碳钢

定义

碳钢是以铁为基体、以碳为主要强化元素组成的铁碳合金，除碳以外通常只含有少量的硅、锰、硫、磷等元素，一般不加入其他合金元素，因此它的含义与非合金钢相近。^[1][3] 按照通常的界定，碳钢中的碳含量上限约在 2% 左右；含碳量超过这一范围的铁碳合金归入铸铁，低于 0.02% 的则称为熟铁。 有些教材和文献把碳钢的含碳量区间具体写成 0.0218% 至 2.11%，两者表述的其实是同一类材料。^[2]

按照含碳量，碳钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。常见的界线是低碳钢的含碳量不超过 0.25%，中碳钢为 0.25% 至 0.6%，高碳钢高于 0.6%。^[1][4] 还有一些文献把低碳钢的上限定在 0.3%，把中碳钢的区间写成 0.3% 至 0.6%，各来源在分界处的取值略有差别。 除了按碳含量划分，碳钢还可以按用途分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢等，也可以按硫、磷杂质的多少分为普通、优质和高级优质三类。^[2][1]

原理

碳钢的性能随含碳量变化，根源在于碳在铁中的存在形式与分布。室温下，碳大多以渗碳体(Fe₃C)的形式存在，它与铁素体组成珠光体等组织。随着碳含量升高，珠光体和渗碳体所占比例增加、铁素体减少，钢的强度和硬度上升，塑性和韧性下降。^[5] 这一关系可以简单表示为：含碳量 ↑ → 珠光体比例 ↑ → 强度、硬度 ↑、塑性、韧性 ↓。

碳钢可通过热处理改变组织与性能。把钢加热到一定温度后急冷（淬火），再在较低或较高温度回火，可以得到回火马氏体等组织，从而获得不同的硬度与韧性配合；碳素工具钢淬火并以 180℃ 左右低温回火后，硬度可以达到 60 至 65HRC。^[6][1]

在平衡状态下，碳钢的组织类型还可用亚共析、共析、过共析来区分：碳含量低于 0.77% 为亚共析钢，等于 0.77% 为共析钢，在 0.77% 至 2.11% 之间为过共析钢。^[2] 碳钢中硫、磷属于有害杂质，硫容易使钢在高温压力加工时产生热脆，磷则会提高钢的强度、硬度而显著降低塑性和韧性，引起冷脆现象。^[5]

发展历程

中国碳素结构钢的标准经历了几次修订。碳素结构钢的国家标准最早在 1965 年 1 月发布，标准号为 GB700—65，此前采用的是冶金行业标准 YB152—63；1979 年 10 月，这一标准第一次修订为 GB700—79《普通碳素结构钢技术条件》。^[7]

1988 年 6 月，该标准第二次修订为 GB700—88《碳素结构钢》，名称中去掉了“普通”和“技术条件”，牌号表示方法也作了调整，改为由屈服点字母 Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分组成，例如 Q235 一类的写法。^[7]

此后的 GB/T 221—2000《钢铁产品牌号表示方法》继续规定，用“屈”字汉语拼音首字母 Q 在牌号首位表示碳素结构钢，GB/T 700—2006 沿用了这种表示方法。^[7]

应用

低碳钢质软、延展性好，适合冷加工和焊接，常用于钢筋、冲压件、铆钉、螺栓、链条以及焊接结构件等。^[8] 含碳量很低的钢种深冲性和焊接性更好，可作汽车、制罐等行业的深冲件，20G 一类低碳钢则用于制造普通锅炉。^[8]

中碳钢强度与硬度高于低碳钢，经淬火和回火后综合力学性能较好，最高硬度约为 HRC55，抗拉强度大致在 600 至 1100MPa 之间，广泛用于轴、齿轮、连杆、曲轴等机械零件。^[8][1] 例如 45 钢含碳量约 0.45%，经调质处理后常用于制造汽车、拖拉机曲轴和机床主轴等零件。^[1]

碳素结构钢在供应状态下即可直接使用，多数用于焊接、铆接或栓接的钢结构件，少数用于机械部件。屈服强度 195 至 235MPa 的牌号塑性较好，可轧制成钢板、钢筋和钢管，用于桥梁、建筑等结构；255、275MPa 级牌号强度较高，可轧成型钢、钢板，制作连杆、齿轮、销等零件。^[1][7]

高碳钢主要用于需要高硬度、高耐磨性的场合，如刃具、量具、模具、弹簧和轴承，以及铁轨等。 碳素工具钢含碳量在 0.65% 至 1.35% 之间，多用来制造手用工具和低速、小进给量的机用工具，部分小型模具和量具也采用这类钢。^[6]

局限

碳钢的性能上限受含碳量和杂质含量限制。含碳量升高虽然能提高硬度与强度，但塑性和韧性随之下降，高碳钢的焊接性很差，容易产生裂纹。^[5] 碳素铸钢的含碳量一般控制在 0.15% 至 0.60%，碳含量过高时塑性不足，容易开裂。^[6]

在高温和特殊介质环境下，碳钢难以胜任。碳素工具钢的热硬性较差，刃部温度超过 250℃ 时硬度和耐磨性会明显降低，失去切削能力；它的淬透性也偏低，水中淬透临界直径约为 20mm，截面较大的零件不易淬硬，并容易产生淬火变形和开裂。^[6][1]

淬透性差、热硬性低也使碳钢无法满足某些特殊性能要求，这类场合通常需要改用合金钢。^[9] 此外，硫、磷等杂质含量对碳钢性能影响明显，生产中对这两类元素的含量有严格限制。^[5]

参见

• 低碳钢 —— 含碳量最低的一类碳钢，塑性与焊接性能突出。

• 中碳钢 —— 含碳量居中的碳钢，多用于机械零件制造。

• 合金钢 —— 在碳钢基础上加入合金元素以改善性能的钢材。

• 铸铁 —— 含碳量高于碳钢的铁碳合金。

• 热处理 —— 通过加热与冷却改变钢材组织、调整其性能的工艺。