碳含量為0.02％～1.35％，并有硅、錳、硫、磷及其他殘余元素的鐵碳合金，簡稱碳鋼。碳鋼中硅和錳是在煉鋼時作為脫氧劑而加入的，硫和磷是由爐料帶入并在煉鋼時未能除盡而成為有害雜質(zhì)。碳鋼中硅含量一般在0.37％以下，錳在1.20％以下，硫在0.055％以下，磷在0.045％以下。碳鋼中有時雖含有少量的鎳、鉻、銅等合金元素，但它并不是特意加入而是由原料帶入的。
碳鋼是目前無論在工業(yè)上，還是在生活上，都是用途最廣，用量最多的金屬材料。它廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、鐵道車輛、汽車、船舶、機(jī)械制造、化工和石油等工業(yè)部門，它還可制作切削工具、模具、量具和輕工民用產(chǎn)品。它易于冶煉，價格低廉，因此它的生產(chǎn)和應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位。碳鋼的產(chǎn)量占全部鋼產(chǎn)量的90％左右。
人類的進(jìn)步與金屬材料特別是碳鋼的冶煉技術(shù)和使用緊密聯(lián)系在一起。中國是金屬冶煉技術(shù)發(fā)達(dá)最早的國家。早在春秋末期(公元前5世紀(jì))中國的冶煉技術(shù)已很發(fā)達(dá)。并在15世紀(jì)以前一直處于世界領(lǐng)先地位。17世紀(jì)初北歐和西歐開始用生鐵冶煉熟鐵，18世紀(jì)英國大量用生鐵冶煉熟鐵，利用水力鼓風(fēng)對熔化的生鐵進(jìn)行脫碳，然后鍛造排渣，煉成低碳熟鐵(含碳量較低的碳鋼)。直至19世紀(jì)中葉空氣轉(zhuǎn)爐和平爐相繼出現(xiàn)后，人類才真正進(jìn)入鋼的時代，與此同時它也把世界帶入一個飛躍發(fā)展的歷史階段。
由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的飛躍發(fā)展，對鋼的質(zhì)量要求越來越高，用途也越來越廣。為了滿足這種要求，各工業(yè)先進(jìn)國家在大力發(fā)展合金鋼的同時，也在積極改善碳鋼的質(zhì)量，擴(kuò)大碳鋼的使用范圍。從20世紀(jì)50年代起，在煉鋼生產(chǎn)上推廣了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和連續(xù)鑄鋼，為提高碳鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量創(chuàng)造了極為有利的條件。從20世紀(jì)70年代末開始采用鋼包吹氬、噴粉以及在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中將鋼液進(jìn)行脫氣、脫硫、脫氧，脫夾雜和進(jìn)行成分微調(diào)等先進(jìn)的爐外精煉技術(shù)，使碳鋼的質(zhì)量得到更進(jìn)一步的提高。在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和電爐生產(chǎn)上采用這些先進(jìn)技術(shù)后，能生產(chǎn)低硫(%26le;5%26times;10-6)、低磷(%26le;20%26times;10-6)、低氧(%26le;10%26times;10-6)、低氫(%26le;0.7%26times;10-6)低碳(%26le;15%26times;10-6)的高級優(yōu)質(zhì)碳鋼。碳鋼的使用領(lǐng)域已逐漸擴(kuò)大到油氣管道、特厚鋼板，海上鉆井平臺和其他特殊用途的重要結(jié)構(gòu)部件上。
