碳鋼（Carbon steel），是碳的質量分數在0.0218%~2.11%之間的鐵碳合金，也叫碳素鋼，簡稱碳鋼。一般含有少量的硅、錳、硫、磷等雜質元素。碳鋼通常軋制成一般工程構件、機械零件和工具等。碳鋼中含碳量越高則硬度越大，強度也越高，但塑性和韌性降低。
碳鋼的分類方法很多，按用途分，碳鋼分為碳素結構鋼、碳素工具鋼和易切削結構鋼三類。其中碳素結構鋼又分為工程構建鋼和機器制造結構鋼兩種。鋼的熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定的介質中加熱、保溫和冷卻,以改變材料整體或表面組織,從而獲得所需性能的工藝方法。碳的質量分數小于0.1%的鑄鋼，其第一位數字為“0”牌號中名義碳的質量分數用上.限表示;碳的質量分數大于等于0.1%的鑄鋼，牌號中名義碳的質量分數用平均碳含量表示。碳鋼存在淬[cuì]透性低、碳鋼的強度和屈強比較低、碳鋼的回火穩(wěn)定性差、綜合性能差等缺點，現(xiàn)代科學技術和工業(yè)的發(fā)展對材料提出了更高的要求，為了彌補碳鋼存在的不足，特意在碳鋼中加入一些合金元素，即形成合金鋼。
簡介
碳的質量分數在0.0218%~2.11%之間，且不含有特意加入合金元素的鐵碳合金，稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。碳鋼正處于純鐵與生鐵之間的合金區(qū)間，兼具強度可調性與良好塑韌性，冶煉方便，價格便宜，性能可滿足一般工程構件、機械零件和工具的使用要求，因此是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的主體材料并得到了廣泛應用。
分類
碳鋼的分類方法很多，以碳的質量分數可分為高碳鋼(碳的質量分數>0.6%)、中碳鋼(碳的質量分數=0.25%~0.6%)和低碳鋼(碳的質量分數<0.25%);以冶煉方法可分為平爐鋼和轉爐鋼;以冶煉質量可分為普通碳素鋼(磷、硫含量較高)、優(yōu)質碳素鋼(磷、硫含量較低)和高級優(yōu)質鋼(磷、硫含量更低)和特級優(yōu)質鋼。一般應用最多的是按用途進行分類，即:
性能參數
碳的質量分數小于0.1%的鑄鋼，其第一位數字為“0”牌號中名義碳的質量分數用上.限表示;碳的質量分數大于等于0.1%的鑄鋼，牌號中名義碳的質量分數用平均碳含量表示。在名義碳的質量分數后面排列各主要合金元素符號，在元素符號后用阿拉伯數字表示合金元素名義含量(以百分之幾計)。合金元素平均含量小于1.50%時，牌號中只標明元素符號，一般不標明含量;合金元素平均含量為1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.4%..時，在合金元素符號后面相應寫成2、3、4、5..。.當主要合金化元素多于三種時，可以在牌號中只標注前兩種或前三種元素的名義含量值;各元素符號的標注順序按它們的平均含量的遞減順序排列。若兩種或多種元素平均含量相同，則按元素符號的英文字母順序排列。鑄鋼中常規(guī)的錳、硅、磷、硫等化學元素般在牌號中不標明。在特殊情況下，當同一牌號分幾個品種時，可在牌號后面用“.”隔開，用阿拉伯數字標注品種序號。
碳素結構鋼
