第二章 优质碳素结构钢特性及用途

　　　　　　　　　　第一节 特 性

　　优质碳素结构钢主要用于机械结构，其力学性能是必须保证的。这种钢的强度随碳含量的增加而提高、包括的强度范围较大（屈服强度最小值从175MPa至980MPa）、塑性和韧性较好、加工性能优良，但是淬透性较低、热稳定性较差、时效敏感性较大（尤其是低碳钢）。

　　锰是钢中固溶强化元素，在热处理用途中对提高淬透性是有效地。较高锰含量的优质碳素结构钢具有较高的屈服点、强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性稍差。锰含量增加对碳含量（质量分数）为0.1%-0.15%的钢的强度提高有显著影响，而对碳含量（质量分数）大于0.7%的钢的强度提高则影响很小。

　　一、影响优质碳素结构钢性能的因素

　　影响优质碳素结构钢性能的基本因素是碳含量和显微组织。

　　（一）碳含量对性能的影响

　　图2-2-1示出了轧制25mm棒材平均性能与碳含量的关系曲线。这些数值是美国4位研究者经试验统计分析得出的（图中4种标记）。这条曲线说明，当显微组织和晶粒度保持适当的稳定时碳含量的影响。这些数据也代表了热轧薄板和钢带的性能。可以看出，硬度、抗拉强度和屈服强度随碳含量增加而提高，但伸长率、断面收缩率和夏比冲击功急剧下降

　　　　　　　　　图2-2-1 碳素钢直径25mm轧制棒材平均力学性能与碳含量的关系曲线

　　（二）显微组织对性能的影响

　　对于淬透性相对比较低的优质碳素结构钢，在铸造、轧制或锻制状态下一般具有铁素体一珠光体或珠光体-渗碳体显微组织。亚共析钢的组成是铁素体和珠光体，过共析钢的组成是渗碳体和珠光体。钢的性能主要取决于这些组成的相对比例，珠光体层间间距和晶粒度。当层间间距减小或珠光体转变温度降低时，硬度和塑性提高，而且随晶粒尺寸减小塑性提高。等温转变为细珠光体和粗珠光体显微组织的碳素钢抗拉强度和碳含量之间的近似关系于图2-2-2。

　　（三）影响显微组织的因素

　　优质碳素结构钢的显微组织在很大程度上取决于化学成分和最终轧制、锻造和热处理工艺。

　　1.化学成分的影响

　　钢的显微组织是由冷却时奥氏体转变发生的温度范围决定的，而这又是由所使用的冷却速率和钢的转变速率决定的。钢的转变速率主要取决于化学成分。因此，对于轧制状态，在给定的冷却速率下，显微组织在很大程度上取决于化学成分。同样，化学成分也决定了在给定的冷却条件下铸造、轧（锻）制和热处理的优质碳素结构钢的显微组织。优质碳素结构钢奥氏体转变的特性基本上是由碳和锰的含量决定的，磷和硫的影响几乎可以忽略不计，硅含量的影响通常很小以致于也可以忽略不计。一般情况下，应按照所要求的强度水平选择碳含量，而对于锰含量，则在给定的冷却条件和选定的碳含量条件下，以得到适当的显微组织和性能为根据来选择。

　　2.热加工的影响

　　一些优质碳素结构钢是在热轧状态下使用，钢材的显微组织和性能基本上由化学成分、轧制工艺和轧后的冷却条件来决定。钢材热加工通常是在钢的奥氏体温度范围内进行，主要有4种作用，如下：

　　1.在轧制的加热期间，有助于消除树枝状偏析和使其均匀化。

　　2.轧制时树枝状偏析破碎。

　　3.轧制过程中再结晶发生。最后一道轧制的温度（终轧温度）决定了最终的奥氏体晶粒度。

　　4.晶粒组织和夹杂物沿轧制方向重新取向。因此沿轧制方向的最终塑性大大提高。

　　因此，钢的奥氏体均匀性和晶粒度主要由轧制工艺决定，而铁素体或渗碳体的分布、珠光体的特征主要由轧后的冷却速率来决定。由于一般的热轧工艺是在空气中冷却，所以热轧钢材的最终显微组织和性能基本上取决于化学成分和钢材的截面尺寸。