分類 (1)按冶煉方法分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼。(2)按鋼水的脫氧程度和鋼錠宏觀組織特征分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼。(3)按鋼的質(zhì)量(主要是根據(jù)硫、磷含量)分為普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼。普通碳素鋼硫和磷含量分別允許達(dá)到0.050％和0.045％；優(yōu)質(zhì)碳素鋼硫、磷含量均在0.035％以下。(4)按鋼中含碳量劃分低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展情況的差異其碳含量范圍各國規(guī)定不一。(見低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼)。(5)按鋼的用途分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼又可分為碳素工程結(jié)構(gòu)鋼和碳素機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼。碳素工程結(jié)構(gòu)鋼指用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)等的碳素結(jié)構(gòu)鋼；碳素機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼指用于機(jī)械結(jié)構(gòu)件的碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼按質(zhì)量又可分為：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。
生產(chǎn)方式 碳鋼一般由轉(zhuǎn)爐和平爐冶煉，由電爐冶煉的不多。在生產(chǎn)中少數(shù)碳鋼澆鑄成鑄件使用，絕大多數(shù)碳鋼澆鑄成鋼錠或連鑄坯，經(jīng)軋制成鋼板，鋼管，鋼帶，鋼條和各種不同斷面形狀的型鋼。碳鋼一般在熱軋狀態(tài)下直接使用，而用于制造工具和各種機(jī)器零件時則需根據(jù)使用要求進(jìn)行熱處理，至于鑄鋼件絕大多數(shù)都要進(jìn)行熱處理。
顯微組織 與碳含量和熱處理狀態(tài)有關(guān)。碳含量對碳鋼的顯微組織影響很大。在平衡狀態(tài)下，碳含量小于0.77％的亞共析碳鋼的顯微組織是先共析鐵素體和珠光體，碳含量為0.77％的共析碳鋼的顯微組織是珠光體，碳含量大于0.77％的過共析碳鋼的顯微組織是珠光體和先共析滲碳體。亞共析碳鋼隨碳含量的增加，先共析鐵素體相對量減少，珠光體相對量增加；珠光體相對量減少，先共析滲碳體相對量增加。
力學(xué)性能 碳含量對退火碳鋼力學(xué)性能的影響如圖1所示。由圖1可知，隨碳含量增加，碳鋼的伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性下降，而硬度上升；但是抗拉強(qiáng)度先是上升，然后下降。碳鋼力學(xué)性能與碳含量的關(guān)系反映了碳鋼顯微組織與碳含量之間的關(guān)系。鐵素體是軟而塑性好的相，滲碳體是硬而脆的相。
珠光體是鐵素體與滲碳體的混合物，其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間。隨著碳含量增加，亞共析鋼中珠光體量增加，而先共析鐵素體量減少。所以亞共析鋼的伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性隨碳含量增加而降低，硬度和抗拉強(qiáng)度卻隨碳含量的增加而升高。當(dāng)碳含量增加到0.77％時顯微組織全是珠光體，而碳含量超過0.77％時，顯微組織中除了珠光體之外還有先共析滲碳體。當(dāng)過共析鋼中碳含量增加時，先穹共析滲碳體隨之增加，所以伸長率、斷面收縮率氣和沖擊韌性降低，硬度升高。但是因為先共析滲碳體以網(wǎng)狀析出，在拉伸時容易產(chǎn)生早期裂紋，從而抗拉強(qiáng)度隨碳含量增加而降低。在生產(chǎn)中為了保證鋼材既有較好的強(qiáng)度，又有一定的塑性和韌性，碳在鋼中的含量一般應(yīng)不超過1.35％。
工藝性能 主要包括切削加工性、鍛造性、焊接性和鑄造性能。
(1)切削加工性。低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，因而切削時產(chǎn)生的切削熱較大，容易粘刀，而且切削不易折斷，影響加工件的表面粗糙度，故切削性差。高碳鋼中滲碳體較多，硬度高，嚴(yán)重磨損刀具，故切削性也差。中碳鋼中鐵索體與滲碳體的比例合適，硬度和塑性比較適中，其切削性較好。鋼的硬度大約在HB250時切削性最好。
