按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。碳素结构钢又可分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种。按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（ΩC≤0.25%），中碳钢（ΩC0.25%-0.6%）和高碳钢（ΩC>0.6%）
按磷、硫合量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）一般碳钢中含碳量越高则硬度越高，强度也就高，但塑性降低。
一．碳钢的分类
1.按碳的质量百分数分：低碳钢（C：≤0.25％）
中碳钢（C：0.25％≤ C ≤ 0.6％）
高碳钢（C：＞0.6％）
含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低
2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）：
普通碳素钢（S ≤0.055％，P ≤0.045％)
优质碳素钢（S ≤0.040％，P ≤0.040％)
高级优质碳素钢（S ≤0.030％，P ≤0.035％)
3。按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等
碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等
二．碳钢的牌号与用途
1.普通碳素结构钢：Q195、 Q215、 Q235、 Q255、 Q275等。
数字表示最低屈服强度。
Q195、 Q215、 Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。
Q255、 Q275可轧制成型钢、钢板等。
2.优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示。
如20＃、45＃等。 20＃表示含C：0.20%（万分之20）。
用途：主要用于制造各种机器零件
3.碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。
如T9、T12等。 T9表示含C：0.9%（千分之9）
用途：主要用于制造各种刀具、量具、模具等
4.铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。
用途：主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。
二．铁及铁基合金
在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金钢。
1.合金元素的作用
a。合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合金元素溶与铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固溶强化。
b。合金元素与碳的作用：对于与碳的亲和力较弱的合金元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中；对于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化物。
工业中使用的金属材料分为那三类
