碳含量為0.02％～1.35％，并有硅、錳、硫、磷及其他殘余元素的鐵碳合金，簡(jiǎn)稱碳鋼。碳鋼中硅和錳是在煉鋼時(shí)作為脫氧劑而加入的，硫和磷是由爐料帶入并在煉鋼時(shí)未能除盡而成為有害雜質(zhì)。碳鋼中硅含量一般在0.37％以下，錳在1.20％以下，硫在0.055％以下，磷在0.045％以下。碳鋼中有時(shí)雖含有少量的鎳、鉻、銅等合金元素，但它并不是特意加入而是由原料帶入的。
碳鋼是目前無論在工業(yè)上，還是在生活上，都是用途最廣，用量最多的金屬材料。它廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、鐵道車輛、汽車、船舶、機(jī)械制造、化工和石油等工業(yè)部門，它還可制作切削工具、模具、量具和輕工民用產(chǎn)品。它易于冶煉，價(jià)格低廉，因此它的生產(chǎn)和應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位。碳鋼的產(chǎn)量占全部鋼產(chǎn)量的90％左右。
人類的進(jìn)步與金屬材料特別是碳鋼的冶煉技術(shù)和使用緊密聯(lián)系在一起。中國是金屬冶煉技術(shù)發(fā)達(dá)最早的國家。早在春秋末期(公元前5世紀(jì))中國的冶煉技術(shù)已很發(fā)達(dá)。并在15世紀(jì)以前一直處于世界領(lǐng)先地位。17世紀(jì)初北歐和西歐開始用生鐵冶煉熟鐵，18世紀(jì)英國大量用生鐵冶煉熟鐵，利用水力鼓風(fēng)對(duì)熔化的生鐵進(jìn)行脫碳，然后鍛造排渣，煉成低碳熟鐵(含碳量較低的碳鋼)。直至19世紀(jì)中葉空氣轉(zhuǎn)爐和平爐相繼出現(xiàn)后，人類才真正進(jìn)入鋼的時(shí)代，與此同時(shí)它也把世界帶入一個(gè)飛躍發(fā)展的歷史階段。
由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的飛躍發(fā)展，對(duì)鋼的質(zhì)量要求越來越高，用途也越來越廣。為了滿足這種要求，各工業(yè)先進(jìn)國家在大力發(fā)展合金鋼的同時(shí)，也在積極改善碳鋼的質(zhì)量，擴(kuò)大碳鋼的使用范圍。從20世紀(jì)50年代起，在煉鋼生產(chǎn)上推廣了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和連續(xù)鑄鋼，為提高碳鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量創(chuàng)造了極為有利的條件。從20世紀(jì)70年代末開始采用鋼包吹氬、噴粉以及在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中將鋼液進(jìn)行脫氣、脫硫、脫氧，脫夾雜和進(jìn)行成分微調(diào)等先進(jìn)的爐外精煉技術(shù)，使碳鋼的質(zhì)量得到更進(jìn)一步的提高。在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和電爐生產(chǎn)上采用這些先進(jìn)技術(shù)后，能生產(chǎn)低硫(%26le;5%26times;10-6)、低磷(%26le;20%26times;10-6)、低氧(%26le;10%26times;10-6)、低氫(%26le;0.7%26times;10-6)低碳(%26le;15%26times;10-6)的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼。碳鋼的使用領(lǐng)域已逐漸擴(kuò)大到油氣管道、特厚鋼板，海上鉆井平臺(tái)和其他特殊用途的重要結(jié)構(gòu)部件上。