鋼的顯微組織對切削性有很大影響。在低碳鋼中當(dāng)珠光體呈片狀，特別是呈細(xì)片狀時，可降低鋼的塑性，有利于切削；而以球狀存在時，不利于切削。在高碳鋼中珠光體以片狀存在，先共析滲碳體以網(wǎng)狀存在時，硬度過高，不利于切削，經(jīng)滲碳體球化退火可改善其切削性。
(2)鍛造性。鋼加熱到高溫時可獲得單相奧氏體組織，其塑性好，鍛造性好。但隨碳含量增加，奧氏體的變形阻力增加。因此高碳鋼的鍛造性比低碳鋼差。
(3)焊接性。焊接性對工程結(jié)構(gòu)來說十分重要。焊接時由于焊縫區(qū)的溫度很高，焊后冷卻速度很快，珠光體相對量增多，而且其組織較粗，甚至?xí)纬神R氏體。這時焊縫區(qū)的硬度將明顯升高或完全淬硬，塑性降低，從而容易引起焊裂。焊接熱影響區(qū)的淬硬和焊裂傾向是衡量鋼材焊接性的主要標(biāo)志，影響這種傾向的主要因素是鋼中碳含量。隨著鋼中碳含量的增加，這種傾向?qū)⒃龃螅摬牡暮附有宰儾睢ｄ撝绣i、硅等元素含量對焊接性也有影響，并將按其影響作用的大小定量計算成相應(yīng)的碳，即碳當(dāng)量。低碳鋼因其碳當(dāng)量低，淬硬和焊裂傾向小，故焊接性好。
(4)鑄造性。包括流動性、收縮性、冷熱裂和偏析傾向性等。鑄造流動性指鋼水充滿鑄造模型的能力，主要與鋼水的化學(xué)成分和澆鑄時鋼水的溫度有關(guān)。隨著碳含量的增加，因為鋼水結(jié)晶開始與終了的溫度間距增大，所以流動性變差，但由于碳含量增加后，鋼水的結(jié)晶溫度降低，因此在澆鑄溫度相同時，鋼液的流動性仍將隨著碳含量增加變好。
鑄造收縮性是指鋼液從澆鑄冷卻至室溫時產(chǎn)生的體積變化。鑄件的收縮由液態(tài)、凝固、固態(tài)收縮三部分組成。液態(tài)收縮和凝固收縮將會產(chǎn)生縮孔和疏松，固態(tài)收縮將會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力從而引起開裂。當(dāng)澆鑄溫度一定時，隨著碳含量增加，液態(tài)收縮和凝固收縮量增加，但固態(tài)收縮量卻減少。因此澆鑄的鑄件中，隨著碳含量增加，產(chǎn)生縮孔和疏松的傾向性變大，但由于產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起的開裂傾向變小。
硅、錳、磷、硫等元素對性能及組織的影響碳含量是決定碳鋼性能和顯微組織的主要因素，但硅、錳、磷、硫等元素的含量對碳鋼的性能和顯微組織也有很重要的影響。有害元素的含量超過一定值時，會使碳鋼產(chǎn)生缺陷(見碳素鋼缺陷)。
(1)硅。是鋼在冶煉中采用的較強(qiáng)的脫氧劑。它將與鋼中有害的游離的氧結(jié)合生成二氧化硅和各種類型的硅酸鹽。由于脫氧鋼中含氧量降低，凝固后鋼錠組織碳tan致密性增加，化學(xué)成分偏析減輕，鋼錠質(zhì)量得到顯著的改善。鋼中加入硅，除用于脫氧外，多余的硅能溶于鐵素體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。硅的固溶量越多，鋼的強(qiáng)度和硬度提高也越多，但鋼的塑性和沖擊韌性將隨之顯著降低。因此鋼中含硅量不宜過高，在碳鋼中不超過0.40％，經(jīng)脫氧生成的二氧化硅和各種類型的硅酸鹽，大部分上浮至鋼液表面進(jìn)入渣中，少部分殘留在鋼中成為非金屬夾雜物。有些夾雜物具有良好的塑性，在熱加工時，它將沿著鋼的變形方向延伸成條帶狀。條帶狀夾雜物使鋼的性能具有各向異性，特別是使沖擊韌性的各向異性增大更為顯著。
(2)錳。鋼的主要脫氧劑之～。它與鋼中有害的游離的氧結(jié)合生成氧化錳，其中少部分的氧化錳呈小顆粒殘留在鋼內(nèi)成為非金屬夾雜物。碳鋼中錳含量一般在0.80％以下，含錳量高的可達(dá)1.20％。碳鋼中錳大部分固溶于鐵素體中，部分還溶于滲碳體中。固溶于鐵素體將起固溶強(qiáng)化作用，并使碳鋼軋后空冷顯微組織細(xì)化，珠光體相對量增加。因此錳將提高碳鋼的強(qiáng)度和硬度。碳鋼中含0.80％以下的錳時，可稍微提高斷面收縮率和沖擊韌性。錳與鋼中的硫化合形成硫化錳，可減少硫?qū)︿摰奈：Α５撬苄詩A雜物，在熱軋時沿著軋制方向拉伸變形成條帶狀。由于這些夾雜物的強(qiáng)度較低，從而降低了鋼材的塑性和沖擊韌性，特別是橫向塑性和沖擊韌性降低得更為明顯。錳含量過高時，會顯著增加鋼的冷脆傾向，焊接性能也變壞。
