表 6‑3铁碳合金平衡组织中几种组织组成物的力学性能

硅和锰是炼钢过程中随脱氧剂进入钢中的元素，它们均可以固溶于铁素体中，使铁素体的强度、硬度增加，产生固溶强化，对钢的性能有利。但硅与氧的亲和力很强，可形成SiO2；锰与硫的亲和力很强，可形成MnS、SiO2和MnS都是钢中的夹杂物，对钢的性能不利。因此，碳钢中一般规定wSi<0.5%、wMn<0.8%，使大部分Si、Mn都溶于铁素体中，起有利作用。

硫、磷是生铁中带来而在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而与铁形成熔点为1190℃的FeS。FeS常与γ-Fe形成低熔点（989℃）的共晶体，分布在奥氏体晶界上，当钢材在1000～1200℃锻造或轧制时，共晶体会熔化，使钢材变脆，沿奥氏体晶界开裂，这种现象称为热脆。适当增加钢中锰的质量分数，使Mn与S优先形成高熔点（1620℃）的MnS，避免热脆。但MnS是钢中夹杂物，锻造或轧制时变形呈条状，沿受力方向分布形成流线，使钢材横向的塑性、韧性显著低于纵向。例如一根45钢曲轴，MnS夹杂物严重时其横向塑性只为纵向的一半，而韧性成倍降低。另外，对于承受交变应力的零件如弹簧、轴承等，MnS还可以成为疲劳裂纹源，导致零件早期疲劳断裂。磷在钢中全部固溶于铁素体中，虽然有较强的固溶强化作用，但它剧烈地降低钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，使钢在低温下变脆，这种现象称为冷脆。磷还使钢的偏析严重。此外，硫、磷均降低钢的焊接性能。由于硫、磷是钢中的有害元素，一般情况下需要严格控制其含量。普通碳钢中wS≤0.035%、wP≤0.035%，优质钢中wS≤0.030%、wP≤0.030%，高级优质钢中wS≤0.020%、wP≤0.030%。但是有时为了提高切削加工性，使切屑易碎断，在易切削钢中硫的质量分数可以提高到0.18%～0.35%，磷的质量分数可以提高到0.08%～0.15%。这种易切削钢主要用在自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值小而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和自行车、缝纫机上的小零件等。另外，磷还可以增强钢在大气中的耐蚀性，若在炼钢时加入少量稀土、钛等元素，可以抑制磷的冷脆作用。目前我国已生产出Cu-P-RE稀土）、Cu-P-Ti等合金系的低碳低合金高强度结构钢，用作桥梁或钢轨。

钢中气体对钢材性能的影响往往被人们忽视，因而钢材中未限定氢、氮、氧等元素的含量。实际上它们对钢材性能的影响并不亚于硫、磷，有时更加危险。

1）氢在钢中含量甚微，但对钢的危害极大。钢中微量的氢（0.5～3mL/100g）可以引起“氢脆”，甚至在钢材内产生大量微裂纹，使钢的塑性、韧性显著下降，导致零件在使用中突然断裂。国外曾因钢中含微量氢而造成汽轮机主轴突然断裂，引起电站爆炸；飞机发动机曲轴突然断裂，造成飞机失事等事故。氢对焊接性能不利，在焊缝处产生裂纹。

2）氮固溶于铁素体中产生“应变时效”。所谓应变时效是指冷变形低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加，塑性、韧性降低的现象。“应变时效”对锅炉、化工容器及深冲零件是不利的，增加零件脆性，影响安全可靠性。从应变时效角度考虑，氮是有害元素。但是当钢中含有Al、V、Ti、Nb等元素时，它们可与N形成细小弥散氮化物，能细化晶粒，提高钢的强度并减低N的应变时效作用，在这种情况下N又是有益元素。在某些耐热钢中常把N作为合金元素以提高钢的耐热性。

显然，为了提高碳钢的性能，除了在炼钢时保证钢中碳的质量分数在规定的范围内，还必须控制杂质元素含量。但是炼出了一炉合格的钢液并不等于得到合格的钢锭和钢材，而钢材的大部分冶金缺陷是在浇注成钢锭的过程中形成的。因此，钢锭的组织和质量是影响钢材质量的重要环节。

碳钢的分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢中碳的含量、质量和用途分类。

1.按碳的含量分类

可分为：低碳钢（wC≤0.25%）、中碳钢（wC=0.30%～0.60%）和高碳钢（wC>0.60%）。

2.按质量（即硫、磷的含量）分类

可分为：普通碳素钢（wS≤0.035%、wP≤0.035%）、优质碳素钢（wS≤0.030%、wP≤0.030%）和高级优质碳素钢（wS≤0.020%、wP≤0.030%）。

3.按用途分类

可分为：

（1）碳素结构钢　用于制造工程构件（如桥梁、船舶、建筑构件等）及机器零件（如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等）。

（2）碳素工具钢　用于制造各种刃具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。

表 6‑4普通碳素结构钢的牌号和化学成分

1.普通碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。

Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴器、销等零件。

表 6‑5普通碳素结构钢的力学性能

2.优质碳素结构钢

这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其牌号是采用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数（wC×10000）。例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数为0.08%。优质碳素结构钢主要用于制造机器零件。一般都要经过热处理以提高力学性能。根据碳的质量分数不同，有不同的用途。08、10钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火 高温回火）后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件，例如40、45钢常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮和其他受力不大的轴类零件；55、60、65钢经热处理淬火 中温回火）后具有高的弹性极限，常用于制作负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12～15mm）的弹簧，如调压和调速弹簧、柱塞弹簧、冷卷弹簧等。

表 6‑6优质碳素结构钢的化学成分

3.碳素工具钢

这类钢的牌号用T 数字表示，其中“T”为“碳”字的汉语拼音字首，数字表示钢中平均碳的质量分数的千分数（wC×1000）。例如T8、T10分别表示钢中平均wC为0.80%和1.0%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字，例如T12A等。碳素工具钢经热处理（淬火 低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性高的量具、刃具和模具等。随钢中碳的质量分数增加，由于未溶渗碳体数量增多，则钢的耐磨性增加，而韧性则降低，因此它们适用于在不同场合下使用。