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什么是碳素钢?有哪些特性特点?

什么是碳素钢?有哪些特性特点?

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。

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。

含碳量小于2.11%,除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外,不含其他合金元素的铁碳合金。工业用碳钢的含碳量一般为0.05%~1.35%。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加,钢的强度、硬度升高,塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比,碳素钢使用最早,成本低,性能范围宽 ,用量最大。适用于公称压力PN≤32.0MPa,温度为-30-425℃的水、蒸汽、空气、氢、氨、氮及石油制品等介质。常用牌号有WC1、WCB、ZG25及优质钢20、25、30及低合金结构钢16Mn。

命名方法

1、碳素结构钢
主要用途:各类工程。通常热轧后空冷供货,用户一般不需进行热处理而直接使用。这类钢按其屈服强度等级共分五个等级。
命名:标志符号Q+最小σS值—等级符号+脱氧程度符号 如:Q235AF
等级符号:A、B、C、D(D级达到了优质钢水平)
2、优质碳素结构钢
主要用途:重要机件。可以通过热处理调整零件的力学性能。出厂状态可以是热轧后空冷,也可以是退火、正火等状态。按国家标准(GB/T699-1999的规定,分为优质钢、高级优质钢A和特级优质钢E三个质量等级。
命名:用两位数字表示,两位数字表示钢中含碳量的万分之几。 如:45钢 WC=0.45%
常用牌号:08F、10#、15#、20#、35#、45#、60# 等。
3、碳素工具钢(WC=0.65%~1.35% 属高碳钢)
主要用途:制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高硬度高耐磨性。分为优质级和高级优质级两大类。
命名:标志符号T+含碳量的1000倍。 如:T10 WC=1.0%
高级优质级在钢号尾部加A,如T10A
4、一般工程用铸造碳素钢件(铸钢)
主要用途:难用锻压等方法成型的复杂零件且力学性能要求较高;
命名:标志符号ZG+最低σS值—最低σb值 如:ZG340-640

表示方法

编号:Q+数字+质量等级符号·脱氧方法符号
例如:Q235A·F
其中Q表示屈服强度,235表示屈服强度的数值,A表示质量等级为A级,F表示沸腾钢。
Q235A·F―表示屈服强度为235N/mm2;,A等级质量沸腾钢。

化学影响

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(见图)。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。这些影响有时互相加强,有时互相抵销。例如:①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。②残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性,增加冷脆性。③除硫和氧降低强度外,其他杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。④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(见应力腐蚀断裂和氢脆)。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。

加工性能

碳素钢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。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。


制造工艺

碳素钢的冶炼通常在转炉、平炉中进行。转炉一般冶炼普通碳素钢,而 平炉可以冶炼各种优质钢。氧气顶吹转炉炼钢技术发展很快,有趋势可代替平炉炼钢。将炼好的钢液注入钢锭模,就得到各种钢锭。钢锭经过锻压或轧制后便加工成钢板、钢带、钢条和各种断面形状的型钢。碳钢一般在热轧状态下直接使用。当用于制造工具和各种机器零件时,则需要根据使用要求进行热处理;至于铸钢件,绝大多数都要进行热处理。

产地运输

主要生产及输往国家、地区
一般碳素钢多加工成型材,如角钢、扁钢、工字钢等输往日本、香港、东南亚、中东等国家和地区。
主要进口生产国家
中国主要从日本、俄罗斯、德国、东欧等国家进口。与其他钢类相比,碳素钢进口数量最多。进口到货后缺重问题较为突出。收用货部门要加强到货后重量的验收。

碳素钢的应用

含碳量在0.1%-1.2%的碳素钢、碳素工具钢、弹簧钢及其各种下脚料,都可以用作冶金钢时配碳和增碳用钢料。选用碳素钢返回料时应注意以下几点。
  1.钢锭冒口、热轧锻切头料等,其中磷、硫含量较高。冶炼低磷、硫合金钢时应控制用量。
  2.车屑、废丝带材、废次钢材等成分不准确,选用时应慎重,最好重熔(洗炉)后使用。
  3.使用碳素钢废旧钢材时应进行火花鉴定,分类使用。

用途

Q195 用于制造承载较小的零件、铁丝、铁圈、垫铁、开口销、拉杆、冲压件以及焊接件等。
Q215 A 用于制造拉杆、套圈、垫圈、渗圈、渗碳零件以及焊接件等。
Q235 A A、B级用于制造金属结构件、心部强度要求不高的渗碳件或碳氮共渗件、拉杆、连杆、吊钩、车钩、螺栓、螺母、套筒、轴以及接件;C、D级用于制造重要的焊接结构件。
Q255 A 用于制造转轴、心轴、吊钩、拉杆、摇杆、楔等强度要求不高的零件。此负焊接性尚可。