普通钢板： 热板、热卷、冷板、冷卷、酸洗板、酸洗卷、热连轧钢板、碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板、碳素结构钢和低合金结构热轧薄钢板、碳素结构钢和低合金结构冷轧薄钢板、优质碳素结构钢热轧薄钢板、优质碳素结构钢热轧薄弱钢板、优质碳素结构钢冷轧薄弱钢板、合金结构钢热轧厚钢板、合金结构钢薄钢板、高强度结构钢热处理和控轧钢板. 专用钢板： 弹簧钢热轧薄钢板、碳素工具钢热轧钢板、高速工具钢钢板、耐热钢板、铜钢复合钢板、厚度方向性能钢板、花纹钢板、深冲压用冷轧薄钢板、汽车制造用优质碳素结构热轧钢板、汽车大梁用热轧钢板、犁壁用热轧三层钢板、锅炉用钢板、锅炉用碳素钢和低合金钢板、压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板、低温压力容器用低合金钢钢板、低温压力容器用低合金厚钢板、焊接气瓶用钢板、压缩机阀片用热轧薄钢板、塑料模具用热轧厚钢板、日用搪瓷用冷轧薄钢板、200L油桶用热轧碳素结构钢薄钢板、200L油桶用冷轧薄钢板和热镀锌薄钢板、多层压力容器用低合金钢板、焊接结构用耐候钢板、高耐候结构钢板、船体用结构钢板、电磁纯铁热轧厚板、冷弯波形钢板、压焊钢格栅板、建筑用压型钢板、电工用热轧硅钢薄钢板、冷轧电工钢带、电磁纯铁冷轧薄板、钛—钢复合板、镍-钢复合钢板. 钢带（带钢）： 热轧钢带、冷轧钢带、热连轧钢带、碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢带、碳素结构钢和低合金结构热轧和冷轧钢带、优质碳素结构钢热轧宽钢带、优质碳素结构钢热轧钢带、优质碳素结构钢冷轧钢带、高强度结构钢热处理和控轧钢带、深冲压用冷轧钢带、汽车制造用优质碳素结构热轧钢带、犁壁用热轧宽钢带、日用搪瓷用冷轧钢带、晶粒取向硅钢（片）薄钢带、碳素结构钢冷轧钢带；碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢带；优质碳素结构钢热轧钢带；优质碳素结构钢冷轧钢带；低碳钢冷轧钢带；热处理弹簧钢带；弹簧钢、工具钢冷轧钢带；压力容器用热轧钢带；自行车链条用冷轧钢带；自行车用热轧碳素钢和低合金钢宽带及钢板；自行车用冷轧碳素宽钢带和钢板；自行车用热轧钢带；自行车用冷轧钢带；手表用碳素工具钢冷轧钢带；刮脸刀片用冷轧钢带；工业链条用冷轧钢带；锯条用冷轧钢带；机器锯条用高速工具钢热轧钢带；铠装电缆用冷轧钢带；铠装电缆用钢带；灯头用冷轧钢带；金属软管用碳素钢冷轧钢带；包装用钢带、焊接钢管用钢带. 普通型钢： 工字钢、槽钢、角钢（角铁）、圆钢和方钢、扁钢、六角钢和八角钢、L型钢、H型钢和T型钢、异型钢. 专用型钢： 结构钢、工具钢、轴承钢、重轨及重轨配件、轻轨、起重机钢轨、电梯导轨、球扁钢、矿用工字钢、农用复合钢、银亮钢、钢桩钢、支撑钢、中空钢、模具钢、气瓶料、工业纯铁、成品钎钢、标准件用钢、履带板用型钢、拖拉机大梁用槽钢、船用锚链圆钢、齿轮钢、电工钢、合金圆钢、轮网钢、复合扁钢、冷弯型钢、冷拉型钢、U形C形Z形型钢、耐热耐候耐腐蚀钢. 线材： 螺纹钢、镀锌线、普线、高线、铁线、弹簧钢丝、盘圆（条）、焊线、优线、硬线、普碳圆钢、冷拉带肋钢筋、冷拉扭钢筋、直条、铁丝、冷拔丝. 