碳素結構鋼牌號由代表屈服強度的字母(Q)、屈服強度數值(3位數字，單位為MPa)、質量等級符號(A、B、C、D)、脫氧方法符號(F表示沸騰，Z表示鎮(zhèn)靜，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜，注意“Z”和“TZ"符號可以省略)組成。如Q235AF表示屈服強度為235MPa，質量等級為A的沸騰鋼。
根據GB/T700--2006《碳素結構鋼》中體現(xiàn)了其力學性能，常見的碳素結構鋼中:Q195、Q215、Q235A、Q235B等塑性較好，有一定的強度，需指出的是，該類鋼一般是在熱軋狀態(tài)下使用，不再進行熱處理;但對某些零件也可以進行退火、調質、滲碳等處理，以提高其使用性能。
優(yōu)質碳素結構鋼
優(yōu)質碳素結構鋼的牌號優(yōu)質碳素結構鋼牌號開頭的兩位數字表示鋼中碳的名義質量分數，以碳的質量分數的萬分數表示。例如，碳的質量分數為0.45%的鋼，鋼牌號為45。如果鋼中錳含量較高，應將錳元素標出，如50Mn。
工模具鋼
工模具鋼牌號由代表工模具鋼的字母T、碳的名義質量分數(以碳的質量分數的千分數表示)、質量等級符號(不標則為普通等級;A表示高級優(yōu)質)組成。如T8A表示碳的質量分數為8%o，即0.8%的高級優(yōu)質工模具鋼。T10表示碳的質量分數為1%的工模具鋼。
鑄鋼
鑄鋼中碳的質量分數一般在0.20%~0.60%之間。若碳的質量分數過高，則塑性變差，鑄造時易產生裂紋。
鑄鋼牌號有兩種表示方法。
方法一是由代表鑄鋼的字母ZG、屈服強度最低值(3位數字，單位為MPa)、抗拉強度最低值(3位數字，單位為MPa)組成。如ZG200-400表示屈服強度為200MPa、抗拉強度為400MPa的鑄鋼。
方法二，以化學成分為主要驗收依據的鑄造碳鋼，這類鑄鋼在ZG后面接---組數字，是以萬分數表示的碳的名義質量分數，如ZG25。
生產工藝
生產方法
平爐鋼
平爐是一種火焰反射式蓄熱爐。它的爐膛是由下面的爐底,上面的爐頂、后墻和前墻圍成的。爐底呈槽形,靠近前墻和后墻處均有斜坡。平爐爐襯可以是堿性的，此時稱為堿性平爐,爐襯也可以是酸性的,稱為酸性平爐。熔渣內堿性氧化物居多的煉鋼過程稱為堿性平爐煉鋼法，熔渣內酸性氧化物居多的煉鋼過程稱為酸性平爐煉鋼法。堿性平爐用鎂磚砌成,然后鋪上鎂砂,并砸實。酸性平爐用硅磚砌成,爐底鋪上石英砂,并砸實。平爐爐頂用硅磚或鎂鉻磚砌成。平爐的裝料口在前墻上,出鋼口在后墻上。
爐頭出口處的火焰溫度高達1750一1800C,用它對爐膛和爐料進行加熱。在熔煉過程中火焰能促使爐料中各種雜質氧化。
根據爐料的組成情況，平爐煉鋼法又分為兩種:1、廢鋼法和；2、廢鋼礦石法。采用廢鋼法時,爐料由廢鋼(碎鋼)和25一45%的煉鋼生鐵錠組成。廢鋼法用在沒有高爐且又擁有大量廢鋼的工業(yè)中心地帶的工廠。采用廢鋼礦石法時,爐料由液體生鐵(55一75%)、廢鋼和鐵礦石組成。這種方法用在有高爐的冶金廠。絕大部分的鋼是用廢鋼礦石法在堿性平爐中熔煉的。因為在堿性平爐熔煉時可以使用各種不同的爐料。
廢鋼法和