Q275 用于制造轴类、链轮、齿轮、吊钩等强度要求高的零件。


规格质量

碳素钢的品种主要有圆钢、扁钢、方钢、钢管、精密钢管、无缝钢管 等。经冷、热加工后钢材的表面不得有裂缝、结疤、夹杂、折叠和发纹等缺陷。

尺寸和允许公差必须符合相应品种国家标准的要求。


具体分类

按化学成分分类
碳素钢按化学成分(即以含碳量)可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
(1) 低碳钢
又称软钢,含碳量从0.10%至0.25%低碳钢易于接受各种加工如锻造,焊接和切削,常用于制造链条,铆钉,螺栓,轴等。
(2) 中碳钢
碳量0.25%~0.60%的碳素钢。有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。除碳外还可含有少量锰(0.70%~1.20%)。按产品质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。热加工及切削性能良好,焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高,而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理,直接使用热轧材、冷拉材,亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为 HRC55(HB538),σb为600~1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中,中碳钢得到最广泛的应用,除作为建筑材料外,还大量用于制造各种机械零件。
(3)高碳钢
常称工具钢,含碳量从0.60%至1.70%,可以淬硬和回火。锤,撬棍等由含碳量0.75%的钢制造; 切削工具如钻头,丝攻,铰刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的钢制造。

按钢的品质分类
按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。
(1)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、硫和其他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(或其他碳化物形成元素)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)。
(2)优质碳素结构钢 和 普通碳素结构钢相比,硫、磷及其他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。②0.25~0.60%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。

按用途分类
按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。
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)。
碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个牌号:
Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 (Q345是低合金钢
每个牌号由于质量不同分为A、B、C、D等级,最多的有四种

,有的只有一;另外还有钢材冶炼的脱氧方法区别。
脱氧方法符号:
F——沸腾钢
b——半镇静钢
Z——镇静钢
TZ——特殊镇静钢

杂质影响


Mn元素的影响
钢中常在杂质有:Si、Mn、S、P和氧、氢、氮等气体。
Mn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素。
锰有较强的脱氧能力,锰大部分溶于F,使钢强化,锰对钢有益。
锰能降低S对钢的危害。
一般碳素钢中把锰控制在0.25%~0.8%范围内。

Si元素的影响
Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。
Si比锰脱氧能力强,硅溶于F,提高钢的强度和硬度,但会使塑性和韧性降低。
硅促进Fe3C分解成石墨,若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降,产生所谓的“黑脆”。
硅在碳素钢中一般控制在0.17~0.37%范围内

S元素的影响
S可使钢的“热脆”性增加。(S不溶于α-Fe,而以化合物FeS的形式存在,其熔点为1190℃,而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上,其熔点仅为985℃。)
S对钢的焊接性能也有不良影响,容易导致焊缝热裂。所以,S在钢中是有害杂质,其含量一般要求不大于0.05%。但是,S能改善钢材的切削性能。

P元素的影响
P会引起钢的“冷脆”。(P在钢中全部溶于α-Fe中,使钢的强度和硬度增高,同时,塑性和韧性显著降低。当钢中含P量达0.3%时,钢完全变脆,这种脆性现象在低温时更为严重。)
P还降低钢的焊接性能。所以,P在钢中是有害杂质,其含量一般要求不大于0.045%。但是,P能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能。

气体的影响
氧会降低钢的力学性能,尤其是疲劳强度。对钢无益,越少越好。
N会以氮化物的形式析出,增加钢的强度和硬度,但会降低钢的塑性和韧性,使钢变脆。
H会使钢的脆性显著增加,称为“氢脆”。
H会使钢中产生裂纹,称为“白点”。

时效处理

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(见金属热处理)。
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。