分類 (1)按冶煉方法分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼。(2)按鋼水的脫氧程度和鋼錠宏觀組織特征分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼。(3)按鋼的質(zhì)量(主要是根據(jù)硫、磷含量)分為普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼。普通碳素鋼硫和磷含量分別允許達(dá)到0.050％和0.045％；優(yōu)質(zhì)碳素鋼硫、磷含量均在0.035％以下。(4)按鋼中含碳量劃分低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展情況的差異其碳含量范圍各國規(guī)定不一。(見低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼)。(5)按鋼的用途分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼又可分為碳素工程結(jié)構(gòu)鋼和碳素機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼。碳素工程結(jié)構(gòu)鋼指用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)等的碳素結(jié)構(gòu)鋼；碳素機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼指用于機(jī)械結(jié)構(gòu)件的碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼按質(zhì)量又可分為：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。
生產(chǎn)方式 碳鋼一般由轉(zhuǎn)爐和平爐冶煉，由電爐冶煉的不多。在生產(chǎn)中少數(shù)碳鋼澆鑄成鑄件使用，絕大多數(shù)碳鋼澆鑄成鋼錠或連鑄坯，經(jīng)軋制成鋼板，鋼管，鋼帶，鋼條和各種不同斷面形狀的型鋼。碳鋼一般在熱軋狀態(tài)下直接使用，而用于制造工具和各種機(jī)器零件時(shí)則需根據(jù)使用要求進(jìn)行熱處理，至于鑄鋼件絕大多數(shù)都要進(jìn)行熱處理。
顯微組織 與碳含量和熱處理狀態(tài)有關(guān)。碳含量對(duì)碳鋼的顯微組織影響很大。在平衡狀態(tài)下，碳含量小于0.77％的亞共析碳鋼的顯微組織是先共析鐵素體和珠光體，碳含量為0.77％的共析碳鋼的顯微組織是珠光體，碳含量大于0.77％的過共析碳鋼的顯微組織是珠光體和先共析滲碳體。亞共析碳鋼隨碳含量的增加，先共析鐵素體相對(duì)量減少，珠光體相對(duì)量增加；珠光體相對(duì)量減少，先共析滲碳體相對(duì)量增加。
力學(xué)性能 碳含量對(duì)退火碳鋼力學(xué)性能的影響如圖1所示。由圖1可知，隨碳含量增加，碳鋼的伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性下降，而硬度上升；但是抗拉強(qiáng)度先是上升，然后下降。碳鋼力學(xué)性能與碳含量的關(guān)系反映了碳鋼顯微組織與碳含量之間的關(guān)系。鐵素體是軟而塑性好的相，滲碳體是硬而脆的相。
珠光體是鐵素體與滲碳體的混合物，其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間。隨著碳含量增加，亞共析鋼中珠光體量增加，而先共析鐵素體量減少。所以亞共析鋼的伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性隨碳含量增加而降低，硬度和抗拉強(qiáng)度卻隨碳含量的增加而升高。當(dāng)碳含量增加到0.77％時(shí)顯微組織全是珠光體，而碳含量超過0.77％時(shí)，顯微組織中除了珠光體之外還有先共析滲碳體。當(dāng)過共析鋼中碳含量增加時(shí)，先穹共析滲碳體隨之增加，所以伸長率、斷面收縮率氣和沖擊韌性降低，硬度升高。但是因?yàn)橄裙参鰸B碳體以網(wǎng)狀析出，在拉伸時(shí)容易產(chǎn)生早期裂紋，從而抗拉強(qiáng)度隨碳含量增加而降低。在生產(chǎn)中為了保證鋼材既有較好的強(qiáng)度，又有一定的塑性和韌性，碳在鋼中的含量一般應(yīng)不超過1.35％。
工藝性能 主要包括切削加工性、鍛造性、焊接性和鑄造性能。
(1)切削加工性。低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，因而切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱較大，容易粘刀，而且切削不易折斷，影響加工件的表面粗糙度，故切削性差。高碳鋼中滲碳體較多，硬度高，嚴(yán)重磨損刀具，故切削性也差。中碳鋼中鐵索體與滲碳體的比例合適，硬度和塑性比較適中，其切削性較好。鋼的硬度大約在HB250時(shí)切削性最好。
