船用碳素钢

教学情境二　船用碳素钢

学习与训练子目标

掌握杂质对碳钢性能的影响及各类碳钢的牌号用途

碳素钢简称碳钢，是指含碳量小于2.11%，并含有少量的硅、锰、硫、磷的铁碳合金。生产中用钢的含碳量不超过1.35%。由于碳钢容易冶炼，价格低廉，性能可以满足一般工程机械、普通机械零件、工具等的使用要求，因此在工业上得到了广泛的应用，在钢的总用量中约占90%以上。

知识点一　杂质对碳钢性能的影响

碳钢中，除含有铁和碳两种元素外，还有少量的锰、硅、硫、磷、氮、氢、氧等元素。这些元素是钢在冶炼时，由所用原料、冶炼方法和工艺操作等原因带入钢中的，统称杂质。它们对钢的性能有一定影响。

一、锰（Mn）

锰在钢中是一种有益的元素，来自炼钢生铁及脱氧剂。锰能溶于铁素体内，形成置换固溶体而起到固溶强化的作用，使铁素体的强度和硬度有所提高。但碳钢中含锰量不多，约为0.5%～0.8%，对钢性能影响不显着。此外，锰与硫化合成MnS，可以降低硫的有害作用，改善钢的热加工性能。

二、硅（Si）

硅在钢中也是一种有益的元素，来自脱氧剂。硅能溶于铁素体，形成固溶体，使钢的强度、硬度有所提高，还具有脱氧作用。但在碳钢中多以炉渣排除，所以含量不多，一般不超过0.40%，所以影响也不显着。

三、硫（S）

硫是从矿石、炼钢生铁、燃料进入钢中的有害杂质。在固态下，硫在铁中的溶解度极小，主要以硫化铁（FeS）的形式存在钢中。由于FeS的塑性差，因此含硫量较多的钢脆性较大。更严重的是，FeS与Fe能形成一种低熔点（其熔点为985℃）的组织，分布在奥氏体的晶界上。当钢在1 000℃～1 200℃温度下进行热加工时，由于分布在晶界上的低熔点组织已经熔化，而导致加工时开裂，这种现象称为“热脆性” 。

为了防止热脆性，通常加入锰，锰与硫形成高熔点（1 620℃）的MnS，在热加工时不会熔化，故锰能消除钢的热脆性。然而硫化锰夹杂在钢中会降低钢的机械性能（在易切削钢中有断屑作用） 。从这个角度看，硫化锰仍是有害的物质。

四、磷（P）

磷主要来自矿石、炼钢生铁，也是一种有害杂质。磷全部溶于铁素体内，使钢的强度和硬度提高，塑性、韧性显着降低。此外磷与铁能形成脆性很大的化合物Fe₃P，使钢在常温下的韧性大大降低，特别是在低温时，韧性降低更突出，这种现象称为“冷脆” 。钢中含磷量越高，冷脆性越严重，故应严格控制。

五、钢中的气体

钢在冶炼过程中，可从炉气中吸收气体，并在凝固时将气体大部分析出。然而仍有少部分气体残留在钢中，主要是氮、氢、氧，对钢的性能有很大影响。

（一）氮

氮是钢中的有害气体元素。氮在铁素体中的溶解度很小，并随温度而变化。590℃时溶解度最大，达0.1%，室温时降至0.001%以下。当钢中含氮量较高并从高温快速冷却时，过量的氮来不及从铁素体中析出，当钢再加热至250℃时，氮从铁素体中迅速脱溶，使钢的脆性急增，此时钢的表面呈紫蓝的火色，所以又称为“蓝脆” 。

（二）氢

氢来自炉气或由锈蚀含水炉料带入，是一种有害的气体元素，使钢的塑性、韧性降低，造成氢脆。严重时可使钢中产生微裂纹（称为白点） ，使钢易于脆断，如图6-3所示。

图6-3　钢的氢脆示意图

（三）氧

氧是因炼钢需要加入的，也是钢中的有害气体元素，在钢中以氧化物形式存在，作为金属夹杂物使钢的机械性能变坏。氧在钢中还会形成低熔点的共晶体，聚集在晶界上，热加工时将产生热脆现象。