缺陷

碳素钢在冶炼和轧制(锻造)加工过程中,由于设备、工艺和操作等原因造成钢的欠缺。主要包括结疤、裂纹、缩孔残余、分层、白点、偏析、非金属夹杂、疏松和带状组织等。

结疤
钢材表面未与基体焊合的金属或非金属疤块。有的部分与基体相连,呈舌状;有的与基体不连接,呈鳞片状。后者有时在加工时脱落,形成凹坑。炼钢(浇铸)造成的结疤,疤下一般有肉眼可见的非金属夹杂。轧钢造成的结疤一般称“轧疤”,疤下一般仅有氧化铁皮。
炼钢(浇铸)造成结疤的主要原因有:
(1)上铸锭未采取防溅措施或下铸锭开铸过猛造成飞溅结疤。
(2)下铸锭保护渣性能不佳或模子不清洁、不干燥,造成钢锭(连铸坯)表面或皮下夹杂、气泡和重皮。
(3)模壁严重缺陷或铸温过高造成凸疤和粘模,经轧制或锻压加工演变为结疤。
轧钢方面造成结疤的原因有:
(1)成品前某道(架)轧辊或导卫装置缺陷或操作不当造成轧件凸包、耳子、划疤,经再轧形成结疤。
(2)钢坯火焰清理清痕过陡或残渣未除净,外物落在钢坯上被轧成结疤。
结疤缺陷直接影响钢材外观质量和力学性能。在成品钢材上不允许结疤存在。对结疤部位可进行磨修,磨修后钢材尺寸应符合标准规定。为了减少和消除结疤,一是炼钢、轧钢要改进有关工艺和操作,二是对钢坯表面缺陷部位进行重点清理或全面扒皮清理。

裂纹
按裂纹形状和形成原因有多种名称,如拉裂、横裂、裂缝、裂纹、发纹、炸裂(响裂)、脆裂(矫裂)、轧裂和剪裂等。从炼钢、轧钢到钢材深加工几乎每道工序都有造成裂纹的因素。
(1)炼钢方面
钢中硫、磷含量高,钢的强度、塑性低;铸锭浇铸(模铸、连铸)温度过高,浇铸速度过快,铸流不正;钢锭模、结晶器设计不合理;冷却强度不足或冷却不均,造成激冷层薄或局部应力过大;钢锭模有严重缺陷或保温帽安装不良造成钢锭凝固过程悬挂;保护渣性能不佳,模子潮和各种浇铸操作不良都能造成钢锭表面质量不佳,在钢材上形成裂纹。
(2)轧钢(锻造)方面
钢锭、钢坯加热温度不均或过烧造成裂纹;高碳钢加热或冷却过快,火焰清理或火焰切割钢材温度过低造成炸裂;钢材矫直应力过大,矫直次数过多而又未进行适当热处理时易产生矫裂;冷拔管、线钢料热处理不良或过酸洗造成裂纹;钢件在蓝脆区剪切易剪裂;焊接工艺不当造成焊缝或热影响区裂纹。
裂纹直接影响钢材的力学性能和耐腐蚀性能,成品钢材不允许裂纹存在。对于裂纹可以进行磨修,磨修后钢材尺寸应符合标准规定。为了防止或减少钢材裂纹,一是要改进炼钢、轧钢和钢材深加工及有关工序工艺操作;二是对钢坯缺陷部位要进行重点清理,对重要用途钢坯可以进行扒皮处理。

缩孔残余
钢水凝固过程中,由于体积收缩,在钢锭或连铸坯心部未能得到充分填充而形成的管状或分散孔洞。在热加工前,因为切头量过小或缩孔较深,造成切除不尽,其残留部分称为缩孔残余。
缩孔残余分布在钢锭上部中心处,并与钢锭顶部贯通的叫一次缩孔。由于设计的钢锭模细长或上小下大,在浇铸凝固过程中,钢锭截口以下锭中心仍有未凝固的钢水,凝固后期不能充分填充,形成的孔洞叫二次缩孔。一次缩孔和二次缩孔有本质差别,前者只出现在钢锭头部,后者在钢锭上、中、下部位都有可能出现。一次缩孔酸洗试片中心区域呈不规则的折皱裂缝或空洞。在其上或附近常伴有严重的夹渣、成分偏析和疏松。二次缩孔孔洞中或附近没有夹渣,但有偏析生成碳物。一次缩孔残余和空气贯通的二次缩孔在轧制(锻造)过程中不能焊合,与空气隔绝的二次缩孔和连铸坯缩孔在轧制时一般能够焊合,不影响钢材使用性能。
缩孔残余严重地破坏钢材的连续性,是钢材不允许存在的缺陷,轧制(锻造)时必然在钢坯上产生裂纹。为了防止缩孔的产生,要求正确设计钢锭模和保温帽尺寸,并采用性能优良的保护渣、保温剂(发热剂)和绝热板,把缩孔控制在钢锭头部,以保证在开坯时切掉。控制浇铸速度不要太快,温度不要过高可以防止缩孔产生。