在爐料熔化,大部分雜質被氧化和金屬液升溫后,熔池即進人“沸騰”階段:此時要向爐內投入鐵礦石或沿導管向熔池吹氧。金屬液中的碳被強烈氧化,生成一氧化碳。此時停止向爐內送入燃料和空氣，并除渣。為了脫去鋼液中的硫,要往鋼液表面加生石灰以造出新渣,同時還要加入鋁礬土或螢石以降低熔渣的粘度。這時熔渣中CaO含量增加,而FeO含量降低,從而為反應式和反應式的強化進行,即為鋼液脫硫創(chuàng)造了條件。在“沸騰”階段碳被強烈氧化。因此，為使熔池“沸騰”，爐料中應含過量的碳(超過0.5一0.6%),即鋼液中的含碳量要高于規(guī)定的含碳量。在“沸騰”過程中應使鋼液達到規(guī)定的化學成分,使整個熔池內的鋼液溫度趨于均衡,要把氣體和非金屬夾雜物從鋼液中排除出去。如果鋼液中的含碳量達到了規(guī)定要求,含磷量降低到了最低限度,那就可以認為“沸騰”過程已經結束。鋼液脫氧分兩個階段進行:1)在“沸騰”階段,一方面要停止向爐中加入礦石,通過鋼液中的碳被氧化來達到脫氧的目的;另一方面還要向熔池中投入脫氧劑,如錳鐵、硅鐵、鋁。2)出鋼時向澆包撒放鋁和硅鐵進行最終脫氧。抽樣化驗合格后從后墻上的出鋼口把鋼液放到澆包中。
酸性平爐煉鋼法
優(yōu)質鋼用酸性平爐煉鋼法熔煉。由于爐內砌有酸性爐襯,所以不能為脫磷和脫硫造堿性渣。為此要選用含硫、含磷低的爐料。酸性平爐鋼含氫,氧和非金屬夾雜物比堿性平爐鋼少，因此酸性平爐鋼具有較高的機械性能，特別是具有較高的沖擊韌性和塑性，常用于制造特別重要的零件,如:大型發(fā)動機曲軸、大功率渦輪機轉子、滾動軸承等。
轉爐鋼
吹氧轉爐煉鋼就是在堿性爐襯的轉爐中,經過水冷吹氧管吹人氧氣把液體生鐵熔煉成鋼。
吹氧轉爐
轉爐爐體是用鋼板制成的梨形容器，內砌堿性耐火磚。轉爐容量為130一350t。在工作過程中為了加入廢鋼、倒入液體生鐵及出鋼和出渣,轉爐可以圍繞水平耳軸旋轉360°*。吹氧轉爐煉鋼用的爐料是液體煉鋼生鐵,廢鋼(不多于30%),造渣用的生石灰、鐵礦石以及稀釋熔渣用的鋁礬土(AlzOz),螢石(CaFz)等。
熔煉工藝
熔煉前使轉爐傾斜,經過爐口用裝料機加入廢鋼(圖2.4,a)，倒入1250一1400的液體生鐵。然后將爐體轉至垂直工作位置,插入水冷吹氧管，用它來吹入壓力為0.9一1.4MPa的氧氣。在開始吹氧時，需向爐內加入石灰、鋁釩土,鐵礦石。氧氣流鉆入鐵水，引起了液體生鐵的對流，并使其與熔渣攪拌在一起。由于生鐵中的雜質與氧作用時會被強烈氧化,故吹氧管下面的區(qū)域內溫度可升高到2400°C由于鐵的濃度比雜質濃度大許多倍，所以在氧氣流與生鐵接觸的區(qū)域里首先把鐵氧化。生成的氧化鐵溶于熔渣和生鐵之中，這就大大增加了液體生鐵中的含氧量。溶于液體生鐵中的氧能氧化生鐵中的硅,錳、碳,使其含量降低。而且雜質氧化時所放出的熱還能加熱金屬熔池,使金屬保持液態(tài)。
在吹氧轉爐中,CaO和FeO在熔渣內的含最都高,而且金屬液和熔渣均處于攪動之中，從金屬中脫去磷創(chuàng)造了條件。脫磷是在吹氧初期進行的,此時金屬熔池的溫度不高。在轉爐精煉的生鐵中磷的含量不應大于0.15%。磷的含量高(達0.3%)時,要脫去磷則必須放渣和重新造渣，但這樣做就會降低轉爐的生產率。硫從金屬內排除到熔渣中是在整個熔煉時間內按反應式(7)和反應式(8)進行的。但是熔渣中FeO含量高(達7一20%)時，去硫困難。因此吹氧轉爐煉鋼要選用含硫量在0.07%以下的生鐵。當金屬中碳的含量達到規(guī)定值時就停止吹氧。然后把爐體傾轉,開始出鋼。出鋼時,在澆包中用錳鐵,硅鐵,鋁對鋼進行沉淀脫氧。出鋼后再從爐中倒出熔渣。