(3)硫。鋼中有害元素。因硫在%26alpha;-鐵中溶解度很小，大部分以塑性硫化物夾雜物存在于鋼中，在熱加工后，呈條狀，大大降低了鋼的塑性和韌性。硫的另一種危害是使鋼在熱加工時產(chǎn)生裂紋，即引起鋼的熱脆。另外硫產(chǎn)生偏析傾向性較大，這就更加加劇鋼的熱脆危害性。硫?qū)︿摰暮附有砸灿胁涣加绊懀讓?dǎo)致焊縫熱裂外，在焊接過程中，因硫易于氧化生成二氧化硫氣體，在焊縫產(chǎn)生氣孔和疏松。因此鋼中的硫含量應(yīng)予以嚴(yán)格控制。對鋼的質(zhì)量要求越高，硫含量應(yīng)越少。鋼中硫的含量在一定范圍內(nèi)能提高鋼材的切削加工性能(見易切削鋼)。
(4)磷。鋼中有害元素。它與硫不同，在鐵素體中的溶解度大，在室溫時可以達(dá)到1.20％，而且易于產(chǎn)生偏析。磷對鋼的固溶強(qiáng)化作用很大，隨著磷含量的增加，鋼的強(qiáng)度將顯著提高，但鋼的塑性和沖擊韌性則隨之降低，特別是在低溫狀態(tài)下的沖擊韌性降低很多。當(dāng)鋼中磷含量超過0.10％時，鋼的沖擊韌性大幅度下降，同時脆性轉(zhuǎn)變溫度上升，使鋼容易產(chǎn)生脆斷，即引起鋼的冷脆。鋼中的含碳量越高，這種脆化作用越大，冷脆對承受沖擊負(fù)荷或在低溫下使用的建筑結(jié)構(gòu)是十分有害的。另外磷在焊接時容易引起焊縫冷裂并將擴(kuò)展，因此磷也是惡化鋼材焊接性的元素之一。鋼中磷含量與硫含量一樣，必須加以嚴(yán)格控制。另外磷有提高鋼材抗大氣腐蝕性能的作用，特別是磷與銅共存時，鋼材的抗大氣腐蝕性能大增。
(5)氧。鋼中有害元素。由于煉鋼前期加入礦石、吹氧或吹空氣，鋼水中不可避免地溶有一定的氧。在精煉的末期，鋼中氧含量取決于碳含量。碳含量高，則氧含量低。氧氣頂吹和底吹轉(zhuǎn)爐精煉末期，鋼中碳含量與氧含量的關(guān)系如圖2所示。
氧含量一般為(200～800)%26times;10-6。氧在固體鋼中溶解度很小。Fe-O系相圖中900℃時%26alpha;-鐵能溶解氧290%26times;10-6，500℃以下則小于10%26times;10-6。在鋼液凝固時，氧將以FeO形態(tài)析出，分布在晶界上，降低鋼的塑性。FeO和FeS形成低熔點(940℃)共晶，使在熱加工時發(fā)生熱脆。精煉末期向鋼中加入脫氧劑進(jìn)行脫氧，減少鋼液中的氧含量，這是保證鋼的質(zhì)量的一項重要操作工序。經(jīng)充分脫氧后，鋼中的氧便生成氧化物，其中部分氧化物在鋼液凝固時來不及排除而殘留在固體鋼中，便成為鋼中氧化物夾雜，一般來說，凝固后鋼中的氧幾乎全部以氧化物夾雜的形式存在。鋼中氧含量對鋼性能的影響實質(zhì)上是指鋼中氧化物夾雜的影響。這種影響及其危害程度將隨氧化物夾雜的成分、大小和在鋼中的分布狀況等情況而異。它的主要影響是降低鋼的塑性、韌性、疲勞極限、耐腐蝕性和耐磨性，并使冷熱加工性能變壞。鋼中含氧量取決于鋼的脫氧程度：鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度高，氧含量一般約為(20～40)%26times;10一；半鎮(zhèn)靜鋼次之，氧含量為(50～100)%26times;10～；沸騰鋼脫氧程度最差，氧含量為(200～40)%26times;10-6，經(jīng)過爐外精煉處理的氧含量可降至10%26times;10-6以下。鋼中氧化物夾雜的來源，除了由于脫氧產(chǎn)生脫氧產(chǎn)物以外，還有鋼液在澆鑄過程中二次氧化所生成的氧化物。要提高鋼的780純凈度必須降低鋼中氧含量，以減輕其對鋼性能的危害。
