Углеродистая сталь
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Углеродистая сталь представляет собой сталь с содержанием углерода от примерно 0,05 до 2,1 процента по массе. Определение углеродистой стали, данное Американским институтом железа и стали (AISI), гласит:
- минимальное содержание не указано и не требуется для хрома , кобальта , молибдена , никеля , ниобия , титана , вольфрама , ванадия , циркония или любого другого элемента, добавляемого для получения желаемого легирующего эффекта;
- указанный минимум для меди не превышает 0,40%;
- или указанный максимум для любого из следующих элементов не превышает указанного процентного содержания: марганец 1,65%; кремний 0,60%; медь 0,60%. [1]
Термин «углеродистая сталь» также может использоваться в отношении стали, не являющейся нержавеющей сталью ; В этом случае углеродистая сталь может включать легированные стали . Высокоуглеродистая сталь имеет множество различных применений, например, в фрезерных станках, режущих инструментах (например, долотах ) и высокопрочной проволоке. Для этих применений требуется гораздо более тонкая микроструктура, которая повышает прочность.
По мере увеличения процентного содержания углерода сталь становится более твердой и прочной в результате термообработки ; однако он становится менее пластичным . Независимо от термической обработки более высокое содержание углерода снижает свариваемость . В углеродистых сталях более высокое содержание углерода снижает температуру плавления. [2]
Характеристики
[ редактировать ]Углеродистую сталь часто делят на две основные категории: низкоуглеродистую сталь и высокоуглеродистую сталь. Он также может содержать другие элементы, такие как марганец, фосфор, сера и кремний, которые могут повлиять на его свойства. Углеродистая сталь легко поддается механической обработке и сварке, что делает ее универсальной для различных применений. Его также можно подвергнуть термической обработке для повышения его прочности, твердости и долговечности.
Углеродистая сталь подвержена ржавчине и коррозии, особенно в средах с высоким уровнем влажности и/или соли. Его можно защитить от коррозии, покрыв краской, лаком или другим защитным материалом. Альтернативно, он может быть изготовлен из сплава нержавеющей стали, содержащего хром, который обеспечивает отличную коррозионную стойкость. Углеродистую сталь можно легировать другими элементами для улучшения ее свойств, например, путем добавления хрома и/или никеля для повышения ее устойчивости к коррозии и окислению или добавления молибдена для улучшения ее прочности и ударной вязкости при высоких температурах.
Это экологически чистый материал, так как он легко поддается вторичной переработке и может быть повторно использован в различных целях. Его производство энергоэффективно, поскольку требует меньше энергии, чем другие металлы, такие как алюминий и медь. [3]
Тип
[ редактировать ]Мягкая или низкоуглеродистая сталь
[ редактировать ]Мягкая сталь (железо, содержащее небольшой процент углерода, прочное и вязкое, но трудно закаляемое), также известная как простая углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной формой стали, поскольку ее цена относительно низкая, но она обеспечивает свойства материала, приемлемые для многих применений. Мягкая сталь содержит примерно 0,05–0,30% углерода. [1] делая его податливым и пластичным. Мягкая сталь имеет относительно низкую прочность на разрыв, но она дешева и ее легко обрабатывать. Твердость поверхности можно повысить с помощью цементации . [4]
Плотность мягкой стали составляет примерно 7,85 г/см. 3 (7850 кг/м 3 ; 0,284 фунта/куб.дюйм) [5] а модуль Юнга 200 ГПа (29 × 10 6 пси). [6]
Низкоуглеродистые стали [7] отображение биения при пределе текучести , когда материал имеет два предела текучести . Первый предел текучести (или верхний предел текучести) выше второго, и после верхнего предела текучести доходность резко падает. Если низкоуглеродистая сталь подвергается нагрузке только до некоторой точки между верхним и нижним пределом текучести, на поверхности появляются полосы Людера . [8] Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и их легче деформировать в холодном состоянии, что облегчает обращение с ними. [4] Типичными областями применения низкоуглеродистой стали являются детали автомобилей, трубы, конструкции и консервные банки для пищевых продуктов. [9]
Высокопрочная сталь
[ редактировать ]Высокопрочные стали — это низкоуглеродистые стали или стали, находящиеся в нижней части диапазона среднего содержания углерода. [ нужна ссылка ] которые содержат дополнительные легирующие ингредиенты для повышения их прочности, износостойкости или, в частности, прочности на разрыв . Эти легирующие ингредиенты включают хром , молибден , кремний , марганец , никель и ванадий . Максимально допустимое содержание таких примесей, как фосфор и сера, ограничено.