知识点二　碳钢的分类

一、按钢的含碳量分类

低碳钢：含碳量＜0.25%

中碳钢：含碳量在0.25%～0.6%之间

高碳钢：含碳量＞0.6%

二、按钢的用途分类

碳素结构钢：主要用来制造工程构件和机器零件。工程构件如建筑用钢、桥梁用钢、船舶用钢等。机器零件如柴油机活塞销、连杆、曲轴等。一般为中、低碳钢。

碳素工具钢：制作各种刃具、量具、模具等，一般为高碳钢。

三、按钢的质量分类

普通碳素钢；含磷量≤0.045%，含硫≤0.05%

优质碳素钢：含磷量≤0.04%，含硫量≤0.04%

高级优质碳素钢；含磷量≤0.035%，含硫量≤0.03%

知识点三　碳钢的牌号、性能和用途

一、碳素结构钢

碳素结构钢按质量分为两大类：普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

（一）普通碳素结构钢

普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母（Q） 、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D） 、脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等4部分按顺序组成。质量等级反映了普通碳素结构钢中有害元素磷、硫含量的多少，从A级到D级，钢中磷、硫含量依次减少；脱氧方法符号中F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z表示镇静钢、TZ表示特殊镇静钢。例如Q235—A·F表示屈服强度σ_s = 235MPa，质量级别为A级的沸腾纲。表6-1为普通碳素结构钢的化学成分和机械性能。

普通碳素结构钢的平均含碳量为0.06～0.38%，钢中含有害元素和非金属夹杂物较多，但易于冶炼，工艺性好，价格便宜，在机构性能上一般能满足普通机械零件及工程结构件的要求，因此用量很大，约占钢材总量的70%，适用于一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等；可供焊接、铆接、栓接构件使用。一般不需要进行热处理。

表6-1　普通碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途

（二）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的钢号是用两位数字来表示，表示钢中平均含碳量的万分数。如45钢，读作45号钢，表示平均含碳量为0.45%。按含锰量不同又分为两类：一类是普通含Mn量的优质碳素结构钢，其含Mn量一般为0.35%～0.80%，一般不标注；另一类是含锰量较高的优质碳素结构钢，如20Mn，其含Mn量为0.8%～1.2%。

优质碳素结构钢用平炉或电炉冶炼，同时保证钢的化学成分和机械性能。这类钢的硫、磷含量较低，并且钢中非金属夹杂物也比较少，纯洁度和均匀度较好，钢的质量较高。此类钢绝大多数是镇静钢。其成分及机械性能如表6-2所示。

表6-2　优质碳素结构钢的钢号、化学成分及机械性能

续表

续表

优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件，一般需要热处理。优质碳素结构钢的性能特点和应用举例如表6-3所示。

表6-3　优质碳素结构钢的性能特点及应用

续表

二、铸钢

铸钢件是由钢液直接浇注成的各种形状和尺寸的铸件。某些机器零件形状复杂又对材料的机械性能要求较高，既不能使用铸铁件又难以用锻压方法制造，而采用铸钢件则能很好地满足上述要求，例如船舶柴油机的气缸盖（如图6-4） 、曲轴、摇臂、螺旋桨、锚链等。工作温度在400℃以下的零件采用碳素铸钢，工作温度在400℃以上的零件采用合金铸钢。

铸钢的钢号用“铸钢”二字的汉语拼音字头组成“ZG” ，其后两组数字分别表示屈服极限σ_s和强度极限σ_b，即ZGσ_s—σ_b，如ZG270—500表示屈服极限为270MPa，强度极限为500MPa。