　　3.冷加工的影响

　　生产钢丝、薄板和钢带、钢管产品的工艺中经常采用冷加工。一些产品，特别是钢丝，通常是在冷加工状态下使用。冷加工钢材的显微组织的特点是伸长的和变形的。冷加工最显著的影响是提高强度和硬度，降低以伸长率和断面收缩率为代表的塑性。冷加工的影响基本上可用退火消除。冷加工对碳素钢的抗拉强度和伸长率的影响于图2-2-3和图2-2-4。

　　当冷加工钢材加热到再结晶温度（约400℃）或以上时，根据化学成分、冷加工量和其他变量，原有的显微组织和性能可以回复。

　　（四）残余元素的影响

　　优质碳素钢中除了含有碳、锰、硅、磷和外，可能还含有少量的其他元素。其中包括炼钢操作进入钢中的气体，如氢、氧或氮；废钢中存在的镍、铜、钼、铬或锡；以及脱氧期间进入的铝、钛、钒或锆。

　　氮除了对时效的影响外，还对优质碳素结构钢有较强的强化作用。

　　氢在钢中有明显的脆化作用。如果断面比较小，并且有足够的扩散时间，在室温氢可以从钢中扩散出去。对含有氢的优质碳素结构钢的拉伸试验表明，如果试验是在轧制后很快进行，将显示较低的塑性，在室温扩散一定时间以后，塑性将再次提高。如果在稍高的温度，则只需较短的时间。对大截面尺寸的钢材其影响更加明显，因为氢扩散到表面还需要更长的时间。钢中氢含量超过0.0005%，其作用很显著，而这个含量又是轧制钢材的通常含量。采用真空脱气工艺可以大大减少钢中氢和其他气体的含量。

　　超过0.0005%的氢在称作“白点“的现象中起重要的作用。白点以内部裂纹的形式显示，通常在轧制或锻造后的冷却期间产生。这种现象对大截面和高碳钢更为明显。轧后或锻后慢冷可以使氢从钢中扩散出去，从而减少了形成裂纹的敏感性。

　　废钢中带入的镍、铬、钼和铜，可以提高优质碳素结构钢的淬透性，但是由于含量一般很低，故其作用不是很大。然而，这些元素可以改变钢的热处理特性，而且对于一些塑性很重要的用途，例如深冲用钢，这些元素对提高硬度可能是很严重的。

　　钢中存在锡是有害的，但对大多数用途通常相对低含量的锡的作用是可以忽略的。

　　钢中的铝通常是需要的，因为可起细化晶粒作用，而且能降低应变时效的敏感性。然而其缺点是可促进石墨化，对高温用途的钢是不需要的。

　　脱氧操作带入钢中的其他元素钛或锆，正常存在的很少数量一般没有影响。

　二、优质碳素结构的时效

　　钢材时效分为两类，淬火时效和应变时效。

　　（一）淬火时效

　　淬火时效是铁素体过饱的固溶体中析碳和（或）氮的结果。这两种元素占有a铁晶格中的间隙位置，其溶解度随温度下降而降低，在室温趋于零。由于优质碳素结构钢的碳含量比氮含量高很多，所以碳在淬火时效中是基本的因素。如果快速冷却保留在固溶体中，其可以随后在室温或稍高的温度以细小弥散的碳化三铁颗粒析出。这种析出的结果表现为硬度提高，在拉伸试验中屈服强度的抗拉强度提高、伸长率和断面收缩率降低，在缺口冲击试验中从韧性断裂至脆性断裂的转变温度提高，并提高矫顽力和降低磁导率。应注意，室温以上的时效将导致硬度提高得更快，但得到的最大硬度要低于在室温的时效。

　　在析出过程中，碳化物颗粒形成核、成长，并且数量增加。某些颗粒尺寸和颗粒间距的组合，对各种力学性能的影响是最大的。

　　消除优质碳素结构钢淬火时效的原理很简单。由于时效的程度与固溶体中这些元素的含量成正比，所以应将过饱和固溶体中碳和氮降至最少。为了达到这个目的，通常使用和最经济的方法是采用较慢的速度使钢冷却，特别是在通过540℃-315℃温度范围时，用大约几分钟的时间通过这个温度范围就足以消除随后的淬火时效。也可以采用例如钛、锆等元素使钢合金形成稳定的碳化物和氮化物的方法来消除淬火时效。