- сталь 41хх
- сталь 4340
- Сталь EN25 – никель-хром-молибденовая сталь с содержанием 2,521 %
- EN26 сталь
Высокоуглеродистые стали
[ редактировать ]Углеродистые стали, которые успешно подвергаются термической обработке, имеют содержание углерода в пределах 0,30–1,70% по массе. Микропримеси различных других элементов могут существенно повлиять на качество получаемой стали. В частности, следы серы делают сталь краснокороткой , то есть хрупкой и рассыпчатой при высоких рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, такая как марка А36 , содержит около 0,05% серы и плавится при температуре около 1426–1538 ° C (2600–2800 ° F). [10] Марганец часто добавляют для улучшения прокаливаемости низкоуглеродистых сталей. превращают материал в низколегированную сталь Эти добавки по некоторым определениям , но определение углеродистой стали, данное AISI, допускает содержание марганца до 1,65% по весу.Существует два типа высокоуглеродистых сталей: высокоуглеродистая сталь и сверхвысокоуглеродистая сталь. Причина ограниченного применения высокоуглеродистой стали состоит в том, что она имеет крайне плохую пластичность и свариваемость, а также более высокую себестоимость производства. Наиболее подходящими для применения высокоуглеродистых сталей являются пружинная промышленность, сельскохозяйственная промышленность, а также производство широкого спектра высокопрочных проволок. [11] [12]
Классификация AISI
[ редактировать ]Следующий метод классификации основан на американском стандарте AISI/SAE . Другие международные стандарты, включая DIN (Германия), GB (Китай), BS/EN (Великобритания), AFNOR (Франция), UNI (Италия), SS (Швеция), UNE (Испания), JIS (Япония), стандарты ASTM и другие.
Углеродистая сталь подразделяется на четыре класса в зависимости от содержания углерода: [1]
Низкоуглеродистая сталь
[ редактировать ]Низкоуглеродистая сталь имеет содержание углерода от 0,05 до 0,15% (простая углеродистая сталь). [1]
Среднеуглеродистая сталь
[ редактировать ]Среднеуглеродистая сталь имеет содержание углерода примерно 0,3–0,5%. [1] Он сочетает в себе пластичность и прочность и обладает хорошей износостойкостью. Его используют для изготовления крупных деталей, поковок и автомобильных компонентов. [13] [14]
Высокоуглеродистая сталь
[ редактировать ]Высокоуглеродистая сталь имеет содержание углерода примерно от 0,6 до 1,0%. [1] Он очень прочный, используется для изготовления пружин, режущих инструментов и высокопрочной проволоки. [15]
Сверхвысокоуглеродистая сталь
[ редактировать ]Сверхвысокоуглеродистая сталь имеет содержание углерода примерно 1,25–2,0%. [1] Стали, которые можно закалить до высокой твердости. Используется для специальных целей, таких как ножи (непромышленного назначения), оси и пробойники . Большинство сталей с содержанием углерода более 2,5% производятся методом порошковой металлургии .