一般铸钢的含碳量在0.15%～0.60%之间，钢中S、P含量均控制在0.04%以下。铸钢具有良好的综合机械性能，但由于浇注温度高，冷却缓慢且不均匀，随着壁厚的增加，内部出现的气孔、疏松、晶粒粗大和偏析等现象加重，使性能下降。但可以通过热处理来改善组织，消除缺陷，获得适用的性能。

铸钢的牌号、成分、机械性能及应用举例如表6-4所示。

图6-4　船舶柴油机气缸盖

表6-4　铸钢的牌号、成分、机械性能及用途

续表

三、碳素工具钢

碳素工具钢是制造刃具、量具及其他工具的钢，故应具有一定的强度、韧性，很高的硬度、热硬性，足够的淬透性和切削加工性等。

碳素工具钢的钢号是用T加数字表示。 “T”为“碳”字汉语拼音的字头，数字表示钢中平均含碳量的千分数。工具钢都是优质钢，如果是高级优质钢，则在钢号后加“A” ，例如T8A，表示平均含碳量为0.8%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢含碳量较高，一般为0.65%～1.35%。严格控制钢中的S、P杂质含量，以提高钢的可锻性和防止变形开裂，严格控制Si、Mn含量，以免降低钢的淬透性。

碳素工具钢的热处理：机械加工前是球化退火，目的是降低硬度，并为淬火作准备，机械加工后是淬火+低温回火，可获得回火马氏体+粒状渗碳体+少量的残余奥氏体。

碳素工具钢硬度高，耐磨性好，价格低廉，但其热硬性差，尤其当刀具刃部温度达200℃以上时，硬度和耐磨性迅速降低，且淬透性低。所以碳素工具钢只适于制造小尺寸、手用和低速、小切削量的工具，如图6-5所示。碳素工具钢的牌号、成分及用途如表6-5所示。

