Углеродистая сталь

Углеродная сталь представляет собой сталь с содержанием углерода от 0,05 до 2,1 процента по весу. Определение углеродной стали из Американского института железа и стали (AISI):

• Минимальное содержание не указано или требуется для хрома , кобальта , молибдена , никеля , ниобия , титана , вольфрама , ванадия , циркония или любого другого элемента, который должен быть добавлен для получения желаемого сплавного эффекта;
• Указанный минимум для меди не превышает 0,40%;
• или указанный максимум для любого из следующих элементов не превышает отмеченных процентов: марганец 1,65%; кремний 0,60%; медь 0,60%.

Термин «углеродная сталь» также может использоваться в отношении стали, которая не является нержавеющей стали ; В этом использовании углеродистая сталь может включать в себя сплавные стали . Высокоуглеродистая сталь имеет много различных применений, таких как фрезерные машины, режущие инструменты (такие как доли ) и провода высокой прочности. Эти приложения требуют гораздо более тонкой микроструктуры, которая улучшает прочность.

По мере увеличения процента содержания углерода сталь обладает способностью становиться все труднее и сильнее благодаря тепловой обработке ; Однако это становится менее пластичным . Независимо от термообработки, более высокое содержание углерода снижает сварку . У углеродных сталей более высокое содержание углерода снижает температуру плавления.

Характеристики

Углеродная сталь часто делится на две основные категории: низкоуглеродистая сталь и высокоуглеродная сталь. Он также может содержать другие элементы, такие как марганец, фосфор, сера и кремний, которые могут влиять на его свойства. Углеродочная сталь может быть легко обработана и сварена, что делает ее универсальным для различных применений. Он также может быть тепло, чтобы улучшить свою силу, твердость и долговечность.

Углеродочная сталь подвержена ржавчине и коррозии, особенно в средах с высоким уровнем влаги и/или солью. Он может быть защищен от коррозии, покрыв его краской, лаком или другим защитным материалом. В качестве альтернативы его можно сделать из сплава из нержавеющей стали, который содержит хром, который обеспечивает превосходную коррозионную стойкость. Углеродная сталь может быть спланирована другими элементами для улучшения его свойств, таких как добавление хрома и/или никеля для повышения его сопротивления коррозии и окислению или добавления молибдена для улучшения его силы и прочности при высоких температурах.

Это экологически чистый материал, так как он легко пригодна для переработки и может быть использован повторно в различных приложениях. Это энергоэффективно для производства, поскольку он требует меньше энергии, чем другие металлы, такие как алюминий и медь.

Тип

Смотрите также: Стальные оценки SAE

Мягкая или низкоуглеродистая сталь

Мягкая сталь (железо, содержащее небольшой процент углерода, прочный и жесткий, но не легко смягченный), также известный как простая углеродная сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной формой стали, потому что ее цена относительно низкая, в то время как она обеспечивает Свойства материала, которые приемлемы для многих приложений. Мягкая сталь содержит приблизительно 0,05–0,30% углерода Сделать его податливым и пластичным. Мягкая сталь имеет относительно низкую прочность на растяжение, но она дешевая и легко сформировать. Твердость поверхности может быть увеличена с помощью карбурации .

Плотность мягкой стали составляет приблизительно 7,85 г/см ³ (7850 кг/м ³ ; 0,284 фунта/с ин -) и модуль Янга составляет 200 ГПа (29 × 10 ^ ⁶ PSI).

Низкоуглеродистые стали Отображение выпуска доходности , где материал имеет две точки урожайности . Первая точка урожайности (или верхняя точка урожайности) выше, чем второй, и выход резко падает после верхней точки урожайности. Если низкоуглеродистая сталь только подчеркнута до какой-то точки между верхней и нижней точкой урожая, то поверхность развивается полосы Людера . Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и их легче в холодной форме, что облегчает их обработку. Типичными применениями низкоуглеродистой стали являются автомобильные детали, трубы, строительство и продовольственные банки.

Высокопроизводительная сталь

Высокопротивные стали с низким уровнем углерода или стали на нижнем конце среднего углеродного диапазона, которые имеют дополнительные легирующие ингредиенты, чтобы увеличить свою прочность, износ свойства или, в частности, прочность на растяжение . Эти легирующие ингредиенты включают хром , молибден , кремний , марганец , никель и ванадий . Примеси, такие как фосфор и сера, имеют максимально допустимое допустимое содержание.