在吹氧轉爐中可熔煉各種碳索結構鋼(沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼)。在吹氧轉爐中難于煉出含有易氧化元素的合金鋼,因此只能熔煉低合金鋼(合金元素含量在2-3%)。用轉爐熔煉低合金鋼的方法是將合金元素在電爐中熔化后倒入澆包，或者在出鋼前把固體鐵合金放到澆包中。容量為130-300t的轉爐經25-50min就可完成一次熔煉。吹氧轉爐煉鋼比平爐煉鋼的生產率高。
熱處理
鋼的熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定的介質中加熱、保溫和冷卻,以改變材料整體或表面組織,從而獲得所需性能的工藝方法。
熱處理就是以改變金屬的性能為目的的受控制的加熱和冷卻過程。由于熱處理能顯著地改變金屬的機械性能和物理性能，所以，它是最重要的和用得最廣泛的機械制造工藝之一。它提供了一種通常是簡單而成本又低的獲得所需材料性能的方法。然而，如果熱處理不恰當，則得到的壞處比好處還多。因此，為了得到顯著的效果，必須懂得熱處理，并把它和其他制造過程聯(lián)系起來。
工藝熱處理
盡管熱處理通常僅與用來提高強度的那些加熱冷卻過程有關，但是，熱處理的定義還可能包括許多其他目的的加熱冷卻過程。由于沒有更合適的術語，我們就把用于其他目的加熱冷卻過程統(tǒng)稱為工藝熱處理(Processingheat treatments)。進行工藝熱處理是以準備材料使之便于加工為主要目的的，包括改善機械加工性能、減少變形力和能量消耗以及為進一步變形恢復塑性等。因此，熱處理有著驚人的能力，為了易于加工，它可以使金屬軟化，然后，通過另外的熱處理方法又能使同一金屬獲得完全不同的一組使用性能。
有一類熱處理被統(tǒng)稱為退火。退火可用來降低硬度、消除殘余應力、提高韌性、恢復塑性、細化晶粒、減少偏析或者改變材料的機械性能、電性能或磁性等。通過產生某一預期的組織，就能給出適合于專門用途的特性。退火工藝中的溫度、冷卻速率及其它細節(jié)都由被處理的材料和這種處理的目的來確定。完全退火時，將亞共析鋼加熱到A.溫度以上30~60°C(50~100°F)，以使其組織轉變?yōu)槌煞趾蜏囟染鶆虻膯蜗鄪W氏體。在這一溫度下保溫一段時間，然后，在某一受控制的速率下緩慢冷卻到A，以下。一般的規(guī)則是按最大截面厚度每英寸保溫1小時，但是，為了節(jié)能已促使縮短這個時間。從保溫溫度開始的冷卻通常在爐內進行，以每小時10~30°C(20~50℃)的速率降溫，至少降到A，以下30(50*F)，隨后空冷到室溫。所得的組織是粗大的珠光體(間隔較寬的層片)+相圖所預示的過剩的鐵素體。這種材料十分軟，塑性很好。對過共析鋼來說，除了開始只加熱到奧氏體+滲碳體區(qū)(A:以上30~60C)以外，退火方法與亞共析鋼基本相同。如果材料從奧氏體單相區(qū)緩慢冷卻，在晶界上可能形成網狀滲碳體，而使材料變脆。經正確退火后，過共析鋼組織將由粗珠光體與彌散的球狀滲碳體所組成。
當冷加工使金屬產生強烈的應變硬化時，為了使用的要求或為了進一步加工時沒有斷裂的危險，常常需要恢復其塑性。中間退火(Prccess anneal)通常就用于這一目的。把金屬加熱到比A，稍低一點的溫度，保溫足夠長的時間以使其軟化，然后以所需的速率(通常在空氣中)冷卻。因為沒有形成奧氏體，現(xiàn)有的相只不過改變了它們的形態(tài)。中間退火經常用來使低碳鋼板再結晶。由于材料不象其它熱處理工藝那樣加熱到高溫，因此，中間退火費用低，時間短，產生的氧化皮一般也較少。