不锈钢： 不锈型材、不锈线材、不锈钢板、不锈卷板、不锈钢管、不锈无缝管、不锈焊管、不锈带钢、不锈钢丝、不锈钢丝绳、不锈钢坯、不锈钢金属制品、不锈直条、不锈弯头、不锈薄壁钢管、不锈钢复合钢板、不锈钢棒、不锈钢热轧钢带、不锈钢和耐热钢冷轧钢带、弹簧用不锈钢冷轧钢带、磁头用不锈钢冷轧钢带、彩色显像管弹簧用不锈钢冷轧钢带、手表用不锈钢冷轧钢带； 无缝钢管： 普通无缝钢管、方形管、矩形管、结构用无缝钢管、输送流体用无缝管、冷拔或冷轧精密无缝管、冷拔无缝异型钢管、汽车半轴套管用无缝管、船舶用碳钢和碳锰钢无缝钢管、柴油机用高压无缝管、低中压锅炉用无缝管、液压和气动缸筒用精密内径无缝管、高压锅炉用无缝管、化肥设备用高压无缝管、石油裂化用无缝管、金刚石岩芯钻探用无缝管、液压支柱用热轧无缝管； -------------------------------------------------------------------- 1.普通质量碳素结构钢C% 0.06一0.38% C(Me)3% C% 0.1%一0.2%,以Mn0.8一1.8%为主加元素 2.低合金结构钢 加入,N后,得的N化物,细化晶粒,又有弥散析出强化作用 F+P组织〈=500MPa,而低C贝氏体>=500MPa方法加入Cr,Mo,Mn,B.阻碍A转变,使珠光体区的C曲线右移的同时而贝氏体区不变,有利于空冷得到贝氏体. 在热轧与空冷状态下使用,不需要热处理,改善焊接性,可正火. 机械结构钢 3.调质钢0.3一0.5%大的轴件>0.4%,连杆<0.4% C(Me)3%一7%主加Si,Mn,Cr,Ni,B目的为捉高淬透性 只有淬透了的钢在回火后得回火S 加W,Mo,,Ti等碳化物形成元素细化A,进而细化回火S 常用调质钢的分类与钢号 1.低淬透性调质钢,油淬30一40mm调质 40一45,40Cr,40MnB 2.中淬透性调质 油淬40一60mm 30CrMnSi,35CrMoSi 3.高淬透性 D>60mm 40CrNi,40CrMnMo 工具钢:高硬度与高耐磨性 1.性能的要求 对高速切削的刃具还要有红硬性 冷模具:冷变形时变形抗力大,还有一定的韧性 热模具:表面反复加热与冷却要有高的韧性与耐热疲劳性能 2.工具钢的化学成分C% 0.6%一1.35% 常以碳化物形成元素Cr,Mo,W,为主加元素,有时也加—些Mn和Si,其目的主要是减 少工具钢在热处理时的变形,并增加淬透性与回火稳定性(与结构钢相区别,结构钢的C%较低,如调质钢C%小于0.5%,并以Cr,Ni,Mn,Si,B为主加元素,起提高淬透性的作用,而碳化物形成元素只起细化晶粒的作用) 3.工具钢的热处理 工具钢C%较高,为了使碳化物颗粒细小且均匀分布,起到耐磨作用,因而用球化退火为预备热处理,也有利于切削加工,并对最终热处理十分有利 最终热处理:淬火加冷处理加回火,冷处理为了减小残余A的量,淬火温下组织为A十残余碳化物,有利于提高钢的耐磨性 刃具钢 碳素工具钢,低合金刃具钢,高速钢 1.碳素工具钢 C% 0.65%一1.35% T7,T8等 优点:硬度相当高,在切削热不大时有较好的耐磨性,缺点:淬透性低10一12mm刃具仅表面淬硬 2.低合金刃具钢 加入Cr,Mn,Si,W,在碳素钢的基础上 C%0.75%一1.5%,C(Me)%<5%,合金元素作用为提高淬透性,回火稳定性及细化晶粒,此钢的红硬性差,但优于碳素工具钢,工作温度250一300度 主要有9SiCr,Cr2,Cr06,9Mn2,CrWMn 3.高速钢,含大量W.Mo,Cr,Co,,有很高的红硬性,工作温度500一600度,HRC在60以上,高速钢有很高的淬透性,中小型刃具空冷也能淬透 1.化学成分 C% 0.70%一1.5%,目的时是为了与碳化物形成Cr,W,Mo,形成碳化物,并保证得到强硬的马氏体基体. W,Mo,主要提高红硬性,因为含大量这些元素的马氏体在500一600时弥散析出W2C,Mo2C,C等特殊碳化物,硬度很高,产生二次硬化,Cr提高淬透性,非碳化物形成元素Co也可延缓回火碳化物的析出与聚集,对提高红硬性有利. 2.