鋼的顯微組織對(duì)切削性有很大影響。在低碳鋼中當(dāng)珠光體呈片狀，特別是呈細(xì)片狀時(shí)，可降低鋼的塑性，有利于切削；而以球狀存在時(shí)，不利于切削。在高碳鋼中珠光體以片狀存在，先共析滲碳體以網(wǎng)狀存在時(shí)，硬度過高，不利于切削，經(jīng)滲碳體球化退火可改善其切削性。
(2)鍛造性。鋼加熱到高溫時(shí)可獲得單相奧氏體組織，其塑性好，鍛造性好。但隨碳含量增加，奧氏體的變形阻力增加。因此高碳鋼的鍛造性比低碳鋼差。
(3)焊接性。焊接性對(duì)工程結(jié)構(gòu)來說十分重要。焊接時(shí)由于焊縫區(qū)的溫度很高，焊后冷卻速度很快，珠光體相對(duì)量增多，而且其組織較粗，甚至?xí)纬神R氏體。這時(shí)焊縫區(qū)的硬度將明顯升高或完全淬硬，塑性降低，從而容易引起焊裂。焊接熱影響區(qū)的淬硬和焊裂傾向是衡量鋼材焊接性的主要標(biāo)志，影響這種傾向的主要因素是鋼中碳含量。隨著鋼中碳含量的增加，這種傾向?qū)⒃龃?，鋼材的焊接性變差。鋼中錳、硅等元素含量對(duì)焊接性也有影響，并將按其影響作用的大小定量計(jì)算成相應(yīng)的碳，即碳當(dāng)量。低碳鋼因其碳當(dāng)量低，淬硬和焊裂傾向小，故焊接性好。
(4)鑄造性。包括流動(dòng)性、收縮性、冷熱裂和偏析傾向性等。鑄造流動(dòng)性指鋼水充滿鑄造模型的能力，主要與鋼水的化學(xué)成分和澆鑄時(shí)鋼水的溫度有關(guān)。隨著碳含量的增加，因?yàn)殇撍Y(jié)晶開始與終了的溫度間距增大，所以流動(dòng)性變差，但由于碳含量增加后，鋼水的結(jié)晶溫度降低，因此在澆鑄溫度相同時(shí)，鋼液的流動(dòng)性仍將隨著碳含量增加變好。
鑄造收縮性是指鋼液從澆鑄冷卻至室溫時(shí)產(chǎn)生的體積變化。鑄件的收縮由液態(tài)、凝固、固態(tài)收縮三部分組成。液態(tài)收縮和凝固收縮將會(huì)產(chǎn)生縮孔和疏松，固態(tài)收縮將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力從而引起開裂。當(dāng)澆鑄溫度一定時(shí)，隨著碳含量增加，液態(tài)收縮和凝固收縮量增加，但固態(tài)收縮量卻減少。因此澆鑄的鑄件中，隨著碳含量增加，產(chǎn)生縮孔和疏松的傾向性變大，但由于產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起的開裂傾向變小。
硅、錳、磷、硫等元素對(duì)性能及組織的影響碳含量是決定碳鋼性能和顯微組織的主要因素，但硅、錳、磷、硫等元素的含量對(duì)碳鋼的性能和顯微組織也有很重要的影響。有害元素的含量超過一定值時(shí)，會(huì)使碳鋼產(chǎn)生缺陷(見碳素鋼缺陷)。
(1)硅。是鋼在冶煉中采用的較強(qiáng)的脫氧劑。它將與鋼中有害的游離的氧結(jié)合生成二氧化硅和各種類型的硅酸鹽。由于脫氧鋼中含氧量降低，凝固后鋼錠組織碳tan致密性增加，化學(xué)成分偏析減輕，鋼錠質(zhì)量得到顯著的改善。鋼中加入硅，除用于脫氧外，多余的硅能溶于鐵素體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。硅的固溶量越多，鋼的強(qiáng)度和硬度提高也越多，但鋼的塑性和沖擊韌性將隨之顯著降低。因此鋼中含硅量不宜過高，在碳鋼中不超過0.40％，經(jīng)脫氧生成的二氧化硅和各種類型的硅酸鹽，大部分上浮至鋼液表面進(jìn)入渣中，少部分殘留在鋼中成為非金屬夾雜物。有些夾雜物具有良好的塑性，在熱加工時(shí)，它將沿著鋼的變形方向延伸成條帶狀。條帶狀?yuàn)A雜物使鋼的性能具有各向異性，特別是使沖擊韌性的各向異性增大更為顯著。
(2)錳。鋼的主要脫氧劑之～。它與鋼中有害的游離的氧結(jié)合生成氧化錳，其中少部分的氧化錳呈小顆粒殘留在鋼內(nèi)成為非金屬夾雜物。碳鋼中錳含量一般在0.80％以下，含錳量高的可達(dá)1.20％。碳鋼中錳大部分固溶于鐵素體中，部分還溶于滲碳體中。固溶于鐵素體將起固溶強(qiáng)化作用，并使碳鋼軋后空冷顯微組織細(xì)化，珠光體相對(duì)量增加。因此錳將提高碳鋼的強(qiáng)度和硬度。碳鋼中含0.80％以下的錳時(shí)，可稍微提高斷面收縮率和沖擊韌性。錳與鋼中的硫化合形成硫化錳，可減少硫?qū)︿摰奈：?。但它是塑性夾雜物，在熱軋時(shí)沿著軋制方向拉伸變形成條帶狀。由于這些夾雜物的強(qiáng)度較低，從而降低了鋼材的塑性和沖擊韌性，特別是橫向塑性和沖擊韌性降低得更為明顯。錳含量過高時(shí)，會(huì)顯著增加鋼的冷脆傾向，焊接性能也變壞。