分层
钢材基体上出现的互不结合的两层结构。分层一般都平行于压力加工表面,在纵、横向断面低倍试片上均有黑线。分层严重时有裂缝发生,在裂缝中往往有氧化铁、非金属夹杂和严重的偏析物质。
镇静钢钢锭的缩孔和沸腾钢锭的气囊及尾孔经轧制(锻造)不能焊合产生分层。钢中大型夹杂和严重成分偏析也能产生分层。分层是钢材中不允许存在的缺陷,严重影响钢材的使用。
防止分层缺陷的措施有:
(1)炼钢方面,要净化钢质,减少偏析、缩孔、气囊和大型非金属夹杂,防止连铸坯产生中间裂纹。
(2)轧钢方面,在钢锭加热时要严防内裂,初轧坯要切净缩孔和尾孔。

白点
在钢材纵、横断面酸浸试片上,出现的不同长度无规则的发纹。它在横向低倍试片上呈放射状、同心圆或不规则分布,多距钢件中心或与表面有一定距离。型钢在横向或纵向断口上,呈圆形或椭圆形白亮点。直径一般为3~10mm。
板钢在纵向、横向断口上白点特征不明显,而在z向断口上呈现长条状或椭圆状白色斑点。采用断口检查白点时,最好把试样先进行淬火和调质处理。
钢坯上出现白点,经压力加工后可变形或延伸,压下率较大时也能焊合。
白点缺陷对钢材力学性能(韧性和塑性)影响很大,当白点平面垂直方向受应力作用时,会导致钢件突然断裂。因此,钢材不允许白点存在。
白点产生的原因,一般认为是钢中氢含量偏高和组织应力共同作用的结果。奥氏体中溶解的氢,在冷却相变过程中,其溶解度显著降低,所析出的氢原子聚集在钢材微孔中或晶间偏析区或夹杂物周围,结合成氢分子,产生巨大局部压力,当这种压力与相变组织应力相结合超过钢的强度时,则产生裂纹,形成白点。
白点多在高碳钢,马氏体钢和贝氏体钢中出现。奥氏体钢和低碳铁素体钢一般不出现白点。
消除白点的措施主要是改进冶炼操作,采用真空处理,降低钢水氢含量和采用钢坯(钢材)缓冷工艺。

偏析
钢材成分的严重不均匀。这种现象不仅包括常见的元素(如碳、锰、硅、硫、磷)分布的不均匀性,还包括气体和非金属夹杂分布的不均匀性。
偏析产生的原因是钢水在凝固过程中,由于选分结晶造成的。首先结晶出来的晶核纯度较高,杂质遗留在后结晶的钢水中。因此,结晶前沿的钢水为碳、硫、磷等杂质富集。随着温度降低,杂质凝固在树枝晶间,或形成不同程度的偏析带。此外,随着温度降低,气体在钢水中溶解度下降,在结晶前沿析出并形成气泡上浮,富集杂质的钢水沿上山轨迹形成条状偏析带。由于偏析在钢锭上出现部位不同和在低倍试片上表现出形式各异,偏析可分为方形偏析、“V”、“^”形偏析、点状偏析、中心偏析和晶间偏析等。
另外,脱氧合金化工艺操作不当,可以造成严重的成分不均。保护渣卷入到钢水中造成局部增碳。这些因素使钢材产生偏析的程度往往超过由于选分结晶造成的偏析。
偏析影响钢材的力学性能和耐蚀性能。严重偏析可能造成钢材脆断,冷加工时还会损坏机械,故超过允许级别的偏析是不允许存在的。
偏析程度往往与锭型、钢种、冶炼操作和浇铸条件有关。合金元素、杂质和气体的偏析,随浇铸温度升高和浇铸速度加快,偏析程度愈严重。连铸钢采用电磁搅拌可以减轻偏析程度。另外,增加钢水洁净度是减轻偏析的重要措施。