铸态组织与锻造高速钢的含碳量虽然小于2.11%,但由于大量的合金元素,相图形状改变,使铸态组织中出现大量莱氏体钢,由于共晶碳化物粗大,呈鱼骨状,用热处理方法难以消失,可用反复锻造将粗大碳化物打碎后再进行球化退火,为淬火作准备,退火后组织为S基体十粒状的碳化物 3.淬火与回火以W18Cr4 热处理工艺为800一840预热,从1270一1280度分级淬火,分级温度为580一620,然后再560度进行三次回火,回火时保温1小时. 高速钢含大量的合金元素:塑性差,导热性差,在快速加热时的热应力使之变形开裂,所以要在加热到淬火温度1270一1280度在800一840预热,对形状复杂者,还应在500一650增加一次预热.,W等起主要起提高红硬性的元素要很高的温度下才溶解,但过高的温度又会使晶粒粗大,且W等合金元素都缩小A区,使得共析与共晶温度提高,因而选择1270一1280度.采用直接空冷,会析析出二次碳化物,从而降低钢的红硬性. 淬火后的组织为M十碳化物十残余A(多达30%)在550一570度回火析出WC等引起二次硬化,A分解,析C,降低合金元素含量,使Ms上升,从而造成二次淬火,一次回火,还有15%的残余A,二次回火残余A3%一5%, 三次回火,只有1%一2%,最终得回火组织M十碳化物十极少量残余A. 3.模具钢 冷模具 碳含量较高,C%>1%,有时高达2%,以碳化物形成元素,Cr,W,Mo,主加元素. Cr12,C(Me)较高而使铸态为菜氏体Cr12,Cr12Mo高碳高铬钢. Cr12热处理方法1.低温淬火980一1030度十低温回火,晶粒细心,强度与韧性好,变形小,此法为一次碳化法 2.1100一1150度十高温回火2一3次,此方法为二次碳化法,有较好的红硬性与耐磨性. 热模具钢 C% 0.3一0.6%,加入Cr,Mn,Si,Mo,W,,以提高钢的淬透性,回火稳定性,耐磨性,并抑制第二类回火脆性,Cr,W,Si提高抗疲劳强度,Mo可细化晶粒,减小回火脆性耐热倾向. 5CrMnMo或5CrNiMo 淬火(830一860)十高温回火(500一600)取上限得回火S,取下限得回火T. 4.量具 C% 0.9%一1.5%,Cr,W,Mn提高淬透性 得高硬度 可用淬火十低温回火 组织稳定性 1.降低淬火加热温度,以减小应力及残余A 2.保证硬度的条件下,又可用上限回火温度并有足够的回火时间 3.采用时效处理,如淬火后,在120一150度等温时效几小时或几十个小时 4.在淬火后在一70度经过2一3小时冷处理,使残余A彻底转变,得稳定的组织与尺寸. 特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超高强度钢、磁钢等五种钢 特殊性能钢 不诱钢:总称不诱耐酸钢 能抗大气腐蚀与弱介质腐蚀的钢为不锈钢 能抗强腐蚀介质的钢为耐酸钢 化学腐蚀是在大气中或非电解质中发生氧化的过程 特点是金属与周围的介质直接进行化学作用而不产生电流,腐蚀的产物沉淀在金属表面. 电化学腐蚀是金属与酸碱盐等电解质溶液间接发生作用而引起的腐蚀,有电流产生. 电化学腐蚀可能产生的条件 1.不同种金属构成微原电池的两极,其中低电位为阳极. 2.在同中金属中,如钢中的F与Fe3C两相,F的电位低,两者之间存在电解质时,F成为阳极而被腐蚀. 3.金属中存在化学成分与组织不均,以及物理状态不均,如基体与第二相,基体与夹杂物,晶界与晶内,不同取向的晶粒,化学成分与组织的偏析,内应力大小不同的区域,均可引起电位差 防止金属腐蚀的方法: 1.形成钝化膜,如Cr2O3就是一种稳定致密的氧化膜 2.获得单相组织,如F,A单相组织,如合金元素Ni,Mn,N可得单相铁素体组织. 3.