去應力退火通常用于消除大型鑄鋼件和焊接結構中的殘余應力。零件的加熱溫度在A:以下(550~650℃，1000~1200爾)，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，退火時間和溫度隨零件的狀況而變。當高碳鋼必須為加工或成形作準備時，可采用稱為球化退火的工藝，其目的是產生這樣一種組織，即在鐵素體基體中所有的滲碳體都以小的、彌散度較大的球粒狀存在。它可以用各種方法實現(xiàn)，包括:(1)在稍低于A:的溫度下長時間保溫，然后較慢冷卻;(2)在比A:稍高一點和稍低一點的溫度之間反復加熱冷卻;(3)對工具鋼或高合金鋼來說，加熱到750~800C(1400~1500°F)或更高的溫度，保溫幾小時，隨后緩慢冷卻。
應用領域
碳素結構鋼
碳素結構鋼通常軋制成鋼筋、鋼板和鋼管等，可用于橋梁、建筑物等構件，也可用作普通螺釘、螺母、鉚釘等;Q235C、Q235D可用于重要的焊接件;Q235、Q275強度較高，可軋制成型鋼、鋼板用作構件。
優(yōu)質碳素結構鋼
優(yōu)質碳素結構鋼中所含硫、磷及非金屬雜物量較少，常用來制造重要的機械零件，使用前一般都要經過熱處理來改變力學性能。優(yōu)質碳素結構鋼主要用來制造各種機器零件。08鋼塑性好，可制造沖壓零件;10、20鋼沖壓性與焊接性良好，可用作沖壓件及焊接件，經過熱處理(如滲碳)也可以制造軸、銷等零件;30、40、45、50鋼經熱處理后，可獲得良好的力學性能，用來制造齒輪、軸類、套簡等零件;60、65鋼主要用來制造彈簧。優(yōu)質碳索結構鋼使用前一般都要進行熱處理。
工模具鋼
工模具鋼都是高碳鋼，都是優(yōu)質鋼或高級優(yōu)質鋼，主要用來制造各種刃具、量具、模具.等。由于大多數工模具都要求高硬度和高耐磨性，故工模具鋼中碳的質量分數均在0.70%以上。工模具鋼常被用來制造各種刃具、量具、模具等。T7、T8硬度高、韌性較好，可制造沖頭、子、錘子等工具;T9、T10、TI1硬度高、韌性適中，可制造鉆頭、刨刀、絲錐、手鋸條等刃具及冷作模具;T12、T13硬度高，韌性較低，可制作刀、刮刀等刃具及量規(guī)、樣套等量具。工模具鋼使用前都要進行熱處理。
鑄鋼
鑄鋼主要用來制造重型機械、礦山機械、冶金機械、機車車輛上的某些形狀復雜、用鍛造方法難以生產而力學性能要求又比較高的零件及構件，它的鑄造性能比鑄鐵差，主要表現(xiàn)在流動性差、凝固時的收縮率大、易產生偏析等方面。
影響因素
碳鋼中除鐵和碳兩種元素外，還含有少量硅、錳、硫、磷等元素，它們的存在對鋼的質量有很大的影響。雖然S和P是有害元素，但適量的S和P可以提高鋼的可加工性。所以在制造表面粗糙度要求較小而強度不是很高的零件時，可以將P和S元素的質量分數分別提高到0.08%~0.38%和0.05%~0.15%，這種鋼稱為易切削鋼。
錳
鋼中錳的含量(質量分數)一般為0.25%~0.80%，錳主要來自煉鋼脫氧劑。脫氧后殘留在鋼中的錳可溶于鐵素體和滲碳體中，提高鋼的強度和硬度。錳還能與硫形成MnS，減輕硫對鋼的危害，清除FeO，降低鋼的脆性，具有固溶強化作用，所以錳是鋼中的有益元素。
硅
硅是煉鋼后期以硅鐵作為脫氧劑進行脫氧反應后殘留在鋼中的元索。在碳素鎮(zhèn)靜鋼中，硅的質量分數一般控制在0.17%~0.37%。鋼中的硅能溶于鐵素體，可提高鋼的強度和硬度，但由于其含量小，故其強化作用不大。硅是鋼中的有益元素。
