碳鋼

定義

碳鋼

主要指碳的質量分數小於2.11%而不含有特意加入的合金元素的鋼。有時也稱為普碳鋼或碳素鋼。碳鋼也叫碳素鋼，指含炭量Wc小於2.11%的鐵碳合金。 碳鋼除含碳外一般還含有少量的矽、錳、硫、磷。 工業上套用的碳素鋼碳含量一般不超過1.4%。這是因為含碳量超過此量後，鋼表現出很大的硬脆性，並且加工困難，失去生產和使用價值。碳素鋼按其質量不同可分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼二類。優質碳素結構鋼規定硫、磷的允許含量比普通碳素鋼低，所以綜合機械性能比普通碳素鋼好。　

分類

1、碳素鋼按化學成分（即以含碳量）可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。
(1)低碳鋼
又稱軟鋼,含碳量從0.10％至0.30%低碳鋼易於接受各種加工如鍛造,焊接和切削,常用於製造鏈條,鉚釘,螺栓,軸等。
(2)中碳鋼
碳量0.25％～0.60％的碳素鋼。有鎮靜鋼、半鎮靜鋼、沸騰鋼等多種產品。除碳外還可含有少量錳(0.70％～1.20％)。按產品質量分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。熱加工及切削性能良好，焊接性能較差。強度、硬度比低碳鋼高，而塑性和韌性低於低碳鋼。可不經熱處理，直接使用熱軋材、冷拉材，亦可經熱處理後使用。淬火、回火後的中碳鋼具有良好的綜合力學性能。能夠達到的最高硬度約為HRC55(HB538)，σb為600～1100MPa。所以在中等強度水平的各種用途中，中碳鋼得到最廣泛的套用，除作為建築材料外，還大量用於製造各種機械零件。
（3）高碳鋼
常稱工具鋼,含碳量從0.60%至1.70%,可以淬硬和回火。錘,撬棍等由含碳量0.75%的鋼製造;切削工具如鑽頭,絲攻,鉸刀等由含碳量0.90%至1.00%的鋼製造。
2、按鋼的品質可分為普通碳素鋼和優質碳素鋼。
（1）普通碳素結構鋼又稱普通碳素鋼，對含碳量、性能範圍以及磷、硫和其他殘餘元素含量的限制較寬。在中國和某些國家根據交貨的保證條件又分為三類：甲類鋼（A類鋼）是保證力學性能的鋼。乙類鋼（B類鋼）是保證化學成分的鋼。特類鋼(C類鋼)是既保證力學性能又保證化學成分的鋼，常用於製造較重要的結構件。中國目前生產和使用最多的是含碳量在0.20％左右的A3鋼(甲類3號鋼)，主要用於工程結構。
有的碳素結構鋼還添加微量的鋁或鈮（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，以限制晶粒長大，使鋼強化，節約鋼材。在中國和某些國家，為適應專業用鋼的特殊要求，對普通碳素結構鋼的化學成分和性能進行調整，從而發展了一系列普通碳素結構鋼的專業用鋼（如橋樑、建築、鋼筋、壓力容器用鋼等）。
（2）優質碳素結構鋼和普通碳素結構鋼相比,硫、磷及其他非金屬夾雜物的含量較低。根據含碳量和用途的不同,這類鋼大致又分為三類:①小於0.25％C為低碳鋼,其中尤以含碳低於0.10%的08F,08Al等,由於具有很好的深沖性和焊接性而被廣泛地用作深沖件如汽車、制罐……等。20G則是製造普通鍋爐的主要材料。此外,低碳鋼也廣泛地作為滲碳鋼，用於機械製造業。②0.25～0.60％C為中碳鋼,多在調質狀態下使用,製作機械製造工業的零件。③大於0.6％C為高碳鋼,多用於製造彈簧、齒輪、軋輥等。根據含錳量的不同,又可分為普通含錳量(0.25～0.8％)和較高含錳量(0.7～1.0％和0.9～1.2％)兩鋼組。錳能改善鋼的淬透性，強化鐵素體，提高鋼的屈服強度、抗拉強度和耐磨性。通常在含錳高的鋼的牌號後附加標記“Mn”，如15Mn、20Mn以區別於正常含錳量的碳素鋼。
3、按用途則又可分為碳素結構鋼、碳素工具鋼。
碳素工具鋼含碳量在0.65～1.35％之間，經熱處理後可得到高硬度和高耐磨性，主要用於製造各種工具、刃具、模具和量具（見工具鋼）。
碳素結構鋼按照鋼材屈服強度分為5個牌號：
Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
每個牌號由於質量不同分為A、B、C、D等級，最多的有四種，有的只有一；另外還有鋼材冶煉的脫氧方法區別。
脫氧方法符號：
F——沸騰鋼
b——半鎮靜鋼
Z——鎮靜鋼
TZ——特殊鎮靜鋼

製造方法

碳素鋼的冶煉通常在轉爐、平爐中進行。轉爐一般冶煉普通碳素鋼，而平爐可以冶煉各種優質鋼。近年來氧氣頂吹轉爐煉鋼技術發展很快，有趨勢可代替平爐煉鋼。將煉好的鋼液注入鋼錠模，就得到各種鋼錠。鋼錠經過鍛壓或軋制後便加工成各種形狀的鋼材和鍛件。鋼錠經過壓力加工後，能夠改善鋼的內部組織和夾雜物分布，所以同樣成分的鋼材要比鋼錠的性能優越一些。