提高固溶体的电位Cr含量在12.5%时达n/8的第一值,因而一般钢中的Cr含量在13%以上. A不锈钢中加入适当的Ni与Nb,防止晶间的腐蚀. 不锈钢的热处理 1.M不锈钢,Cr%12%一一18% C% 0.1%一一1% 含C量低的韧性与耐蚀性好,淬透性差,不可用于焊接 为改善切削加工性,应在轧制深拉的过程中进行退火 退火应为880一900度保温1一3小时 2.F不锈钢,Cr% 13%一一30% C%<0.15% 加入Mo,Ti,Nb提高抗蚀性能,耐酸性好,抗氧化介质的能力强,可用高温抗氧化材料. 加入1.6%一2.0%的Mn后,可提高抗非氧化介质如醋酸的腐蚀. F不锈钢的脆性大,韧性低,主要有以下三种原因引起 1.晶粒粗大2.475度脆性,析出高Cr(80%Cr,20%Fe)化合物,同时产生共格应力3.σ相脆性,在550一820度加热时从F中析出沿晶界分布的σ相,同时伴随体积的变化,使钢变脆,可通过880一980度加热,使σ相溶入F中后再快冷消除 3.A不锈钢 钢在450一850时出现晶界腐蚀,因为沿晶界处析出Cr23C6,使Cr%下降到12.5%以下. 1.降低含碳量如0Cr18Ni9 2.加入强碳化物形成元素,使之优先与C形成碳化物,而防止Cr与C反应得碳化物 耐热钢 抗氧化性与热强性的总称 金属材料1.高温下塑性形变时伴着加工硬化 2.在发生再结晶的过程中伴随软化,形变是通过位错的攀移造成的. 耐热钢按其组织可分为F型,P型,M型,A型 P型的耐热钢为抗氧化性,加入Cr,Si,Al等合金,形成致密的氧化保护膜,便钢不再继续氧化,但Si,Al加入使钢变脆,因此耐热钢以Cr为主加元素,Si,Al为辅助元素.堤高钢的热稳选定性:1.加入Cr,Mo或W等,以提高再结晶温度,以提高热强性.2.采用面心立方钢,原子密度大,活动空间小,再结晶温度高,如加入Ni,Mn,N扩大A区 3.晶粒粗大,晶界少,可防止一般的高温时沿晶界破坏4钢中加入合金元素形成弥散强化,如Ni3Al 耐磨钢 典型为高锰钢ZGMn13 C% 1一1.4%,Mn使Ms降到0%以下,高锰钢为奥氏体钢 耐磨钢在工作中受强冲击,压缩等时会发生形变而产生加工硬化 ,并由于形变而诱发马氏体相变,表面有高的耐磨性,又由于其心部是奥氏体组织,因而抗冲击力很强,当表面磨损后,又有新的马氏体表层因加工硬化而代替. 高锰钢在铸态,锻造,热机状态,均有碳化物沿A晶界析出,使钢的耐磨性下降,应当进行水韧处理.方法:把钢加热到临界温度以上1000一1100,使碳化物全部溶入A中,然后在水中激冷,以得到均匀的A组织,其HRG180一120韧性高,水韧处理的温度不应过高,否则会使A晶粒长大,降低力学性能. 铸铁的分类解析 1.由碳的存在形式和断口状态 灰口铸铁:大部分或全部以游离态的石墨存在于铸铁中,断口为暗灰色. 白口铸铁:少量碳溶于F中,其余全部以Fe3C的形式存在于铸铁中,断口为银白色,此白口铸铁组织中有共晶莱氏体,质硬而脆,白口铸铁很少用于机械零件. 麻口铸铁:一部分C以石墨的形式存在,另一部分以Fe3C形式存在,断口夹杂白亮与喑灰色夹杂 按石墨的形态 灰口铸铁:石墨为片状 可锻铸铁:石墨为团絮状 球墨铸铁:石墨为球状 蠕墨铸铁:石墨为蠕虫状 石墨同层原子间距0.142nm,层与层之间 0.34nm 合金元素对石墨化的影响 Si 1%的Si使相应的共晶点的含C量下降0.3% 碳当量:若铸铁中实际含C量为3.2%,含Si量为1.8%,则碳当量=3.2%+0.3x1.8%=3.8% 磷在铸铁中主要形成磷共晶,石墨强烈阻碍石墨化的元素,含0.01%的硫就抵消0.15%Si的石墨化作用,Mn本身阻碍石墨化,它使Fe3C更稳定.