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碳钢基础知识
㈠常存杂质元素对钢材性能的影响
普通碳素钢除含碳以外,还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氢(H)等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的,而是由矿石及冶炼过程中带入的,故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响,为了保证钢材的质量,在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中,FeS和 Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材热加工时,由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。含硫量愈高,热脆现象愈严重,故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢:S<%~%;优质钢:S<%~%;普通钢:S<%~%以下。

磷是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢: P<%;优质钢: P<%;普通钢: P<%。

锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 MnS,一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力,能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降低钢的脆性,提高钢的强度和硬度。因此,锰在钢中是一种有益元素。一般认为,%~%以下时,把锰看成是常存杂质。技术条件中规定,优质碳素结构钢中,%~%;而较高含锰量的结构钢中,%~%。

硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去,因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。%~%,%~%。%,对钢性能影响不大。

氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在200~300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出,并使钢的硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理,使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消除时效倾向。

钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现,在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点,使用时会发生突然断裂,造成不测事故。因此,化工容器用钢,不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时,氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时,氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出,就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力,这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹,即白点。
㈡分类与编号
根据实际生产和应用的需要,可将碳钢进行分类和编号。分类方法有多种:

普通碳素钢钢号冠以“Q”,代表钢材屈服强度,后面的数字表示屈服强度数值(MPa)。如Q235钢,其屈服强度值为235MPa。必要时钢号后面可标出表示质量等级和冶炼时脱氧方法的符号。质量等级符号分为 A,B,C,D。脱氧方法符号分为F,b,Z,TZ。脱氧方法符号F是指只用弱脱氧剂 Mn脱氧,脱氧不完全的沸腾钢。这种钢在钢液往钢锭中浇注后,钢液在锭模中发生自脱氧反应,钢液中放出大量 CO气体,出现"沸腾"现象,故称为沸腾钢;若在熔炼过程中加入硅、铝等强氧化剂,钢液完全脱氧,则称镇静钢,以Z表示,一般情况Z省略不标;脱氧情况介于以上二者之间时,称半镇静钢,用符号b;采用特殊脱氧工艺冶炼时脱氧完全,称特殊镇静钢,以符号TZ表示。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。各个钢种的质量等级可参见GB700-88。其中屈服强度为235MPa的Q235一A有良好的塑性、韧性及加工工艺性,价格比较便宜,在化工设备制造中应用极为广泛。 Q235一A板材用作常温低压设备