化學成分

碳鋼

碳素鋼的性能主要取決於鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態下，隨含碳量的增加，鋼的強度和硬度升高，而塑性和衝擊韌性下降。焊接性和冷彎性變差。所以工程結構用鋼，常限制含碳量。碳素鋼中的殘餘元素和雜質元素如錳、矽、鎳、磷、硫、氧、氮等，對碳素鋼的性能也有影響。這和影響有時互相加強，有時互相抵銷。例如：①硫、氧、氮都能增加鋼的熱脆性，而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。②殘餘元素除錳、鎳外都降低鋼的衝擊韌性，增加冷脆性。③除硫和氧降低強度外，其他雜質元素均在不同程度上提高鋼的強度。④幾乎所有的雜質元素都能降低鋼的塑性和焊接性。
氫在鋼中能造成很多嚴重缺陷，如產生白點、點狀偏析、氫脆、表面鼓泡和焊縫熱影響區內的裂縫等。為保證鋼的質量，必須儘可能降低鋼中氫的含量（見應力腐蝕斷裂和氫脆）。脫氧帶入的殘餘元素如鋁，可減小低碳鋼的時效傾向，還可以細化晶粒，提高鋼在低溫下的韌性，但餘量不宜過多。由爐料中帶入的殘餘元素如鎳、鉻、鉬、銅等，含量高時可提高鋼的淬透性，但對要求具有高塑性的專用鋼，如深沖用鋼板，則是不利的。

加工性能

碳素鋼目前大都採用氧氣轉爐和平爐冶煉，優質碳素鋼也採用電弧爐生產。根據煉鋼過程脫氧程度的不同，碳素鋼可分為鎮靜鋼、沸騰鋼和介於兩者之間的半鎮靜鋼。冶煉方法對鋼的性能影響，主要是通過鋼的純淨度而起作用的。近年來人們通過真空處理、爐外精煉和噴吹技術等，都可獲得更高純淨度的鋼，從而顯著改善了碳素鋼的品質。
碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經過熱加工,鋼錠中的小氣泡、疏鬆等缺陷被焊合起來,使鋼的組織緻密。同時，熱加工可破壞鑄態組織、細化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態具有更好的力學性能。經冷加工的鋼,隨著冷塑性變形程度增大，強度和硬度增加,塑性和韌性降低。為提高成材率，廣泛套用連續鑄鋼工藝。

時效處理

低碳鋼的時效通常有淬火時效和應變時效兩種，都是由間隙元素作用引起的，主要是由於碳、氮、氧的重新分布所造成。
淬火時效即鋼由高溫快速冷卻後性能隨時間而變化的現象。鋼中含碳量、脫氧程度和含氮量對淬火時效都有很大影響。低碳鋼、脫氧不充分的沸騰鋼和含氮量較高的鋼發生淬火時效最顯著。含碳約0.3％的中碳鋼，由淬火時效所引起的性能變化已大為減弱。含碳約0.6％的高碳鋼，實際上不起時效硬化作用（見金屬熱處理）。
應變時效經冷加工變形後的性能隨時間而變化的現象。碳和氮對應變時效的影響，與對淬火時效的影響相似，磷也促進應變時效。低碳鋼因冷變形而消失的屈服點，隨時間的延長而逐漸恢復。應變時效比淬火時效更為複雜。如鋼材經淬火後再進行冷加工，無論在室溫或稍高溫度下，均將加速其應變時效。
碳素鋼的時效常給工業生產帶來很大危害，例如沸騰鋼焊接後，由於時效使焊接接頭熱影響區出現細小裂紋，嚴重影響焊接結構的安全性。但由於近代冶金技術的發展，和在工業生產中的套用，尤其是氧氣轉爐煉鋼能獲得更低的氮、氧含量，因此時效問題有所減輕。

用途

碳鋼

Q195用於製造承載較小的零件、鐵絲、鐵圈、墊鐵、開口銷、拉桿、衝壓件以及焊接件等。
Q215A用於製造拉桿、套圈、墊圈、滲圈、滲碳零件以及焊接件等。
Q235AA、B級用於製造金屬結構件、心部強度要求不高的滲碳件或碳氮共滲件、拉桿、連桿、吊鉤、車鉤、螺栓、螺母、套筒、軸以及接件；C、D級用於製造重要的焊接結構件。
Q255A用於製造轉軸、心軸、吊鉤、拉桿、搖桿、楔等強度要求不高的零件。此負焊接性尚可。
Q275用於製造軸類、鏈輪、齒輪、吊鉤等強度要求高的零件。

相關產品的雷射焊接

　1、碳鋼及普通合金鋼的雷射焊接。
總的說，碳鋼雷射焊接效果良好，其焊接質量取決於雜質含量。就象其它焊接工藝一樣，硫和磷是產生焊接裂紋的敏感因素。
為了獲得滿意的焊接質量，碳含量超過0。25時需要預熱。當不同含碳量的鋼相互焊接時，焊炬可稍偏向低碳材料一邊，以確保接頭質量。
低碳沸騰鋼由於硫、磷的含量高，並不適合雷射焊接。低碳鎮靜鋼由於低的雜質含量，焊接效果就很好。
中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進行良好的雷射焊接，但需要預熱和焊後處理，以消除應力，避免裂紋形成。
2、不鏽鋼的雷射焊接。
一般的情況下，不鏽鋼雷射焊接比常規焊接更易於獲得優質接頭。由於高的焊接速度熱影響區很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不鏽鋼低的熱導係數更易於獲得深熔窄焊縫。
3、不同金屬之間的雷射焊接。
雷射焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區，為許多不同金屬焊接融化後有不同結構的材料相容創造了有利條件。現已證明以下金屬可以順利進行雷射深熔焊接：不鏽鋼~低碳鋼，416不鏽鋼~310不鏽鋼，347不鏽鋼~HASTALLY鎳合金，鎳電極~冷鍛鋼，不同鎳含量的雙金屬帶。