中碳鋼棒
中碳鋼是一種合金鋼，其碳含量（以重量計）介於0.30%至0.60%之間。碳元素賦予鋼材更高的強度和抗斷裂能力。此外，矽和硫等其他合金元素也提高了鋼材的耐磨性，使其適合進行熱處理，從而賦予其韌性，使其適用於製造軸、齒輪、車軸以及鐵路部件等需要承受重載的耐用部件。
Proleantech 提供多種中碳鋼合金加工服務，適用於精密零件和鍛造件。本文將為您詳細介紹中碳鋼的相關知識。
什麼是中碳鋼？
在深入了解中碳鋼之前，對鋼材分類有紮實的了解至關重要，這將有助於您澄清許多關於鋼材類型及其差異的常見誤解。 合金鋼與碳鋼的比較如圖1所示，碳鋼可依碳含量進一步分為三大類。中碳鋼位於其中的中間位置；因此，它某種程度上彌合了低碳鋼和高碳鋼之間的差距。
鋼材分類
這是許多人都會感到困惑的常見概念。碳鋼主要由鐵和碳組成，只有少量其他元素作為雜質。而合金鋼則含有有意添加的其他金屬元素，例如鉻和鎳。
碳鋼主要用於提高結構應用的強度和硬度，而合金鋼則經過最佳化，以實現耐腐蝕性和耐久性等特定性能。尋找完整的比較資訊。 合金鋼與碳鋼的比較.
中碳鋼的碳含量
中碳鋼通常含有 0.30-0.60%的碳 通常還含有0.60-1.65%的錳。此外，還可能含有少量的矽、硫、磷等雜質。 從下表中，您可以清楚地看到中碳鋼在碳鋼家族中的定位，無論從數量上還是質量上來說都是如此。
| 碳含量（wt.%） | 鋼鐵級 | 物業 |
|---|---|---|
| 0.05 – 0.30 | 低碳鋼 | 高延展性和成形性，低強度 |
| 0.30 – 0.60 | 中碳鋼 | 中等的延展性、成形性和強度 |
| 0.6 – 2.0 | 高碳鋼 | 高強度、低延展性和可成形性 |
| > 2.0 | 鑄鐵（不是鋼） | 抗壓強度和耐磨性高，延展性差 |
表1： 中碳鋼與其他碳鋼和鑄鐵的比較
你可以看到，低碳鋼和高碳鋼簡直就是彼此的極端。原理很簡單：碳含量增加會提高硬度和強度，但會降低延展性並增加脆性。而中碳鋼的性能則介於兩者之間，它比低碳鋼強度更高，同時又保持了良好的可加工性和熱處理性。你也可以參考相關資料，更詳細地了解鋼和鑄鐵的特性。 鐵碳相圖.
中碳鋼的化學成分
中碳鋼並非單一合金；它們是一系列不同牌號的鋼材，分佈於… 合金鋼牌號碼列表 成分略有不同。下表列出了中碳鋼中最常見元素的平均重量百分比。工程師通常會調整這些成分以獲得客製化的性能。
| 元件 | 範圍 | 添加目的 |
| 碳 | 0.30 – 0.60 | 提高強度和硬度（但碳會降低延展性） |
| 錳 | 0.60 – 1.65 | 提高淬透性和韌性 |
| 矽 | 0.15 – 0.35 | 引入脫氧性能並增強鐵氧體的強度 |
| 硫 | ≤0.05 | 可作為雜質存在 |
| 磷 | ≤0.04 | 可作為雜質存在 |
| 鎳、鉻、鉬 | 0 – 1 | 主要存在於合金鋼牌號中 |
表2：中碳鋼常用合金元素的組成
中碳鋼的熱處理響應
中碳鋼的一個非常特殊的性質是它的 對熱處理具有極佳的響應性這使得我們可以根據客戶的特定需求改變其效能。低碳鋼和高碳鋼都不具備這種能力，因為：
- 低碳鋼含碳量不足，無法進行有效的淬火。
- 高碳鋼含碳量過高，因此質地非常脆，在加工過程中容易裂開。
但中碳鋼含有適量的碳，其形成的微觀結構非常有利於熱處理過程中所發生的相變。 如果經過適當的熱處理，中碳鋼的強度甚至可以與高碳鋼相媲美，而且其極限硬度和耐磨性更佳。更重要的是，它們還能保持良好的韌性，開裂風險極低。透過控制熱處理製程參數，還可以滿足各種客製化的性能需求，這使得中碳鋼成為客製化金屬加工的理想材料。
中碳鋼的材料性能
中碳鋼獨特的材料特性不僅源自於其碳含量，更源自於碳在鐵基體中的分佈方式。它並非像大多數鐵原子內部那樣，碳原子呈現簡單的有序排列。
中碳鋼的顯微組織
中碳鋼在室溫下並非由單一均勻相組成。其微觀結構由鐵素體和珠光體兩種相混合而成。
- 鐵氧體相： 一種柔軟且具有延展性的相。鐵素體是材料整體延展性的主要來源。
- 珠光相： 珠光體是一種由鐵素體和碳化鐵（滲碳體）組成的層狀結構。碳元素僅存在於碳化鐵中。珠光體主要賦予鋼強度和硬度。
透過以上解釋，應該很清楚為什麼碳含量增加時強度也會增加。這也解釋了為什麼中碳鋼的強度自然比低碳鋼高，但脆性又比高碳鋼小。
