非合金钢(碳钢)

非合金钢（碳钢）
铁碳合金系列知识目录
第一节铁碳合金的基本组织
第二节Fe-Fe3C 相图
第三节非合金钢（碳钢）第三节非合金钢（碳钢）[钢]：是指以铁为主要元素，碳的质量分数Wc<2.11%并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。

根据国家标准GB/T13304-1991规定，钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢、合金钢三类。

[非合金钢]：是指钢中各元素含量低于规定值的铁碳合金。

（碳钢）不仅价格低廉，容易加工，而且能满足一般工程结构和机械零件的使用性能要求，是最广泛应用的材料。

一、杂质元素对钢性能的影响
钢中常存杂质元素是钢冶炼时进入的，它们对钢的性能有一定的影响。

1、锰的影响
锰是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（锰铁）中带入的，非合金钢中锰的质量分数一般约为0.25%~0.80%。

锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性，与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用。

锰还能溶于铁素体形成置换固溶体，产生固溶强化,提高钢的强度和硬度。

锰
在钢中是一种有益元素。

2、硅的影响
硅是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（硅铁）中带入的，非合金钢中锰的质量分数一般约为0.10%~0.40%，硅的脱氧能力比锰强，与钢液中的FeO生成炉渣，清除FeO对钢质量的不良影响，也能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度，硅在钢中也是一种有益元素。

3、硫的影响
硫是在炼铁时由矿石和燃料带进的，它不溶于铁，而是以化合物FeS的形式存在。

FeS与Fe形成低熔点共晶体（熔点为985℃），分布在奥氏体的晶界上。

当钢在
1000~1250℃进行热加工时，由于晶界处共晶体熔化，将导致钢变脆而开裂，这种现象称为热脆。

因此，硫在钢中是一种有害元素，必须严格控制。

4、磷的影响
磷是炼铁时由矿石带进的，在常温下能溶入铁素体，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低。

尤其在低温下会使钢的塑性、韧性急剧下降，脆性转化温度升高。

这种现象称为冷脆。

在一般钢中，磷是有害元素，应严格控制。

硫和磷虽是钢中的有害元素，但适当提高它在钢中的含量（一般Ws=0.08％~0.35%、Wp=0.05%~0.15%），可以改善钢
的切削加工性能，降价低工件表面粗糙度。

二、非合金钢的分类
非合金钢的种类很多，常按以下方法分类。

1、按钢中碳的质量分数分类
低碳钢（Wc<0.25%）、中碳钢（0.25≤Wc≤0.60%）、高碳钢（Wc>0.60%）。

2、按钢的用途分类
碳素结构钢主要用于制作机械零件，工程结构件，一般属于低、中碳钢。

碳素工具钢主要用于制作刀具、量具和模具。

一般属于高碳钢。

3、按钢的主要质量等级分类
普通质量非合金钢（Ws≥0.045%、Wp≥0.045%）。

普通质量碳钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要求的钢种。

主要包括：一般用途碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳钢等。

优质非合金钢（硫、磷含量比普通质量碳钢少），优质碳钢是指除普通质量碳钢和特殊质量碳钢以外的碳钢，在生产过程中需要特别控制质量（例如控制晶粒度、降低硫、磷含量、改善表面质量等），以达到特殊的质量要求（与普通质量碳钢相比，有良好的抗脆断性能和冷成型性等）。

主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用碳钢、冲压薄板
的低碳结构钢、焊条用碳钢、非合金易切削结构钢、优质铸造碳钢等。

特殊质量非合金钢（Ws≤0.02%，Wp<0.020%），特殊质量碳钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能（例如控制淬透性和纯洁度）的碳钢。

主要包括：保证淬透性碳钢、铁道用特殊碳钢、航空、兵器等专用碳钢、核能用碳钢、特殊焊条用钢、碳素弹簧钢、碳素工具钢和特殊易切削钢等。

此外，钢按冶炼方法不同；可分为转炉钢和电炉钢；钢按冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢等。