(6)氮。來自爐料以及在冶煉過程中從空氣中吸入鋼內(nèi)。空氣轉(zhuǎn)爐鋼的氮含量最高可達(dá)0.022％，電爐鋼的氮含量為0.006％～0.016％，平爐鋼為0.004％～0.006％，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼為0.002％～0.004％。氮在%26alpha;-鐵中591℃時的溶解度為0.10％，隨溫度的降低，氮的溶解度急劇降低。低碳鋼中的氮在室溫或一定的溫度下將會極緩慢地發(fā)生脫溶，析出彌散的碳氮化物，使鋼的強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性降低。這種現(xiàn)象叫做時效。當(dāng)鋼中磷含量較高時，由氮導(dǎo)致的脆性傾向更為顯著。當(dāng)鋼中含有釩、鋁、鈦、鈮等元素時，氮與這些元素化合形成氮化物，不僅可以大大減輕其對時效敏感性的不良作用，而且通過其細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化效果，可以顯著提高鋼的強(qiáng)度而不損害其韌性。氮是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，氮廣泛地用來制造Cr%26mdash;Mn%26mdash;N系和CrMn%26mdash;Ni%26mdash;N系奧氏體鋼，因此氮在這類鋼中也是一種合金元素。
(7)氫。主要來自爐料、爐襯、鋼包、和與鋼液接觸的空氣中的水分。在鋼材進(jìn)行酸洗和電鍍時，氫也會滲入鋼材內(nèi)部。氫是有害元素，在鋼中的含量一般甚微，其溶解度隨溫度的降低而降低，對鋼的顯微組織無甚影響，對鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也沒有明顯的影響，但對鋼的其他性能危害甚大，會使鋼的塑性特別是斷面收縮率顯著降低，脆性增加，引起氫脆。當(dāng)鋼中氫含量超過臨界值時，氫會從鋼中析出而產(chǎn)生白點。這是一種鋼材內(nèi)部出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致報廢的致命缺陷，因此在整個生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制鋼中的氫含量，特別是產(chǎn)生白點敏感性很強(qiáng)的高碳鋼和合金鋼更應(yīng)特別嚴(yán)格控制。
(8)鋁。強(qiáng)脫氧劑，其脫氧能力遠(yuǎn)比硅、錳高。在精煉末期鋼水一般先用錳、硅脫氧，最后用鋁作為補(bǔ)充脫氧。用鋁脫氧后生產(chǎn)的三氧化二鋁將部分殘留在鋼中成為非金屬夾雜物，剩余的鋁留在固溶體中與鋼中的氮結(jié)合形成彌散的氮化鋁。這樣鋁便具有抑制低碳鋼的時效、彌散強(qiáng)化和阻止鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用。為了獲得奧氏體晶粒長大傾向性較小的鋼，即細(xì)晶粒鋼，鋼中應(yīng)有一定含量的酸溶鋁(一般為0.02％～0.04％)。在碳鋼中以固溶狀態(tài)存在的鋁對鋼的力學(xué)性能影響不大。低碳鋼用鋁脫氧后，還能改善鋼的沖壓性能和焊接性能。
(9)銅。鋼中的非常見元素，它是從含銅的鐵水或廢鋼帶入的。鋼中少量的銅對鋼的性能并不起顯著的作用。當(dāng)含量增加到0.25％～0.30％時，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但焊接性能變壞，用于焊接結(jié)構(gòu)的低碳鋼中銅含量應(yīng)不大于0.30％，碳鋼中銅含量一般要控制在0.35％以下。銅能改善鋼水流動性，在碳素鑄鋼中含有少量銅，對澆鑄有利。另外鋼中的銅與磷一樣有提高鋼材抗大氣腐蝕性能的作用，特別是與磷同時存在時，其效果更為顯著。但是銅含量超過0.40％的鋼在加熱時，表面層氧化具有選擇性，在氧化層下面形成富銅層。富銅層的熔點不超過1100℃，所以鋼坯在加熱時富銅層熔化，它沿奧氏體晶界內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致熱軋時產(chǎn)生魚鱗狀裂紋。因此含銅鋼熱軋時，要適當(dāng)降低加熱溫度，盡量縮短加熱時間。
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