(3)硫。鋼中有害元素。因硫在%26alpha;-鐵中溶解度很小，大部分以塑性硫化物夾雜物存在于鋼中，在熱加工后，呈條狀，大大降低了鋼的塑性和韌性。硫的另一種危害是使鋼在熱加工時(shí)產(chǎn)生裂紋，即引起鋼的熱脆。另外硫產(chǎn)生偏析傾向性較大，這就更加加劇鋼的熱脆危害性。硫?qū)︿摰暮附有砸灿胁涣加绊?，除易?dǎo)致焊縫熱裂外，在焊接過程中，因硫易于氧化生成二氧化硫氣體，在焊縫產(chǎn)生氣孔和疏松。因此鋼中的硫含量應(yīng)予以嚴(yán)格控制。對(duì)鋼的質(zhì)量要求越高，硫含量應(yīng)越少。鋼中硫的含量在一定范圍內(nèi)能提高鋼材的切削加工性能(見易切削鋼)。
(4)磷。鋼中有害元素。它與硫不同，在鐵素體中的溶解度大，在室溫時(shí)可以達(dá)到1.20％，而且易于產(chǎn)生偏析。磷對(duì)鋼的固溶強(qiáng)化作用很大，隨著磷含量的增加，鋼的強(qiáng)度將顯著提高，但鋼的塑性和沖擊韌性則隨之降低，特別是在低溫狀態(tài)下的沖擊韌性降低很多。當(dāng)鋼中磷含量超過0.10％時(shí)，鋼的沖擊韌性大幅度下降，同時(shí)脆性轉(zhuǎn)變溫度上升，使鋼容易產(chǎn)生脆斷，即引起鋼的冷脆。鋼中的含碳量越高，這種脆化作用越大，冷脆對(duì)承受沖擊負(fù)荷或在低溫下使用的建筑結(jié)構(gòu)是十分有害的。另外磷在焊接時(shí)容易引起焊縫冷裂并將擴(kuò)展，因此磷也是惡化鋼材焊接性的元素之一。鋼中磷含量與硫含量一樣，必須加以嚴(yán)格控制。另外磷有提高鋼材抗大氣腐蝕性能的作用，特別是磷與銅共存時(shí)，鋼材的抗大氣腐蝕性能大增。
(5)氧。鋼中有害元素。由于煉鋼前期加入礦石、吹氧或吹空氣，鋼水中不可避免地溶有一定的氧。在精煉的末期，鋼中氧含量取決于碳含量。碳含量高，則氧含量低。氧氣頂吹和底吹轉(zhuǎn)爐精煉末期，鋼中碳含量與氧含量的關(guān)系如圖2所示。
氧含量一般為(200～800)%26times;10-6。氧在固體鋼中溶解度很小。Fe-O系相圖中900℃時(shí)%26alpha;-鐵能溶解氧290%26times;10-6，500℃以下則小于10%26times;10-6。在鋼液凝固時(shí)，氧將以FeO形態(tài)析出，分布在晶界上，降低鋼的塑性。FeO和FeS形成低熔點(diǎn)(940℃)共晶，使在熱加工時(shí)發(fā)生熱脆。精煉末期向鋼中加入脫氧劑進(jìn)行脫氧，減少鋼液中的氧含量，這是保證鋼的質(zhì)量的一項(xiàng)重要操作工序。經(jīng)充分脫氧后，鋼中的氧便生成氧化物，其中部分氧化物在鋼液凝固時(shí)來不及排除而殘留在固體鋼中，便成為鋼中氧化物夾雜，一般來說，凝固后鋼中的氧幾乎全部以氧化物夾雜的形式存在。鋼中氧含量對(duì)鋼性能的影響實(shí)質(zhì)上是指鋼中氧化物夾雜的影響。這種影響及其危害程度將隨氧化物夾雜的成分、大小和在鋼中的分布狀況等情況而異。它的主要影響是降低鋼的塑性、韌性、疲勞極限、耐腐蝕性和耐磨性，并使冷熱加工性能變壞。鋼中含氧量取決于鋼的脫氧程度：鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度高，氧含量一般約為(20～40)%26times;10一；半鎮(zhèn)靜鋼次之，氧含量為(50～100)%26times;10～；沸騰鋼脫氧程度最差，氧含量為(200～40)%26times;10-6，經(jīng)過爐外精煉處理的氧含量可降至10%26times;10-6以下。鋼中氧化物夾雜的來源，除了由于脫氧產(chǎn)生脫氧產(chǎn)物以外，還有鋼液在澆鑄過程中二次氧化所生成的氧化物。要提高鋼的780純凈度必須降低鋼中氧含量，以減輕其對(duì)鋼性能的危害。
