Легированная сталь

Легированная сталь — это сталь , которую легируют различными элементами в количествах от 1,0% до 50% по весу, обычно для улучшения ее механических свойств .

Типы

Легированные стали делят на две группы: низколегированные и высоколегированные. Граница между ними является спорной. Смит и Хашеми определяют разницу в 4,0%. ^{[ 1 ]} в то время как Дегармо и др. , определим его на уровне 8,0%. ^{[ 2 ]} Большинство легированных сталей являются низколегированными.

Простейшие стали — это железо (Fe), легированное (0,1–1%) углеродом (C) и ничем другим (за исключением небольших примесей); они называются углеродистыми сталями . Однако к легированной стали относятся стали с дополнительными (металлическими) легирующими элементами. Обычные сплавы включают марганец (Mn) (наиболее распространенный), никель (Ni), хром (Cr), молибден (Mo), ванадий (V), кремний (Si) и бор (B). Менее распространенные сплавы включают алюминий (Al), кобальт (Co), медь (Cu), церий (Ce), ниобий (Nb), титан (Ti), вольфрам (W), олово (Sn), цинк (Zn), свинец. (Pb) и цирконий (Zr).

Характеристики

Легированные стали по-разному улучшают прочность , твердость , ударную вязкость , износостойкость , коррозионную стойкость , прокаливаемость и твердость в горячем состоянии . Для достижения этих улучшенных свойств металлу может потребоваться специальная термообработка в сочетании со строгими протоколами охлаждения.

Хотя легированные стали производились на протяжении веков, их металлургия не была хорошо изучена до тех пор, пока развивающаяся химическая наука девятнадцатого века не раскрыла их состав. Легированные стали прежних времен были дорогими предметами роскоши, изготавливаемыми по «секретным рецептам» и перекованными в такие инструменты, как ножи и мечи. Легированные стали машиностроительного века были разработаны как улучшенные инструментальные стали и как новые нержавеющие стали . Легированные стали используются во многих сферах: от ручных инструментов и столовых приборов до лопаток турбин реактивных двигателей и ядерных реакторов.

свойств железа Из-за ферромагнитных некоторые сплавы находят важные применения там, где очень важна их реакция на магнетизм, в том числе в электродвигателях и трансформаторах.

Низколегированные стали

**Основные низколегированные стали** ^{[ 3 ]}
SAE Обозначение	Состав
13хх	Мн 1,75%
40хх	Mo 0,20% или 0,25% или 0,25% Mo и 0,042% S
41хх	Cr 0,50% или 0,80% или 0,95%, Mo 0,12% или 0,20% или 0,25% или 0,30%
43хх	Ni 1,82%, Cr от 0,50% до 0,80%, I 0,25%
44хх	Мо 0,40% или 0,52%
46хх	В 0,85% или 1,82% я 0,20% или 0,25%
47хх	Ni 1,05%, Cr 0,45%, Mo 0,20% или 0,35%
48хх	Ni 3,50%, Мо 0,25%
50хх	Cr 0,27% или 0,40% или 0,50% или 0,65%
50ххх	Cr 0,50%, C 1,00% мин.
50Bxx	Cr 0,28% или 0,50% и добавлен бор.
51хх	Cr 0,80% или 0,87% или 0,92% или 1,00% или 1,05%
51ххх	Cr 1,02%, C 1,00% мин.
51Bxx	Cr 0,80% и добавлен бор.
52ххх	Cr 1,45%, C 1,00% мин.
61хх	Cr 0,60% или 0,80% или 0,95%, V 0,10% или 0,15% мин.
86хх	Ni 0,55%, Cr 0,50%, I 0,20%
87хх	Ni 0,55%, Cr 0,50%, I 0,25%
88хх	Ni 0,55%, Cr 0,50%, I 0,35%
92хх	Si 1,40% или 2,00%, Mn 0,65% или 0,82% или 0,85%, Cr 0,00% или 0,65%
94Bxx	0,45% Ni, 0,40% Cr, 0,12% Mo и добавлен бор.
ЭС-1	Ni 5%, Cr 2%, Si 1,25%, W 1%, Mn 0,85%, Mo 0,55%, Cu 0,5%, Cr 0,40%, C 0,2%, V 0,1%

Материаловедение

Легирующие элементы добавляются для достижения в результате определенных свойств. Легирующие элементы могут влиять на несколько свойств: гибкость, прочность, формуемость и прокаливаемость. ^{[ 4 ]} Как правило, легирующие элементы добавляются в более низких процентных количествах (менее 5%) для повышения прочности или прокаливаемости или в более высоких процентных количествах (более 5%) для достижения таких свойств, как коррозионная стойкость или устойчивость к экстремальным температурам. ^{[ 2 ]}