图6-5　模具

表6-5　碳素工具钢的成分、牌号及用途

注：淬火后硬度指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度。

思考与训练

复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

一、概述

1.有关碳素钢的脆性，下列叙述不正确的是＿＿。

A.S引起热脆　　 B.P引起冷脆　　 C.N引起蓝脆　　 D.C引起白点

2.与钢白点有关的元素是＿＿。

A.O 　　　B.H 　　　C.P　　　 D.S

3.镇静钢在浇注前采用的脱氧剂是＿＿。

A.锰铁与铝　　 B.锰铁与硅 　　C.铝与硅铁 　　D.铝与碳

4.沸腾钢在浇注前采用的脱氧剂是＿＿。

A.锰铁 　　B.锰铁与硅　　 C.铝与硅铁　　 D.铝与碳

5.脱氧程度不同，可获得不同质量的钢，质量居中的称为＿＿。

A.沸腾钢　　 B.镇静钢　　 C.半沸腾钢 　　D.半镇静钢

二、碳素钢的分类

1.关于碳素钢的分类，下列叙述不正确的是＿＿。

A.按质量可分为普通、优质和高级优质3类

B.按组织可分为F、P、P+Fe3C 3类

C.按成分可分为低、中、高碳3类

D.按冶炼方法可分为转炉、平炉和电炉3类

2.中碳钢的含碳量为＿＿。

A.＜0.25% 　　B.0.25～0.6% 　　C.＞0.25% 　　D.＞0.6%

3 高碳钢的含碳量为＿＿。

A.＞0.25%　　 B.＞0.6%　　 C.0.25～0.6%　　 D.＞0.7%

4.含碳量为＿＿的钢称为低碳钢。

A.＜0.25%　　 B.＜0.1%　　 C.＜0.77% 　　D.＜2.11%

5 . 以下符合低碳钢的力学性能特点的是。

A.强度较低而塑性较好 B.强度较低而塑性较差

C.强度较高而疲劳性能低 D.强度较低和韧性较差

6 .以下符合中碳钢的力学性能特点的是＿＿。

A.强度较低而塑性较好 　　　B.强度较低而塑性较差

C.强度较高而塑性尚可 　　　D.强度较低和韧性较差

7 .以下符合高碳钢的力学性能特点的是＿＿。

A.硬度较低而塑性较好 　　　　B.强度较低而塑性较差

C.硬度很高而塑性较差 　　　　D.强度较低和韧性较差

三、普通质量碳钢

1.关于Q235正确的叙述是＿＿。

A.普通质量碳钢 　　　　　　 B.平炉钢

C.屈服极限为235MPa 　　　　 D.S、P含量有4个等级

2.普通地脚螺栓宜选用＿＿。

A.45 　　B.Q215—A 　　C.T8A 　　D.22g

3.普通拉杆宜选用＿＿。

A.45 　　B.Q235—A 　　C.T8A 　　D.22g

4.普通焊接结构宜选用材料＿＿。

A.16Mn 　　B.20Gr 　　C.Q235　　 D.45

5.＿＿塑性较好，焊接性好，有一定强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用作桥梁、高压线塔、金属构件、建筑物构架等。

Ⅰ. Q215；Ⅱ. Q235；Ⅲ. Q235—B；Ⅳ. Q235—C；Ⅴ. Q235—D；Ⅵ. Q255；Ⅶ. Q275。

A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 　　B.Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ 　　C.Ⅳ+Ⅴ　　 D.Ⅵ+Ⅶ

6.＿＿塑性较好，焊接性好，有一定强度，可用作受力不大的机器零件，如普通螺钉、螺帽、铆钉、轴套及某些农机零件等。

Ⅰ. Q215；Ⅱ. Q235；Ⅲ. Q235—B；Ⅳ. Q235—C；Ⅴ. Q235—D；Ⅵ. Q255；Ⅶ. Q275。

A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 　　B.Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ 　　C.Ⅳ+Ⅴ 　　D.Ⅵ+Ⅶ

7.＿＿可用于重要的焊接件。

Ⅰ. Q215；Ⅱ. Q235；Ⅲ. Q235—B；Ⅳ. Q235—C；Ⅴ. Q235—D；Ⅵ. Q255；Ⅶ. Q275。

A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 　　B.Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ　　 C.Ⅳ+Ⅴ　　 D.Ⅵ+Ⅶ

8.＿＿强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。

Ⅰ. Q215；Ⅱ. Q235；Ⅲ. Q235—B；Ⅳ. Q235—C；Ⅴ. Q235—D；Ⅵ. Q255；Ⅶ. Q275。

A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ　　 B.Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ　　C.Ⅳ+Ⅴ 　　D.Ⅵ+Ⅶ