硫
(3)硫硫是主要由生鐵帶入鋼中的有害元素。在鋼中硫與鐵生成化合物FeS。FeS與Fe形成共晶體(Fe+FeS)，其熔點僅為985℃。當鋼材加熱到1000~1250℃進行軋制或鍛造時，沿晶界分布的Fe+FeS共晶體熔化，導致坯料開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。鋼中的硫含量一般不得超過0.05%(質量分數)。鋼中的錳能從FeS中奪走硫而形成MnS。MnS的熔點高(1620C)，在鋼材軋制時不熔化，能有效地避免鋼的熱脆性。
S雖是有害元素，但當鋼中S含量較多時，可形成較多的MnS，在切削加工時，MnS對斷屑有利，可改善鋼的可加工性。
磷
磷也是由生鐵帶人的有害元素。磷部分溶解在鐵素體中形成固溶體，部分在結晶時形成脆性很大的化合物(Fe3P)，既能提高鋼的強度和硬度，也會使鋼在低溫下的沖擊性能和塑性、韌性顯著下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆。磷在結晶時還容易偏析，在局部發(fā)生冷脆。一般鋼中磷含量限制在0.04%(質量分數)以下。鋼中含有適量的磷，能提高鋼在大氣中的耐蝕性。
缺點
碳鋼存在以下不足:1、淬透性低。一般情況下，碳鋼水淬的最大淬透直徑只有15~20mm,因此在制造大尺寸和形狀復雜的零件時，不能保證性能的均勻性和幾何形狀不變。2、碳鋼的強度和屈強比較低。Q235鋼的R.L為235MPa，而低合金結構鋼16Mn的R。L則為360MPa以上;屈強比低說明強度的有效利用率低，導致工程結構和設備笨重;40鋼的屈強比為0.43，而合金鋼35CrNi3Mo的屈強比可達0.74。3、碳鋼的回火穩(wěn)定性差。4、綜合性能差。為了保證較高的強度需采用較低的回火溫度，這樣碳鋼的韌性就偏低;為了保證較好的韌性，采用高的回火溫度時，強度又偏低。5、特殊性能差。碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損，以及特殊電磁性等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。
發(fā)展趨勢
現(xiàn)代科學技術和工業(yè)的發(fā)展對材料提出了更高的要求，如更高的強度，耐高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、耐磨，以及其他特殊物理、化學性能的要求，而碳鋼無法滿足這些要求。
為了彌補碳鋼存在的不足，特意在碳鋼中加入一些合金元素，即形成合金鋼。合金鋼就是在碳鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一種或數種合金元素的鋼。這類鋼中除含有硅、錳、硫、磷外，還根據鋼種的要求向鋼中加入一定數量的合金元素，如鉻、鎳[niè]、鉬[mù]、鈷、鎢、釩、硼、鋁、鈦及稀土等合金元素。
新興領域
碳鋼在新興領域的發(fā)展主要集中在循環(huán)經濟（廢鋼回收與再利用）、數字化制造與預測性維護系統(tǒng)。
參考資料 >
環(huán)球實時:今日碳鋼是什么材質的鋼材(碳鋼是什么材質的).財經晨報.2024-02-25