在室温时可以达到1.20%,而且易于产生偏析。磷对钢的固溶强化作用很大,随着磷含量的增加,钢的强度将显著提高,但钢的塑性和冲击韧性则随之降低,特别是在低温状态下的冲击韧性降低很多。当钢中磷含量超过0.10%时,钢的冲击韧性大幅度下降,同时脆性转变温度上升,使钢容易产生脆断,即引起钢的冷脆。钢中的含碳量越高,这种脆化作用越大,冷脆对承受冲击负荷或在低温下使用的建筑结构是十分有害的。另外磷在焊接时容易引起焊缝冷裂并将扩展,因此磷也是恶化钢材焊接性的元素之一。钢中磷含量与硫含量一样,必须加以严格控制。另外磷有提高钢材抗大气腐蚀性能的作用,特别是磷与铜共存时,钢材的抗大气腐蚀性能大增。

(5)氧。钢中有害元素。由于炼钢前期加入矿石、吹氧或吹空气,钢水中不可避免地溶有一定的氧。在精炼的末期,钢中氧含量取决于碳含量。碳含量高,则氧含量低。氧气顶吹和底吹转炉精炼末期,钢中碳含量与氧含量的关系如图2所示。

氧含量一般为(200~800)%26times;10-6。氧在固体钢中溶解度很小。Fe-O系相图中900℃时%26alpha;-铁能溶解氧290%26times;10-6,500℃以下则小于10%26times;10-6。在钢液凝固时,氧将以FeO形态析出,分布在晶界上,降低钢的塑性。FeO和FeS形成低熔点(940℃)共晶,使在热加工时发生热脆。精炼末期向钢中加入脱氧剂进行脱氧,减少钢液中的氧含量,这是保证钢的质量的一项重要操作工序。经充分脱氧后,钢中的氧便生成氧化物,其中部分氧化物在钢液凝固时来不及排除而残留在固体钢中,便成为钢中氧化物夹杂,一般来说,凝固后钢中的氧几乎全部以氧化物夹杂的形式存在。钢中氧含量对钢性能的影响实质上是指钢中氧化物夹杂的影响。这种影响及其危害程度将随氧化物夹杂的成分、大小和在钢中的分布状况等情况而异。它的主要影响是降低钢的塑性、韧性、疲劳极限、耐腐蚀性和耐磨性,并使冷热加工性能变坏。钢中含氧量取决于钢的脱氧程度:镇静钢的脱氧程度高,氧含量一般约为(20~40)%26times;10一;半镇静钢次之,氧含量为(50~100)%26times;10~;沸腾钢脱氧程度最差,氧含量为(200~40)%26times;10-6,经过炉外精炼处理的氧含量可降至10%26times;10-6以下。钢中氧化物夹杂的来源,除了由于脱氧产生脱氧产物以外,还有钢液在浇铸过程中二次氧化所生成的氧化物。要提高钢的780纯净度必须降低钢中氧含量,以减轻其对钢性能的危害。

(6)氮。来自炉料以及在冶炼过程中从空气中吸入钢内。空气转炉钢的氮含量最高可达0.022%,电炉钢的氮含量为0.006%~0.016%,平炉钢为0.004%~0.006%,氧气顶吹转炉钢为0.002%~0.004%。氮在%26alpha;-铁中591℃时的溶解度为0.10%,随温度的降低,氮的溶解度急剧降低。低碳钢中的氮在室温或一定的温度下将会极缓慢地发生脱溶,析出弥散的碳氮化物,使钢的强度和硬度升高,塑性和韧性降低。这种现象叫做时效。当钢中磷含量较高时,由氮导致的脆性倾向更为显著。当钢中含有钒、铝、钛、铌等元素时,氮与这些元素化合形成氮化物,不仅可以大大减轻其对时效敏感性的不良作用,而且通过其细化晶粒和弥散强化效果,可以显著提高钢的强度而不损害其韧性。氮是扩大奥氏体区的元素,氮广泛地用来制造Cr%26mdash;Mn%26mdash;N系和CrMn%26mdash;Ni%26mdash;N系奥氏体钢,因此氮在这类钢中也是一种合金元素。

(7)氢。主要来自炉料、炉衬、钢包、和与钢液接触的空气中的水分。在钢材进行酸洗和电镀时,氢也会渗入钢材内部。氢是有害元素,在钢中的含量一般甚微,其溶解度随温度的降低而降低,对钢的显微组织无甚影响,对钢的抗拉强度和屈服强度也没有明显的影响,但对钢的其他性能危害甚大,会使钢的塑性特别是断面收缩率显著降低,脆性增加,引起氢脆。当钢中氢含量超过临界值时,氢会从钢中析出而产生白点。这是一种钢材内部出现裂纹而导致报废的致命缺陷,因此在整个生产过程中必须严格控制钢中的氢含量,特别是产生白点敏感性很强的高碳钢和合金钢更应特别严格控制。

(8)铝。强脱氧剂,其脱氧能力远比硅、锰高。在精炼末期钢水一般先用锰、硅脱氧,最后用铝作为补充脱氧。用铝脱氧后生产的三氧化二铝将部分残留在钢中成为非金属夹杂物,剩余的铝留在固溶体中与钢中的氮结合形成弥散的氮化铝。这样铝便具有抑制低碳钢的时效、弥散强化和阻止钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用。为了获得奥氏体晶粒长大倾向性较小的钢,即细晶粒钢,钢中应有一定含量的酸溶铝(一般为0.02%~0.04%)。在碳钢中以固溶状态存在的铝对钢的力学性能影响不大。低碳钢用铝脱氧后,还能改善钢的冲压性能和焊接性能。

(9)铜。钢中的非常见元素,它是从含铜的铁水或废钢带入的。钢中少量的铜对钢的性能并不起显著的作用。当含量增加到0.25%~0.30%时,钢材的强度有所提高,但焊接性能变坏,用于焊接结构的低碳钢中铜含量应不大于0.30%,碳钢中铜含量一般要控制在0.35%以下。铜能改善钢水流动性,在碳素铸钢中含有少量铜,对浇铸有利。另外钢中的铜与磷一样有提高钢材抗大气腐蚀性能的作用,特别是与磷同时存在时,其效果更为显著。但是铜含量超过0.40%的钢在加热时,表面层氧化具有选择性,在氧化层下面形成富铜层。富铜层的熔点不超过1100℃,所以钢坯在加热时富铜层熔化,它沿奥氏体晶界内扩散,导致热轧时产生鱼鳞状裂纹。因此含铜钢热轧时,要适当降低加热温度,尽量缩短加热时间。


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