四、优质碳结构钢

1.关于优质碳钢，正确的叙述是＿＿。

A.S、P含量比普碳钢多而质优　　　 B.钢号数字是含碳量的一万倍

C.可附加符号A表示高级优质 　　　　D.含碳量越高，强度硬度越大

2.有关45钢，正确的叙述是＿＿。

A.含碳量为4.5％　　　B.优质碳素结构钢

C.低碳钢 　　　　　　 D.过共析钢

3.下列不属于优质碳素结构钢的是＿＿。

A.Q235　　 B.15 　　C.15Mn 　　D.45

4.调质钢要求含碳量在一定的范围，如含碳量过低，则＿＿；含碳量过高，则＿＿。

A.强度低/刚度低 　　　　　　B.刚度低/强度低

C.韧性低/疲劳性能低 　　　　D.硬度低/韧性低

5.较重要的轴宜选用＿＿。

A.45 　　B.Q235—A 　　C.T8A　　 D.22g

6.＿＿钢可以制造机罩、焊接容器、销子、法兰盘、螺母、垫圈及渗碳凸轮、齿轮等零件。

Ⅰ. 20；Ⅱ. 30；Ⅲ. 45；Ⅳ. 50；Ⅴ. 60；Ⅵ. 65；Ⅶ. 70。

A.Ⅰ　　 B.Ⅰ+Ⅱ　　 C.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 　　D.Ⅱ+Ⅲ

7.＿＿钢主要用来制造齿轮、轴类、连杆、套筒等零件，如机车车轴、汽车、拖拉机的曲轴、内燃机车的低速齿轮等。

Ⅰ. 20；Ⅱ. 30；Ⅲ. 45；Ⅳ. 50；Ⅴ. 60；Ⅵ. 65；Ⅶ. 70

A.Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ 　　B.Ⅰ+Ⅱ 　　C.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 　　D.Ⅱ+Ⅲ

8.＿＿钢主要用作各种弹簧、高强度钢丝及其他耐磨件。

Ⅰ. 20；Ⅱ. 30；Ⅲ. 45；Ⅳ. 50；Ⅴ. 60；Ⅵ. 65；Ⅶ. 70。

A.Ⅳ+Ⅴ+Ⅵ　　 B.Ⅴ+Ⅵ+Ⅶ 　　C.Ⅵ+Ⅶ 　　D.Ⅳ+Ⅴ+Ⅵ+Ⅶ

五、铸钢

1.铸钢ZG 270—500，其中“270”和“500”分别表示材料的＿＿。

A.冲击韧性和延伸率 　　　　　B.屈服极限的冲击韧性

C.强度极限的断面收缩率 　　　　D.屈服极限和强度极限

2.铸钢牌号中第一、第二个数字分别表示＿＿。

A.σ_s−σ_b 　　B.σ_0.2−σ_b 　　C.σ_b−σ 　　D.σ_s−σ

3.下列材料中属于铸钢牌号是＿＿。

A.GGr15　　 B.ZG 230—450　　 C.20g　　 D.HT250

4.工作温度在＿＿以下的零件使用碳素钢铸件，在以上工作的零件使用合金钢铸件。

A.400℃/400℃　　 B.400℃/500℃ 　　C.500℃/500℃ 　　D.350℃/400℃

5.铸钢可以用来制造＿＿零件。

Ⅰ. 气缸盖；Ⅱ. 曲轴；Ⅲ. 螺旋桨；Ⅳ. 艉轴管；Ⅴ. 锚链。

A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ 　　　　 B.Ⅰ+Ⅲ+Ⅴ

C.Ⅰ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ 　　　　D.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ

六、碳素工具钢

1.碳素工具钢是＿＿。

A.低碳钢　　　 B.中碳钢　　　 C.高碳钢　　　 D.特种钢

2.碳素工具钢的数字表示钢中平均含碳量的＿＿。

A.十倍 　　B.百倍 　　C.千倍　　 D.万倍

3.关于碳素工具钢，不正确的叙述是＿＿。

A.高碳钢 　　　　　　　　B.分为普通、优质和高级优质钢

C.可生产工具或量具 　　　D.含碳量大于0.6%

4.碳素工具钢的热硬性较差，一般刀具刃部温度达＿＿以上时，硬度和耐磨性迅速下降。

A.100℃　　 B.150℃ 　　C.200℃ 　　D.300℃

5.T10钢的平均含碳量为＿＿。

A.10% 　　B.1% 　　C.0.1% 　　D.0.01%

6.下列材料中属于高级优质钢的是＿＿。

A.45 　　B.Q235A 　　C.T8A 　　D.22g

7.下列钢号中属于工具钢的钢号是＿＿。

A.TU1　　 B.T8　　 C.T3　　 D.T3A

8.含碳量约为0.8%的高级优质碳素工具钢的牌号表示为＿＿。

A.T8 　　　B.T8A 　　　C.8G 　　　D.ZG8

9.木工用的斧和凿宜选用＿＿。

A.45　　　 B.Q235—A　　　 C.T8A 　　　D.T12A

10.锉刀和板牙宜选用＿＿。

A.45　　　 B.Q235—A　　　 C.T8A 　　　D.T12A