非金属夹杂
钢中含有与基体金属成分不同的非金属物质。它破坏了金属基体的连续性和各向同性性能。
按非金属夹杂的来源可分为内生夹杂、外来夹杂及两者混合物。
(1)内生夹杂是由脱氧和结晶时进行的各种物理化学反应形成的,主要是钢中氧、硫、氮同其他成分间的反应产物,如Al2O3等。内生夹杂的特点是颗粒小,在钢内分布均匀,它与脱氧方法和化学成分有密切关系。
(2) 外来夹杂是指钢中混入耐火材料、炉渣、钢包渣和模内保护渣等外来物质。外来夹杂的特点是尺寸大,成分结构复杂,分布不规则,具有很大的偶然性。空气对钢水的二次氧化会形成外来夹杂。在炼钢过程中,外来夹杂与内生夹杂往往会形成两者的混合物,具有两者的共同特点,使检验者难以分辨其来源。非金属夹杂按颗粒大小可分为亚显微、显微和大颗粒夹杂三种,其颗粒尺寸分别为<1μm、1~100μm和>100μm。大颗粒夹杂往往出现在钢锭沉淀晶区和皮下位置。连铸钢上弧区有时也发现大颗粒夹杂。
按非金属夹杂本身性质,可以分为塑性夹杂和脆性夹杂两种。
(1)塑性夹杂在热加工过程中,随金属一起发生变形,如MnS;而脆性夹杂,随热加工金属的变彤发生破碎,如Al2O3。当非金属夹杂熔点特别高时,在钢中一生成就以固态形式存在,这类非金属夹杂物在热加工时既不变形,也不破碎,保持其原来形状,如TiN。对于熔点很低的夹杂,从最后结晶母液中排除,此时多沿初生奥氏体晶界呈网状薄膜析出,如FeS。
钢中非金属夹杂对钢材的强度、伸长率、韧性和疲劳强度有不同程度的影响。按使用要求,根据中国国家非金属夹杂标准评定钢材夹杂级别。钢材中不允许存在严重危害钢材性能的大颗粒夹杂。
保证出钢和浇铸系统清洁,采用吹氩、渣洗、喷粉、真空处理等炉外精炼措施及保护浇铸措施,可以减少钢中非金属夹杂。

疏松
钢材截面热酸蚀试片上组织不致密的现象。在钢材横断面热酸蚀试片上,存在许多孔隙和小黑点子,呈现组织不致密现象,当这些孔隙和小黑点子分布在整个试片上时叫一股疏松,集中分布在中心的叫做中心疏松。在纵向热酸蚀试片上,疏松表现为不同长度的条纹,但仔细观察或用8~10倍放大镜观察,条纹没有深度。用扫描电子显微镜观察孔隙或条纹,可以发现树枝晶末梢有金属结晶的自由表面特征。
疏松的成因与钢水冷凝收缩和选分结晶有关。钢水在结晶时,先结晶的树枝晶晶轴比较纯净,而枝晶问富集偏析元素、气体、非金属夹杂和少量未凝固的钢水,最后凝固时,不能够全部充满枝晶间,因而形成一些细小微孔。
钢材在热加工过程中,疏松可大大改善,但当钢锭疏松严重时,压缩比不足或孔型设计不当时,热加工后疏松还会存在。严重的疏松视为钢材缺陷,当疏松严重时,钢材的力学性能会受到一定影响。但根据钢材使用要求,可以按标准图片评定钢材疏松级别。
采用提高钢水纯净度、加快冷却速度、连铸用电磁搅拌和减少枝晶等措施,可以减少疏松。

带状组织
热加工后的低碳结构钢,其显微组织铁素体和珠光体沿轧向平行排列,呈带状分布,形成钢材带状组织。
带状组织形成的机制一般有3种:
(1)通常,在低碳钢中,当树枝晶间富集磷、硫等杂质,钢材经热加工后,非金属夹杂被拉长。如硫化物,而奥氏体在冷却过程中先共析铁素体沿硫化物夹杂形核和长大,形成铁素体条带。同时,铁素体形成时向铁素体条带两侧排碳,也形成了珠光体条带。
(2)当低碳钢中含锰较高时,先凝固的树枝晶晶干成分较纯,形成铁素体条带。而枝晶间含锰、碳、硫、磷等杂质,而且铁素体条带也向枝晶间排碳,形成珠光体条带。
(3)当热加工终轧温度较低时,在双相区轧制也能形成带状组织。
带状组织实质上是钢材组织不均匀的一种表现,影响钢材性能,产生备向异性。带状组织降低钢材塑性、冲击韧性和断面收缩率,特别是对横向力学性能影响较大。
根据钢材的使用要求,可以按中国国家带状组织评级标准图片来评定钢材带状组织的级别。
降低钢中夹杂和树枝晶成分偏析是减轻钢中带状组织的主要措施。

碳素钢淬火时通常采用水冷,但对小尺寸的中碳钢,尤其是直径为8―12mm的45号钢淬火时容易产生裂纹,这是一个较为复杂的问题。采取的措施是淬火时试样在水中快速搅动,或者采用油冷,可避免出现裂纹。包装,裸装,国产钢按钢号在端部进行涂色,详见GB/T699标准规定。


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