Термическая обработка
[ редактировать ]
Целью термообработки углеродистой стали является изменение механических свойств стали, обычно пластичности, твердости, предела текучести или ударопрочности. Обратите внимание, что электропроводность и теплопроводность изменяются незначительно. Как и в большинстве методов упрочнения стали, модуль Юнга (эластичность) не изменяется. Все виды обработки стали меняют пластичность на повышенную прочность и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость углерода в аустенитной фазе; поэтому все термические обработки, за исключением сфероидизации и технологического отжига, начинаются с нагрева стали до температуры, при которой может существовать аустенитная фаза. Затем сталь закаливают (вытягивают при нагревании) со скоростью от умеренной до низкой, позволяя углероду диффундировать из аустенита, образуя карбид железа (цементит) и оставляя феррит, или с высокой скоростью, захватывая углерод внутри железа, таким образом образуя мартенсит. . Скорость, с которой сталь охлаждается до эвтектоидной температуры (около 727 °C или 1341 °F), влияет на скорость, с которой углерод диффундирует из аустенита и образует цементит. Вообще говоря, быстрое охлаждение приведет к тому, что карбид железа станет мелкодисперсным и образует мелкозернистую структуру. перлит и медленное охлаждение дадут более крупный перлит. Охлаждение доэвтектоидной стали (менее 0,77 мас.% С) приводит к образованию пластинчато-перлитной структуры слоев карбида железа с α- ферритом (почти чистое железо) между ними. Если это заэвтектоидная сталь (более 0,77 мас.% С), то структура представляет собой полный перлит с небольшими (крупнее перлитной пластинки) зернами цементита , образующимися по границам зерен. Эвтектоидная сталь (0,77% углерода) будет иметь перлитную структуру по всем зернам без цементита на границах. Относительные количества компонентов находятся с помощью правила рычага . Ниже приводится список возможных видов термической обработки:
- Сфероидизация
- Сфероидит образуется при нагревании углеродистой стали примерно до 700 ° C (1300 ° F) в течение более 30 часов. Сфероидит может образовываться при более низких температурах, но необходимое время резко увеличивается, поскольку это процесс, контролируемый диффузией. В результате получается структура стержней или сфер цементита внутри первичной структуры (феррита или перлита, в зависимости от того, на какой стороне эвтектоида вы находитесь). Цель состоит в том, чтобы смягчить стали с более высоким содержанием углерода и обеспечить большую формуемость. Это самая мягкая и пластичная форма стали. [16]
- Полный отжиг
- Углеродистая сталь нагревается примерно до 400 °C (750 °F) в течение 1 часа; это гарантирует, что весь феррит превратится в аустенит (хотя цементит все еще может существовать, если содержание углерода больше, чем эвтектоид). Затем сталь необходимо медленно охладить со скоростью около 20 °C (36 °F) в час. Обычно это просто охлаждение печи, когда печь выключают, а сталь все еще находится внутри. Это приводит к грубой перлитной структуре, что означает, что «полосы» перлита толстые. [17] Полностью отожженная сталь мягкая и пластичная , без внутренних напряжений, что часто необходимо для экономичной формовки. Только сфероидизированная сталь мягче и пластичнее. [18]
- Процесс отжига
- Процесс, используемый для снятия напряжений в холодно обработанной углеродистой стали с содержанием C менее 0,3%. Сталь обычно нагревают до 550–650 °C (от 1000 до 1200 °F) в течение 1 часа, но иногда температура достигает 700 °С. С (1300 ° F). На изображении выше показана зона процесса отжига.
- Изотермический отжиг
- Это процесс, при котором доэвтектоидная сталь нагревается выше верхней критической температуры. Эту температуру поддерживают некоторое время, затем снижают до уровня ниже нижней критической температуры и снова поддерживают. Затем его охлаждают до комнатной температуры. Этот метод исключает любой температурный градиент.