　　（二）应变时效

　　应变时效与淬火时效不同，在时效过程中开始前需要塑性变形，而且铁素体中碳和（或）氮的过饱和固溶体对应变时效来说不是必需的。然而，如果这样的过饱和出现，应变时的速度和程度将增强。应变时效和淬火时颜色可以同时出现，与碳相比，在低温的情况下氮在铁中有较大的溶解度，通常是造成应变时效的主要原因。但是，当时效温度高（约高100℃）或碳在固溶体中浓度高时，碳总是有影响的。

　　应变时效的原因是存在于a相中的碳、氮原于扩散至位错周围偏聚，造成位错线运动阻力。大多数应变时效的表现形式与淬火时效相似。提高硬度、屈服强度、抗拉强度。降低塑性和提高缺口冲击转变温度。此外还使低碳钢的屈服点重新出现。并且得到相对光滑的外形。如果平整轧制后出现应变时效，突变的屈服点重新出现，则薄板在随后冷成形时将出现不连续的屈服，“弯折”和“拉伸应变”。在冷成形前用的有效的辊式矫直弯曲薄板，可使这种现象降至最小。

　　应变时效可能出现的速率取决于在时效温度碳的氮的浓度和扩散的速率。当时效温度升高时，时效的速率快速提高。

　　采用现代冶金技术，如顶底复合吹炼和各种炉外真空处理工艺可减少钢中碳和氮的含量，应变时效的程度可大大降低。此外，将应变时效降至最低的常用技术是在钢中加入铝，其含量（质量分数）约为0.05%。经适当处理，铝与氮结合形成AIN。从固溶体中清除氮可有效地防止室温应变时效，但是，如果时效温度升高至约100℃或更高，由于碳的作用钢材还可能应变时效。

　　钢的淬火时效和应变时效对某些塑性和韧性要求不高的用途来说，也是一种有效的强化方法。

　三、优质碳素结构钢的热处理

　　对于一些用途，优质碳素结构钢钢材需经热处理来改善显微组织和性能。

　　退火----进行退火的目的是为了获得比轧制的显微组织得到更好的机加工性能和成形性能。经常采用的有完全退火、不完全退火和再结晶退火。

　　正火----热轧钢材的晶粒度基本上取决于终轧温度，但控制有一定的困难。因此，可以采用在相对较低的奥氏体化温度进行最终正火，以产生细小、均匀的晶粒组织，用于对塑性和韧性要求较高的用途。

　　淬火和回火---淬火和回火是提高优质碳素结构钢强度水平。获得最佳塑性的通用工艺。由于这类钢的淬透性较低，处理方法一般分为两类，如下：

　　1.基本上产生的是回火马氏体，以得到最佳性能。由于淬透性的限制，截面尺寸局限不超过9.5-12.5mm，通常用于在此尺寸范围的小工具、紧固件、薄板、钢带、无缝管等。

　　2.产生细珠光体组织。与正常轧制或正火钢材的粗珠光体相比，一定截面尺寸的优质碳素结构钢可以经淬火和回火产生细珠交体组织，以提高强度和塑性。

　　等温淬火---通过采用等温淬火产生贝氏体，代替裂纹敏感性大的马氏体，以提高一些高硬度钢的韧性。薄截面（不大于5mm）的优质碳素结构钢特别适于等温淬火，因为转变成贝氏体的时间相对较短。

　四、含硼优质碳素结构钢

　　含硼优质碳素结构钢具有较好的淬透性。很多热处理部件要求这样的淬透性，对于很多用途来说，使用含硼的中碳钢可以取代成本高的合金钢。微量的硼，小于0.0005%，可以大大提高淬透性。尽管硼含量这样少对热轧或退火碳素钢的强度实际上没有影响，但事实上低碳硼钢己经用于随后进行热处理的冷顶锻或冷挤压产品。采用低碳硼钢的目的是取代高碳钢，通过热处理可制作洛氏硬度C高于40的部件。因为碳含量低，在很多情况下在顶锻和正向挤压之前可不进行热处理。含硼低碳和中碳钢也可以热轧薄板交货，以提供成本、可取代高碳和低合金薄板和钢带。低碳钢还具有较好的冷成形性能。