三、常用非合金钢
1、碳素结构钢
牌号表示方法：由屈服点汉语拼音字母字首Q，屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。

例如Q235-A·F，表示σs≥235MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。

特性：价格低廉，工艺性能（如焊接性和冷成形性）优良。

应用：主要用于一般工程结构和普通机械零件。

碳素结构钢通常热轧成各种型材（如圆钢.方钢.工字钢等），一般不经
热而直接使用。

195、Q215，通常轧制成薄板、钢筋供应市场。

也可用于制作铆钉、螺钉、轻负荷的冲压零件和焊接结构件等；
Q235、Q255强度稍高，可制作螺栓、螺母、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、型钢、钢筋等；质量较好的Q235C，D级可作为重要焊接结构用材；
Q275钢可部分代替优质碳素结构钢25、30、35钢使用。

碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能（摘自GB/T 700-88）
(点击图片放大)
2、优质碳素结构钢
牌号表示方法：用钢中平均含碳量的万分数表示钢号。

例如45钢，表示平均Wc=0.45%的优质碳素结构钢。

当钢中含锰量较高（WMn=0.7%~1.2%）时，在两位数字后面加上符号“Mn”，如65Mn钢，表示平均Wc=0.65%，并含有较多锰的优质碳素结构钢（WMn=0.9%~1.2%）。

如果是高级优质钢，在数字后面加上符号“A”；特级优质钢在数字后面加上符号“E”。

特性：与碳素结构钢相比，夹杂物较少，质量较好。

力学
性能根据碳质量分数不同有较差异。

应用：主要用于机械零件，一般都要经过热处理后使用。

典型优质碳素钢的应用：
08F钢，碳质量分数低，塑性好，强度低，轧成薄板，主要用于冷冲压件如家电、汽车和仪表外壳；
20钢，冷塑性变形和焊接性好可用于强度要求不高的零件及渗碳零件，例如机罩、焊接容器，小轴、螺母、垫圈及渗碳齿轮等；点击显示低碳钢应用实例
45钢，经调质后可获得良好的综合力学性能，中碳钢主要用于受力较大的机械零件，如齿轮、连杆、轴等65钢（65Mn）钢具有较高的强度；可用于制造各种弹簧、机车轮缘、低速车轮等。

表2-5 优质碳素结构钢牌号、热处理、力学性能（摘自GB/T699—1999）
3、碳素工具钢
牌号表示方法：用“碳”字汉语拼音字母字首“T”加上数字表示。

数字表示钢平均含碳量的千分数。

例如T12钢表示Wc=1.2%的碳素工具钢。

如果牌号未尾处写上“A”，则表示钢中含硫、磷量较少，为高级优质钢，如末尾处加上“Mn”,则表示含锰量较高。

特性：碳素工具钢（非合金工具钢）的
Wc=0.65%~1.35%，特点是生产成本低，加工性能优良、强度、硬度较高，耐磨性好，但塑韧性较差
应用：适用于各种手用工具。

此类钢一般以退火状态供应市场。

使用时再进行适当的热处理。

碳素工具钢的牌号、化学成分、性能和用途（摘自
GB/T1298-86）
4、铸造碳钢
牌号表示方法：用“铸”和“钢”两字汉语拼音字母字首“ZG”后加两组数字表示，第一组数字表示屈服点的最低值，第二组数字表示抗拉强度的最低值。

例如ZG200-400，表示σs≥200MPa，σb≥400MPa的铸钢。

特性：铸钢碳的质量分数一般为0.15%~0.6%。

铸钢的铸造性能比铸铁差，但力学性能比铸铁好
应用：铸钢主要用于制造形状复杂，力学性能要求高，而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如汽车的变速箱壳，机车车辆的车钩和联轴器
等。

工程用铸造碳钢的牌号、化学成分、力学性能及应用举例（摘自GB/T 11352-95）
附表：碳素铸钢中外牌号近似对照。