- Нормализация
- Углеродистая сталь нагревается примерно до 550 ° C (1000 ° F) в течение 1 часа; это гарантирует полное превращение стали в аустенит. Затем сталь охлаждается на воздухе, скорость охлаждения составляет примерно 38 °C (100 °F) в минуту. В результате получается тонкая перлитная структура и более однородная структура. Нормализованная сталь имеет более высокую прочность, чем отожженная сталь; он имеет относительно высокую прочность и твердость. [19]
- закалка
- Углеродистую сталь с содержанием углерода не менее 0,4 мас.% нагревают до нормализующих температур, а затем быстро охлаждают (закаливают) в воде, рассоле или масле до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, но, как правило, снижается с увеличением содержания углерода. В результате образуется мартенситная структура; форма стали, которая обладает перенасыщенным содержанием углерода в деформированной объемно-центрированной кубической (BCC) кристаллической структуре, правильно называемой объемно-центрированной тетрагональной (BCT), с большим внутренним напряжением. Закаленная таким образом сталь чрезвычайно тверда, но хрупка , обычно слишком хрупка для практических целей. Эти внутренние напряжения могут вызвать появление трещин на поверхности. Закаленная сталь примерно в три раза тверже (в четыре раза больше углерода), чем нормализованная сталь. [20]
- Темперирование (маркирование)
- На самом деле закалка не является процедурой закалки, отсюда и термин «маркетинг» . Это форма изотермической термообработки, применяемая после первоначальной закалки, обычно в ванне с расплавленной солью, при температуре чуть выше «начальной температуры мартенсита». При этой температуре остаточные напряжения внутри материала снимаются и из остаточного аустенита, не успевшего трансформироваться во что-либо еще, может образоваться некоторое количество бейнита. В промышленности это процесс, используемый для контроля пластичности и твердости материала. При более длительной закалке пластичность увеличивается при минимальной потере прочности; сталь выдерживается в этом растворе до тех пор, пока внутренняя и внешняя температуры детали не сравняются. Затем сталь охлаждают на умеренной скорости, чтобы сохранить минимальный температурный градиент. Этот процесс не только уменьшает внутренние напряжения и трещины под напряжением, но также повышает ударопрочность. [21]
- Закалка
- Это наиболее распространенная термообработка, поскольку конечные свойства можно точно определить по температуре и времени отпуска. Закалка включает повторный нагрев закаленной стали до температуры ниже температуры эвтектоида с последующим охлаждением. Повышенная температура позволяет образовывать очень небольшие количества сфероидита, который восстанавливает пластичность, но снижает твердость. Фактическая температура и время тщательно выбираются для каждого состава. [22]
- Аустемперирование
- Процесс дополнительного отпуска аналогичен отпуску, за исключением того, что закалку прерывают и сталь выдерживают в ванне с расплавленной солью при температуре от 205 до 540 ° C (от 400 до 1000 ° F), а затем охлаждают с умеренной скоростью. Полученная сталь, называемая бейнитом, образует игольчатую микроструктуру стали, которая имеет большую прочность (но меньшую, чем у мартенсита), большую пластичность, более высокую ударную вязкость и меньшую деформацию, чем мартенситная сталь. Недостаток закалки заключается в том, что ее можно использовать только на нескольких листах стали и требуется специальная соляная ванна. [23]
Цементация
[ редактировать ]Процессы цементации упрочняют только внешнюю поверхность стальной детали, создавая твердую, износостойкую оболочку («корпус»), но сохраняя прочную и пластичную внутреннюю часть. Углеродистые стали плохо закаливаются , то есть их невозможно закалить на толстых секциях. Легированные стали обладают лучшей прокаливаемостью, поэтому их можно закаливать насквозь и не требуют цементации. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, поскольку оно придает поверхности хорошие характеристики износа, но оставляет сердцевину гибкой и амортизирующей.