Марганец, кремний или алюминий добавляются во время производства стали для удаления растворенного кислорода , серы и фосфора .
Марганец, кремний, никель и медь добавляются для повышения прочности за счет образования твердых растворов в феррите.
Хром, ванадий, молибден и вольфрам повышают прочность за счет образования карбидов второй фазы .
Никель и медь в небольших количествах улучшают коррозионную стойкость. Молибден помогает противостоять охрупчиванию.
Цирконий, церий и кальций повышают ударную вязкость, контролируя форму включений.
Сера (в виде сульфида марганца ), свинец, висмут, селен и теллур повышают обрабатываемость. ^{[ 5 ]}

Легирующие элементы имеют тенденцию образовывать либо твердые растворы, либо соединения, либо карбиды.

Никель растворим в феррите; поэтому он образует соединения, обычно Ni ₃ Al.
Алюминий растворяется в феррите и образует соединения Al ₂ O ₃ и AlN. Кремний также растворим и обычно образует соединение SiO ₂ •M _x O _y .
Марганец преимущественно растворяется в феррите, образуя соединения MnS, MnO•SiO ₂ , но образует и карбиды: (Fe,Mn) ₃ C.
ферритной и карбидной фазами, образуя (Fe, ₎ C _Cr7C3 перегородки между _{Хром образует в стали} и _Cr23C6 , _. Cr3 Тип карбида, который образует хром, зависит от количества присутствующих углерода и других легирующих элементов.
Вольфрам и молибден образуют карбиды при достаточном количестве углерода и отсутствии более сильных карбидообразующих элементов (т.е. титана и ниобия ), они образуют карбиды W ₂ C и Mo ₂ C соответственно.
Ванадий, титан и ниобий являются сильными карбидообразующими элементами, образуя карбид ванадия , карбид титана и карбид ниобия соответственно. ^{[ 6 ]}

Легирующие элементы также оказывают влияние на эвтектоидную температуру стали.

Марганец и никель понижают температуру эвтектоида и известны как элементы, стабилизирующие аустенит. При достаточном количестве этих элементов аустенитную структуру можно получить при комнатной температуре.
Карбидообразующие элементы повышают температуру эвтектоида; эти элементы известны как ферритовые стабилизирующие элементы. ^{[ 7 ]}

Основные эффекты основных легирующих элементов на сталь ^{[ 8 ]}
Элемент	Процент	Основная функция
Алюминий	0.95–1.30	Легирующий элемент при азотировании сталей.
Висмут	—	Улучшает обрабатываемость
Бор	0.001–0.003	( Бористая сталь ) Мощный агент прокаливаемости.
Хром	0.5–2	Увеличивает прокаливаемость
Хром	4–18	Повышает коррозионную стойкость
Медь	0.1–0.4	Коррозионная стойкость
Вести	—	Улучшенная обрабатываемость
Марганец	0.25–0.40	Комбинируется с серой и фосфором для уменьшения хрупкости. Также помогает удалить излишек кислорода.
Марганец	>1	Повышает прокаливаемость за счет снижения точек трансформации и замедления трансформаций.
Молибден	0.2–5	Стабильные карбиды ; подавляет рост зерна. Повышает прочность стали, что делает молибден очень ценным сплавом для изготовления режущих частей станков , а также турбин лопаток турбореактивных двигателей . Также используется в ракетных двигателях .
Никель	2–5	ужесточение
Никель	12–20	Повышает коррозионную стойкость
Ниобий	—	Стабилизирует микроструктуру
Кремний	0.2–0.7	Увеличивает силу
	2.0	Пружинные стали
	Более высокие проценты	Улучшает магнитные свойства
сера	0.08–0.15	Свойства свободной обработки
Титан	—	Фиксирует углерод в инертных частицах; снижает мартенситную твердость хромистых сталей
вольфрам	—	Также увеличивает температуру плавления.
Ванадий	0.15	Стабильные карбиды; увеличивает прочность при сохранении пластичности; способствует мелкозернистой структуре. Повышает прочность при высоких температурах

Микроструктура

Свойства стали зависят от ее микроструктуры: расположения различных фаз , одних более твёрдых, других более пластичных . На атомном уровне четыре фазы автомобильной стали включают мартенсит (самый твердый, но самый хрупкий), бейнит (менее твердый), феррит (более пластичный) и аустенит (наиболее пластичный). Фазы организуются металлургами путем манипулирования интервалами (иногда всего в секундах) и температурами процесса нагрева и охлаждения. ^{[ 9 ]}