在铸铁中含S时,Mn优先与硫形成MnS,减弱硫对石墨化的阻碍作用 促进石墨化Al C Si Ti Ni Cu P Co Zr减弱 Nb 阻碍W Mn Mo S Cr Te Mg Ce B增强 距Nb越远,元素作用越强烈 Si与Fe原子结合力较强,溶于铁水与F,不仅使共晶成分共析成分的C%降低,共晶与共析的温度提高,有利于石墨的析出. 冷却温度对石墨化的影响 厚壁处为灰口铸铁,薄壁处为白口铁,缓慢冷却有利于石墨化充分进行,易得灰口铸铁,冷速过快,不利于石墨化. 石墨化的二阶段1.一次石墨,共晶石墨,二次石墨.2.共析转变为第二阶段 石墨化是一个原子扩散的过程,石墨化温度越高,C原子越易扩散,故容易完全 第二阶段温度低冷速稍大,第二阶段只能部分进行,再大些,第二阶段的石墨化使完全不能进行. 二阶段的石墨化充分进行,得到的组织为F基体+石墨,部分进行得(F+P)基体+分布的石墨,二阶段的石墨化不进行,则得P+石墨. 若冷速过快,第一阶段石墨化部分进行,可得麻口铸铁. 常用铸铁 HT250 表灰铸铁的最低抗拉强度为250MPa 灰铸铁的化学成分范围2.5一4.0% 1.0一1.3% Si 0.905一1.3w%Mn <=0.3%P,<=0.15%S 低温共析得F,F+P,P 铸铁的抗拉强度与塑性低于钢:1.石墨本身的强度与塑性几乎为0石墨可看成金属基体中的孔与裂缝,可将铸铁看成是有大量裂纹的钢,石墨的存在相当于减小了有效承载面积.2.石墨割断了金属基体的连续性,石墨本身可看成裂纹,外力作用下造成应力集中. 灰铸铁的硬度和抗压强度与钢差不多,是抗拉力的3一5倍,在压力载荷下,石墨产生的裂纹是闭合的. 石墨软,对振动有削减作用,铸铁的消振性能远大于钢,灰铸铁的减振效果最好,在干磨擦的情况下,石墨本身是润滑剂,起减摩作用.在有润滑的情况下,石墨脱落,小空隙可吸附和储存润滑油,使工件表面保持良好的润滑条件. P基体的HT,强度与硬度耐磨性优于F基体的HT,孕育铸铁HT300,HT350是力学性能中的佼佼者,在孕育铸铁浇注前,在铁水中加入硅铁,硅钙粉等孕育剂,得细片状石墨灰铸铁. 灰铸铁的热处理用来消除内应力,稳定尺寸,消除白口组织以改善切削加工性. 铸铁表面及底面较薄部位由冷却速度大,易出现白口组织,使硬度变高,难以切削,必须进行消除白口组织的石墨化退火. 通常加热至850一950度,保温1一4h,使Fe3C分解,然后随炉冷或保温至400一500度出炉空冷,得到的组织为F或F十P的灰铸铁. 850一950度保温,Fe3C分解的石墨和以后冷却时自A中析出的石墨依附在原有的石墨片上成长. 可锻铸铁KT,可锻铸铁并不是真正可锻 复杂件如减速器外壳,用钢太贵,且铸造性差,用灰铸铁,韧性不足 可用铸铁先铸成白口铸铁铸件,再进行石墨化退火,将Fe3C分解成团絮状的石墨,即可获得可锻铸铁,团絮状石墨对金属基体的割裂作用大为减弱 化学成分:如铸态组织得片状石墨,则白口铁退火时Fe3C分解为石墨依附在片状成长,得不到团絮状的石墨,为此C,Si等促进石墨化的元素含量应适当降低,不过不能太低,否则在退火时石墨化困难C,Si含量为2.0%一2.6%与1.1一1.6% KTH300一06黑心可锻铸铁 KTZ 700一02珠光体可锻铸铁 KTH300一06表示最低抗拉强度300MPa,最低延伸率6% 石墨化退火 第一阶段:从共晶渗碳体的分解以及随后A中析出二次石薹 石墨化退火前为亚共晶白口铁,不存在一次Fe3C,共析得F+C 第二次低温低火,如果两阶段进行完全,得F+团絮状的可锻铸铁. 如果在完成第一阶段,以较大的速度冷却,使第二阶段不能进行,将得P可锻铸铁. 铁素体可锻铸铁具有较高的塑性和韧性,且比钢的铸造性好,珠光体可锻铸铁的强度和耐磨性比F可锻铸铁高,可用来制造强度和耐磨性要求较高的零件.