碳素钢是指通常含碳量小于1.35％的铁碳合金﹐其中还含有限量以内的硅﹑锰和磷﹑硫等杂质及其它微量的残余元素。碳素钢是近代工业中使用最早﹑用量最大的基本材料﹐世界各工业国家﹐在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时﹐也非常注意改进碳素钢质量﹐扩大品种和使用范围。特别是20世纪50年代以来﹐氧气转炉炼钢﹑炉外喷吹﹑连续铸钢和连续轧制等新技术被普遍采用﹐进一步改善了碳素钢的质量﹐扩大了使用范围。目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重﹐约保持在80％左右﹐它不仅广泛应用于建筑﹑桥梁﹑铁道﹑车辆﹑船舶和各种机械制造工业﹐而且在近代的石油化学工业﹑海洋开发等方面﹐也得到大量使用。

　　碳素钢的分类

　　碳素钢有各种分类方法﹐如按化学成分(即以含碳量)可分为低碳钢﹑中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢﹑碳素工具钢。此外﹐还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。

　　普通碳素结构钢又称普通碳素钢﹐对含碳量﹑性能范围以及磷﹑硫和其它残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类﹕甲类钢(A类钢)是保证力学性能的钢。乙类钢(B类钢)是保证化学成分的钢。特类钢 (C类钢)是既保证力学性能又保证化学成分的钢﹐常用于制造较重要的结构件。中国目前生产和使用最多的是含碳量在0.20％左右的A3钢(甲类3号钢)﹐主要用于工程结构。

　　有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌(或其它碳化物形成元素)形成氮化物或碳化物微粒﹐以限制晶粒长大﹐使钢强化﹐节约钢材。在中国和某些国家﹐为适应专业用钢的特殊要求﹐对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整﹐从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢(如桥梁﹑建筑﹑钢筋﹑压力容器用钢等)。

　　优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比﹐硫﹑磷及其它非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同﹐这类钢大致又分为三类﹕

　　1. 小于0.25％C为低碳钢﹐其中尤以含碳低于0.10%的08F﹐08Al等﹐由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车﹑制罐……等﹐20G则是制造普通锅炉的主要材料﹐此外﹐低碳钢也广泛地作为渗碳钢﹐用于机械制造业﹐

　　2. 0.25～0.60％C为中碳钢﹐多在调质状态下使用﹐制作机械制造工业的零件。

　　3. 大于0.6％C为高碳钢﹐多用于制造弹簧﹑齿轮﹑轧辊等﹐根据含锰量的不同﹐又可分为普通含锰量(0.25～0.8％)和较高含锰量(0.7～1.0％和0.9～1.2％)两钢组。锰能改善钢的淬透性﹐强化铁素体﹐提高钢的屈服强度﹑抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”﹐如15Mn﹑20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。

　　碳素工具钢含碳量在0.65～1.35％之间﹐经热处理后可得到高硬度和高耐磨性﹐主要用于制造各种工具﹑刃具﹑模具和量具(见工具钢)。

　　化学成分对碳素钢性能的影响

　　碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下﹐随含碳量的增加﹐钢的强度和硬度升高﹐而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢﹐常限制含碳量。

　　碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰﹑硅﹑镍﹑磷﹑硫﹑氧﹑氮等﹐对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强﹐有时互相抵销。例如﹕硫﹑氧﹑氮都能增加钢的热脆性﹐而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰﹑镍外都降低钢的冲击韧性﹐增加冷脆性。除硫和氧降低强度外﹐其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。

　　氢在钢中能造成很多严重缺陷﹐如产生白点﹑点状偏析﹑氢脆﹑表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量﹐必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝﹐可减小低碳钢的时效倾向﹐还可以细化晶粒﹐提高钢在低温下的韧性﹐但余量不宜过多。由炉料中带入的残余元素如镍﹑铬﹑钼﹑铜等﹐含量高时可提高钢的淬透性﹐但对要求具有高塑性的专用钢﹐如深冲用钢板﹐则是不利的。

　　冶炼﹑加工对碳素钢性能的影响 碳素钢目前大都采用氧气转炉和平炉冶炼﹐优质碳素钢也采用电弧炉生产。根据炼钢过程脱氧程度的不同﹐碳素钢可分为镇静钢﹑沸腾钢和介于两者之间的半镇静钢。冶炼方法对钢的性能影响﹐主要是通过钢的纯净度而起作用的。近年来人们通过真空处理﹑炉外精炼和喷吹技术等﹐都可获得更高纯净度的钢﹐从而显著改善了碳素钢的品质。

　　碳素钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。经过热加工﹐钢锭中的小气泡﹑疏松等缺陷被焊合起来﹐使钢的组织致密。同时﹐热加工可破坏铸态组织﹑细化晶粒。使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。经冷加工的钢﹐随着冷塑性变形程度增大﹐强度和硬度增加﹐塑性和韧性降低。为提高成材率﹐广泛应用连续铸钢工艺。

　　碳素钢的时效

　　低碳钢的时效通常有淬火时效和应变时效两种﹐都是由间隙元素作用引起的﹐主要是由于碳﹑氮﹑氧的重新分布所造成。

　　淬火时效 即钢由高温快速冷却后性能随时间而变化的现象。钢中含碳量﹑脱氧程度和含氮量对淬火时效都有很大影响﹐低碳钢﹑脱氧不充分的沸腾钢和含氮量较高的钢发生淬火时效最显著﹐含碳约0.3％的中碳钢﹐由淬火时效所引起的性能变化已大为减弱﹐含碳约0.6％的高碳钢﹐实际上不起时效硬化作用。

　　应变时效 经冷加工变形后的性能随时间而变化的现象。碳和氮对应变时效的影响﹐与对淬火时效的影响相似﹐磷也促进应变时效。低碳钢因冷变形而消失的屈服点﹐随时间的延长而逐渐恢复。应变时效比淬火时效更为复杂。如钢材经淬火后再进行冷加工﹐无论在室温或稍高温度下﹐均将加速其应变时效。

     碳素钢的时效常给工业生产带来很大危害﹐例如沸腾钢焊接后﹐由于时效使焊接接头热影响区出现细小裂纹﹐严重影响焊接结构的安全性。但由于近代冶金技术的发展﹐和在工业生产中的应用﹐尤其是氧气转炉炼钢能获得更低的氮﹑氧含量﹐因此时效问题有所减轻。