熱處理如何改變微觀結構？
熱處理爐
透過熱處理，可以進一步改變中碳鋼的內部結構，從而獲得所需的性能。以下簡要介紹中碳鋼熱處理過程中所發生的變化。
- 供暖 將微觀結構轉化為單一均勻的相。在此階段，碳原子從其被束縛的相中釋放出來，並且可以在結構內重新分佈。
- 浸泡 在上述溫度下，鋼材中的碳能夠完全溶解並均勻擴散。保溫時間至關重要，因為它是此製程的主要控制參數之一。
- 淬火 淬火是一種快速冷卻過程。淬火會突然將碳原子捕獲，使其沒有足夠的時間重新排列。這會導致形成不同的相，即馬氏體。馬氏體具有明顯更硬、更強的內部結構。
- 回火 是最後的低溫再加熱步驟，可以減少過度脆性。此步驟還能在保留大部分已增強強度的同時，顯著恢復韌性。
有些熱處理技術涉及多個階段的受控加熱和隨後的冷卻，我們可以改變溫度、時間和淬火介質等製程參數，以獲得特定的性能。
中碳鋼的機械性質
中碳鋼因其成分均衡，具有優異的固有機械性能，因此廣受歡迎。然而，如果您需要進一步提升強度和硬度，我們也可以透過熱處理來實現，同時也能保持其良好的延展性和韌性。
強度和硬度
中碳鋼具有良好的強度和硬度，通常能夠滿足中等承載能力和耐磨零件的要求。下表列出了中碳鋼（正火或熱軋狀態）的平均強度和硬度值。這些數值會因鋼種和加工製程的不同而略有差異。
- 抗拉強度： 550 – 850 兆帕
- 屈服強度： 350 – 600 兆帕
- 布氏硬度： 170 – 230 HB（可提升至 280 – 300+ HB） 熱處理後）
AISI 1045鋼是最常使用的中碳鋼牌號。它的抗拉強度通常約為635兆帕，但經過熱處理後，強度可以提高到約900兆帕，因此適用於製造中碳鋼螺栓和汽車軸。
延展性
鋼琴錘組件
儘管碳含量增加會降低延展性，但中碳鋼通常仍能保持一定的柔韌性。 斷裂伸長率15-25% 數值。通常認為該值足以使物體在意外載荷下安全變形，而不是突然斷裂。
韌性
中碳鋼在正火狀態下具有良好的韌性。然而，過度淬火或完全忽略回火階段會顯著降低其衝擊韌性。因此，控制和適當的熱處理過程至關重要。
中碳鋼的物理性能
中碳鋼的另一大優勢在於其優異的物理性能，非常適合製造工業零件。對於需要高強度和可預測溫度特性的應用而言，它是絕佳之選。
| Property | 價值 |
| 密度 | 7.75 – 7.89 克/厘米 |
| 導熱係數 | 45 – 54 瓦特/米卡 |
| 比熱容 | 0.49焦/克°C |
| 熔程 | 1425-1540°C |
| 磁性 | 鐵磁 |
表3：中碳鋼的物理性質
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中碳鋼的等級和標準
中碳鋼棒
中碳鋼有多種標準化牌號，分別針對強度、韌性和加工性能方面的特定要求而設計。這些牌號的碳含量相近，但主要差異在於成分、加工流程和熱處理。了解這些差異對於選擇適用於性能關鍵型和客製化製造零件的合適牌號至關重要。
AISI 10xx系列（AISI 1045鋼及其他常用牌號）
最常使用的中碳鋼屬於 AISI 10xx 系列。要理解這個系列的名稱很簡單：前兩位數字代表鋼材等級，後兩位數字表示碳含量百分比。例如，如果我們解讀 AISI 1045 鋼：
- “10” 代表普通碳鋼
- “45” 佔碳排放量的0.45%
表 4 列出了一些常用的中碳鋼牌號。其中，AISI 1045 鋼是最常見的類型，在許多行業中都有廣泛的應用。
| 級 | 約含碳量 (%) | 最常見的應用 |
| AISI 1035 | 0.35 | 通用機械零件（輕型軸、銷） |
| AISI 1040 | 0.40 | 中等載重機械部件（鍛造件、車軸） |
| AISI 1045 | 0.45 | 結構機械零件（軸、齒輪、螺栓） |
| AISI 1050 | 0.50 | 耐磨、高負荷機械部件 |
表4：常用中碳鋼牌號及其應用
AISI 4140 是中碳鋼嗎？
AISI 4140 技術上是一種低合金鋼。 不是碳鋼. 有時它被歸類為中碳鋼，因為它含有 0.38-0.43% 的碳，從數值上看屬於中碳鋼的範疇。