Температура ковки стали
[ редактировать ]| Тип стали | Максимальная температура ковки | Температура горения | ||
|---|---|---|---|---|
| (°Ф) | (°С) | (°Ф) | (°С) | |
| 1,5% углерода | 1,920 | 1,049 | 2,080 | 1,140 |
| 1,1% углерода | 1,980 | 1,082 | 2,140 | 1,171 |
| 0,9% углерода | 2,050 | 1,121 | 2,230 | 1,221 |
| 0,5% углерода | 2,280 | 1,249 | 2,460 | 1,349 |
| 0,2% углерода | 2,410 | 1,321 | 2,680 | 1,471 |
| 3,0% никелевая сталь | 2,280 | 1,249 | 2,500 | 1,371 |
| 3,0% никель-хромистая сталь | 2,280 | 1,249 | 2,500 | 1,371 |
| 5,0% никелевая (цементируемая) сталь | 2,320 | 1,271 | 2,640 | 1,449 |
| Хромованадиевая сталь | 2,280 | 1,249 | 2,460 | 1,349 |
| Быстрорежущая сталь | 2,370 | 1,299 | 2,520 | 1,385 |
| Нержавеющая сталь | 2,340 | 1,282 | 2,520 | 1,385 |
| Аустенитная хромоникелевая сталь | 2,370 | 1,299 | 2,590 | 1,420 |
| Силикомарганцевая пружинная сталь | 2,280 | 1,249 | 2,460 | 1,350 |
См. также
[ редактировать ]- Аэрмет
- Холодная обработка
- Сталь Эглин (недорогая высокопрочная сталь дисперсионной закалки)
- Ковка
- Горячая обработка
- Стареюще-стареющая сталь (дисперсионно-упрочненные высокопрочные стали)
- Сварка (высокопрочные стали)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г «Классификация углеродистых и низколегированных сталей» . Тотальная Материя . Ключ к металлам. Ноябрь 2001 года . Проверено 29 апреля 2023 г.
- ^ Ноулз, Питер Реджинальд (1987), Проектирование стальных конструкций (2-е изд.), Тейлор и Фрэнсис, с. 1, ISBN 978-0-903384-59-9 .
- ^ «Углеродистая сталь» . Трубопроводный рынок . Проверено 21 апреля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Низкоуглеродистая сталь» . еФунда . Проверено 29 апреля 2023 г.
- ^ Элерт, Гленн, «Плотность стали» , получено 23 апреля 2009 г.
- ^ Модуль упругости, прочностные свойства металлов – железа и стали , данные получены 23 апреля 2009 г.
- ^ «Сталь 1020» . Steel-bar.com . 21 мая 2022 г.
- ^ ДеГармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 377
- ^ «Какие виды стали существуют?» . Металлические экспоненты . 18 августа 2020 г. Проверено 29 января 2021 г.
- ^ «Паспорт безопасности материала, углеродистая сталь» (PDF) . Гердау АмериСтил . Архивировано из оригинала 18 октября 2006 года.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ «Введение в углеродистую сталь | Типы, свойства, использование и применение» . МатериалыWiz . Проверено 18 августа 2022 г.
- ^ Витцметаллс
- ^ Нисимура, Наоя; Мурасе, Кацухико; Ито, Тошихиро; Ватанабэ, Такеру; Новак, Роман (2012). «Ультразвуковое обнаружение откольных повреждений, вызванных повторным низкоскоростным ударом» . Центральноевропейский инженерный журнал . 2 (4): 650–655. Бибкод : 2012CEJE....2..650N . дои : 10.2478/s13531-012-0013-5 .
- ^ «Среднеуглеродистая сталь» . еФунда . Проверено 29 апреля 2023 г.
- ^ «Высокоуглеродистая сталь» . еФунда . Проверено 29 апреля 2023 г.
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 388
- ^ Альваренга Х.Д., Ван де Путте Т., Ван Стинберг Н., Ситсма Дж., Террин Х. (октябрь 2014 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Металл Матер Транс А. 46 (1): 123–133. Бибкод : 2015MMTA...46..123A . дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 386
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 386–387.
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 373–377.
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 389–390.
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 387–388.
- ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 391
- ^ Брэди, Джордж С.; Клаузер, Генри Р.; Ваккари А., Джон (1997). Справочник материалов (14-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-007084-9 .
Библиография
[ редактировать ]
- ДеГармо, Э. Пол; Блэк, Джей Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4 .
- Оберг, Э.; и др. (1996), Справочник машинного оборудования (25-е изд.), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3 .
- Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6 .