(6)氮。來自爐料以及在冶煉過程中從空氣中吸入鋼內(nèi)?？諝廪D(zhuǎn)爐鋼的氮含量最高可達(dá)0.022％，電爐鋼的氮含量為0.006％～0.016％，平爐鋼為0.004％～0.006％，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼為0.002％～0.004％。氮在%26alpha;-鐵中591℃時(shí)的溶解度為0.10％，隨溫度的降低，氮的溶解度急劇降低。低碳鋼中的氮在室溫或一定的溫度下將會(huì)極緩慢地發(fā)生脫溶，析出彌散的碳氮化物，使鋼的強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性降低。這種現(xiàn)象叫做時(shí)效。當(dāng)鋼中磷含量較高時(shí)，由氮導(dǎo)致的脆性傾向更為顯著。當(dāng)鋼中含有釩、鋁、鈦、鈮等元素時(shí)，氮與這些元素化合形成氮化物，不僅可以大大減輕其對(duì)時(shí)效敏感性的不良作用，而且通過其細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化效果，可以顯著提高鋼的強(qiáng)度而不損害其韌性。氮是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，氮廣泛地用來制造Cr%26mdash;Mn%26mdash;N系和CrMn%26mdash;Ni%26mdash;N系奧氏體鋼，因此氮在這類鋼中也是一種合金元素。
(7)氫。主要來自爐料、爐襯、鋼包、和與鋼液接觸的空氣中的水分。在鋼材進(jìn)行酸洗和電鍍時(shí)，氫也會(huì)滲入鋼材內(nèi)部。氫是有害元素，在鋼中的含量一般甚微，其溶解度隨溫度的降低而降低，對(duì)鋼的顯微組織無甚影響，對(duì)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也沒有明顯的影響，但對(duì)鋼的其他性能危害甚大，會(huì)使鋼的塑性特別是斷面收縮率顯著降低，脆性增加，引起氫脆。當(dāng)鋼中氫含量超過臨界值時(shí)，氫會(huì)從鋼中析出而產(chǎn)生白點(diǎn)。這是一種鋼材內(nèi)部出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致報(bào)廢的致命缺陷，因此在整個(gè)生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制鋼中的氫含量，特別是產(chǎn)生白點(diǎn)敏感性很強(qiáng)的高碳鋼和合金鋼更應(yīng)特別嚴(yán)格控制。
(8)鋁。強(qiáng)脫氧劑，其脫氧能力遠(yuǎn)比硅、錳高。在精煉末期鋼水一般先用錳、硅脫氧，最后用鋁作為補(bǔ)充脫氧。用鋁脫氧后生產(chǎn)的三氧化二鋁將部分殘留在鋼中成為非金屬夾雜物，剩余的鋁留在固溶體中與鋼中的氮結(jié)合形成彌散的氮化鋁。這樣鋁便具有抑制低碳鋼的時(shí)效、彌散強(qiáng)化和阻止鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長大的作用。為了獲得奧氏體晶粒長大傾向性較小的鋼，即細(xì)晶粒鋼，鋼中應(yīng)有一定含量的酸溶鋁(一般為0.02％～0.04％)。在碳鋼中以固溶狀態(tài)存在的鋁對(duì)鋼的力學(xué)性能影響不大。低碳鋼用鋁脫氧后，還能改善鋼的沖壓性能和焊接性能。
(9)銅。鋼中的非常見元素，它是從含銅的鐵水或廢鋼帶入的。鋼中少量的銅對(duì)鋼的性能并不起顯著的作用。當(dāng)含量增加到0.25％～0.30％時(shí)，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但焊接性能變壞，用于焊接結(jié)構(gòu)的低碳鋼中銅含量應(yīng)不大于0.30％，碳鋼中銅含量一般要控制在0.35％以下。銅能改善鋼水流動(dòng)性，在碳素鑄鋼中含有少量銅，對(duì)澆鑄有利。另外鋼中的銅與磷一樣有提高鋼材抗大氣腐蝕性能的作用，特別是與磷同時(shí)存在時(shí)，其效果更為顯著。但是銅含量超過0.40％的鋼在加熱時(shí)，表面層氧化具有選擇性，在氧化層下面形成富銅層。富銅層的熔點(diǎn)不超過1100℃，所以鋼坯在加熱時(shí)富銅層熔化，它沿奧氏體晶界內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致熱軋時(shí)產(chǎn)生魚鱗狀裂紋。因此含銅鋼熱軋時(shí)，要適當(dāng)降低加熱溫度，盡量縮短加熱時(shí)間。
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