但AISI 4140鋼含有鉻（0.8-1.1%）和鉬（0.15-0.25%）作為主要合金元素。因此，它被歸類為合金鋼，而非普通碳鋼。 AISI 4140鋼具有優異的淬透性和抗疲勞性，廣泛用於曲軸、齒輪和高應力軸的製造。
AISI中碳鋼牌號的國際等效牌號
AISI 10xx系列中碳鋼在全球範圍內以不同的命名規則得到認可。您可能會在不同的標準下看到不同的牌號格式，但這些牌號在碳含量和機械性能方面基本上相同。
| AISI / SAE（美國） | 碳 （％） | 歐洲（英語） | 德國（DIN / EN） | 日本 (JIS) | 中國（英國） |
| AISI 1035 | 0.35 | C35 / C35E | 1.0501 (Ck35) | S35C | 35＃ |
| AISI 1040 | 0.40 | C40 / C40E | 1.0511 (Ck40) | S40C | 40＃ |
| AISI 1045 | 0.45 | C45 / C45E | 1.1191 (Ck45) | S45C | 45＃ |
| AISI 1050 | 0.50 | C50 / C50E | 1.1206 (Ck50) | S50C | 50＃ |
表5：不同標準下中碳鋼的不同牌號
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如何選擇合適的碳鋼牌號碼？
要選擇合適的中碳鋼牌號，必須對工程要求有清楚的了解。選擇材料需要對部件進行深入研究，以確定明確的需求、限制、環境條件和預算能力。選擇中碳鋼時必須考慮的關鍵因素包括：
- 機械負載要求
- 磨損和表面性能要求
- 截面厚度和硬化能力
- 製造和加工方面的限制
- 環境和服務條件
- 成本和材料供應情況
強烈建議在做出最終選擇之前，向相關專家尋求建議和諮詢。
中碳鋼的應用
汽車車軸
中碳鋼優異的性能組合使其在結構、機械和汽車行業的工程師中廣受歡迎。因此，它們被廣泛用於承受中高應力、循環負荷和磨損的部件。
軸和車軸
由於具有高抗拉強度和抗疲勞性，因此廣泛用於汽車軸、車軸和動力傳動軸。
齒輪和聯軸器
用作承受高接觸應力的齒輪、小齒輪和機械聯軸器的材料。
鍛造部件
由於其強度高、抗衝擊性和耐用性，常用於扳手、桿和鎚頭。
機械及機械零件
廣泛用於曲軸、連桿和旋轉機械部件，這些部件在循環使用條件下承受扭轉和彎曲的組合負荷。
建築和重型設備
中碳鋼螺栓、銷釘、起重部件和結構連接件因其承載能力高、耐機械磨損而廣受歡迎。
中碳鋼的優點
均衡的機械性質
由於其優異的中碳鋼性能，該鋼材能夠同時具備良好的強度和韌性。這使其非常適合用於需要良好抗變形能力和承受動態負載的承重部件。
對熱處理具有很高的響應性
這使得我們可以在加工和熱處理過程中靈活運用其特性。該特性的一個非常實用的優勢在於，我們可以獲得內部韌性良好的堅硬耐磨表面。這些材料廣泛應用於齒輪、凸輪以及承受疲勞負荷的零件的製造。
未經處理時具有良好的加工性能
中碳鋼在熱處理前易於加工。因此，我們可以在最終熱處理前輕鬆地將其加工成各種幾何形狀。這顯著降低了刀具磨損和製造成本。 一般機械加工中使用的鋼材.
廣泛適用性和標準化
由於大多數中碳鋼在全球範圍內都已標準化（例如，AISI 1045 和 C45 是同一等級的不同標準），並且易於採購，因此材料選擇、品質控制和更換變得非常簡單。
成本效益
中碳鋼無需添加昂貴的合金元素即可提供優異的機械性能。因此，它被廣泛應用於大批量生產的零件中，而使用合金鋼則會帶來不必要的成本和過度設計。
中碳鋼的局限性
與低碳鋼相比，延展性較低
由於中碳鋼的碳含量較高，其成形性和冷成形性都比較差。
中等焊接性能
如果需要進行焊接，應預熱材料，並進行適當的焊後熱處理，以避免開裂。
耐腐蝕性有限
如果您的主要目標是耐腐蝕性，那麼中碳鋼並非理想之選。如果您需要在腐蝕性環境中使用這種鋼材，則必須採用塗層或適當的表面保護措施。否則，建議考慮其他鋼材，例如 AISI 4140。
熱處理不完全可能導致脆性風險
回火不充分或完全忽略回火可能會導致硬度過高和韌性喪失，從而增加脆性斷裂的風險。
比合金鋼的淬透性低
對於非常厚的截面，普通中碳鋼可能無法在整個截面上均勻地達到均勻硬度。
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