Пластичность, вызванная трансформацией

TRIP-стали при деформации превращаются из относительно пластичных в относительно твердые при деформации, например, при автомобильной аварии. Такая деформация преобразует аустенитную микроструктуру в мартенситную микроструктуру. В стали TRIP используется относительно высокое содержание углерода для создания аустенитной микроструктуры. Относительно высокое содержание кремния/алюминия подавляет осаждение карбидов в области бейнита и помогает ускорить образование феррита/бейнита. Это помогает удерживать углерод для поддержания аустенита при комнатной температуре. Специальный процесс охлаждения снижает аустенитно-мартенситное превращение во время формовки. TRIP-стали обычно требуют изотермической выдержки при промежуточной температуре во время охлаждения, в результате чего образуется некоторое количество бейнита. Дополнительные требования к кремнию/углероду требуют модификации сварочного цикла, например, использования пульсирующей сварки или сварки с разбавлением. ^{[ 10 ]}

При одном подходе сталь нагревают до высокой температуры, несколько охлаждают, некоторое время выдерживают в стабильном состоянии, а затем закаливают. При этом образуются островки аустенита, окруженные матрицей из более мягкого феррита с областями более твердого бейнита и мартенсита. Полученный продукт может поглощать энергию без разрушения, что делает его полезным для автомобильных деталей, таких как бамперы и стойки. Доступны три поколения современной высокопрочной стали. Первый был создан в 1990-х годах, увеличив прочность и пластичность. Во втором поколении использовались новые сплавы для дальнейшего повышения пластичности, но они были дорогими и сложными в производстве. Третье поколение начинает приниматься на вооружение. Усовершенствованные схемы нагрева и охлаждения увеличивают прочность, но при этом снижают пластичность (по сравнению со 2-м поколением). Утверждается, что эти стали почти в десять раз прочнее более ранних сталей; и гораздо дешевле в производстве. ^{[ 10 ]}

См. также

Ссылки

^ Смит и Хашеми 2001 , с. 393.
^ Перейти обратно: ^а ^б Дегармо, Блэк и Кохсер 2007 , с. 112.
^ Смит и Хашеми 2001 , с. 394.
^ «Какие виды стали существуют? | Блог производителей металла» . Металлические экспоненты . 18 августа 2020 г. Проверено 29 января 2021 г.
^ Дегармо, Блэк и Кохсер 2007 , стр. 113.
^ Смит и Хашеми 2001 , стр. 394–395.
^ Смит и Хашеми 2001 , стр. 395–396.
^ Дегармо, Блэк и Кохсер 2007 , стр. 144.
^ Джонсон-младший, Джон (5 августа 2024 г.). «Новые формы стали для более прочных и легких автомобилей» . Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-080524-1 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Хики, Кейт (23 июня 2021 г.). «Пластичность, вызванная трансформацией (TRIP)» . Рекомендации AHSS . Проверено 21 августа 2024 г.

Библиография

Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей Т.; Кохсер, Рональд А. (2007), Материалы и процессы в производстве (10-е изд.), Wiley, ISBN 978-0-470-05512-0 .
Грувер, Микелл П. (26 февраля 2009 г.). ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА: Материалы, процессы и системы . Джон Уайли и сыновья, Inc.
Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2001), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, стр. 394, ISBN 0-07-295358-6

[FOOTNOTESmithHashemi2001393-1] Смит и Хашеми 2001 , с. 393.

[FOOTNOTEDegarmoBlackKohser2007112-2] Перейти обратно: ^а ^б Дегармо, Блэк и Кохсер 2007 , с. 112.

[FOOTNOTESmithHashemi2001394-3] Смит и Хашеми 2001 , с. 394.

[4] «Какие виды стали существуют? | Блог производителей металла» . Металлические экспоненты . 18 августа 2020 г. Проверено 29 января 2021 г.

[FOOTNOTEDegarmoBlackKohser2007113-5] Дегармо, Блэк и Кохсер 2007 , стр. 113.

[FOOTNOTESmithHashemi2001394–395-6] Смит и Хашеми 2001 , стр. 394–395.

[FOOTNOTESmithHashemi2001395–396-7] Смит и Хашеми 2001 , стр. 395–396.

[FOOTNOTEDegarmoBlackKohser2007144-8] Дегармо, Блэк и Кохсер 2007 , стр. 144.

[9] Джонсон-младший, Джон (5 августа 2024 г.). «Новые формы стали для более прочных и легких автомобилей» . Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-080524-1 .

[:0-10] Перейти обратно: ^а ^б Хики, Кейт (23 июня 2021 г.). «Пластичность, вызванная трансформацией (TRIP)» . Рекомендации AHSS . Проверено 21 августа 2024 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]