• 41xx сталь
  • 4140 сталь
  • 4145 сталь
• 4340 сталь
  • 300 -метровый сталь
• En25 Сталь -2,521% никель-хромий-молибден сталь
• EN26 Сталь

Более высокие углеродные стали

Углеродные стали, которые могут успешно подвергаться термообработке, имеют содержание углерода в диапазоне 0,30–1,70% по весу. Примеси следов различных других элементов могут значительно повлиять на качество полученной стали. Следы серы , в частности, делают стальную красную шорт , то есть хрупкий и рассыпчатый при высоких рабочих температурах. Углеродная сталь с низким сплавом, такая как класс A36 , содержит около 0,05% серы и расплавляется около 1426–1 538 ° C (2600–2800 ° F). Марганец часто добавляется для улучшения укрепления низкоуглеродистых сталей. Эти дополнения превращают материал в низкопластную сталь по некоторым определениям, но определение углеродистой стали AISI обеспечивает до 1,65% марганца по весу. Существует два типа более высоких углеродных стали, которые представляют собой высокую углеродистую сталь и сверхвысокоуглеродную сталь. Причиной ограниченного использования высокой углеродной стали является то, что она имеет чрезвычайно плохую пластичность и сварку и имеет более высокую стоимость производства. Приложения, лучше всего подходящие для высоких углеродных стали,-это использование в весенней промышленности, сельскохозяйственной промышленности и в производстве широкого спектра высокопрочных проводов.

Классификация AISI

Смотрите также: Стальные оценки SAE

Следующий метод классификации основан на американском стандарте AISI/SAE . Другие международные стандарты, включая DIN (Германия), ГБ (Китай), BS/EN (Великобритания), Афнор (Франция), UNI (Италия), SS (Швеция), UNE (Испания), JIS (Япония), стандарты ASTM и другие

Углеродистая сталь разбита на четыре класса на основе содержания углерода:

Низкоуглеродистая сталь

Низкоуглеродистая сталь имеет содержание от 0,05 до 0,15% углеродной (простого углеродистой стали).

Среднеуглибоугневая сталь

Средняя углеродная сталь имеет примерно 0,3–0,5% содержания углерода. Он уравновешивает пластичность и прочность и обладает хорошей износостойкостью. Он используется для больших деталей, ковки и автомобильных компонентов.

Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь имеет примерно от 0,6 до 1,0% содержания углерода. Он очень сильный, используется для пружин, инструментов с оборками и высокопрочных проводов.

Ультра-высокоуглеродная сталь

Ультра-высокоуглеродная сталь имеет примерно 1,25–2,0% содержания углерода. Стали, которые могут быть смягчены большой твердостью. Используется для особых целей, таких как (неиндустриальные) ножи, оси и удары . Большинство сталей с содержанием углерода более 2,5% производится с использованием металлургии порошка .

Термическая обработка

Диаграмма железной углеродной фазы , показывающая температуру и углеродные диапазоны для определенных типов термообработков

Основная статья: термообработка

Целью термообработки углеродистой стали является изменение механических свойств стали, обычно пластичность, твердость, прочность урожая или воздействие. Обратите внимание, что электрическая и теплопроводность лишь слегка изменяется. Как и в случае с большинством методов укрепления стали, модуль Янга (эластичность) не затронут. Все обработки стали торговой пластичности для повышения прочности и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость для углерода в фазе аустенита ; Поэтому все тепловые обработки, за исключением сфероидации и отжига, начните с нагрева стали до температуры, при которой может существовать аустенитная фаза. Затем сталь гашет (тепло вытягивается) с умеренной до низкой до скоростью, что позволяет углероду диффундировать из аустенита, образующего железо-карбид (цементит) и оставлять феррит, или с высокой скоростью, захватывая углерод в железе, образуя мартенсит. Полем Скорость, с которой сталь охлаждается по температуре эвтектоида (около 727 ° C или 1341 ° F), влияет на скорость, с которой углерод диффундирует из аустенита и образует цементит. Вообще говоря, охлаждение быстро оставит железный карбид тонко рассеянным и производит мелкозернистого Парлит и охлаждение медленно придадут грубому жемчужину. менее 0,77 мас. Охлаждение гипоэтэктоидной стали ( % более 0,77 мас.% это гиперэтэктоидная сталь ( Если Эвтектоидная сталь (0,77% углерода) будет иметь перлит -структуру по всему зернам без цемента на границах. Относительные количества компонентов обнаруживаются с использованием правила рычага . Ниже приведен список возможных типов тепловых обработок:

Сфероидация

Сфероидит образуется, когда углеродистая сталь нагревается примерно до 700 ° C (1300 ° F) в течение более 30 часов. Сфероит может образовываться при более низких температурах, но необходимое время, необходимое радикально увеличивается, так как это процесс, контролируемый диффузией. Результатом является структура стержней или сфер цементита в первичной структуре (феррит или перлит, в зависимости от того, на какой стороне эвтектоида вы находитесь). Цель состоит в том, чтобы смягчить более высокие углеродистые стали и обеспечить более формируемость. Это самая мягкая и самая пластичная форма стали.

Полный отжиг

Углеродистая сталь нагревается до приблизительно 400 ° C (750 ° F) в течение 1 часа; Это гарантирует, что весь феррит превращается в аустенит (хотя цементит все еще может существовать, если содержание углерода больше, чем эвтектоид). Затем сталь должна охлаждаться медленно, в сфере 20 ° C (36 ° F) в час. Обычно это просто охлаждается печью, где печь выключается, а сталь все еще находится внутри. Это приводит к грубой перлитической структуре, что означает, что «полосы» перлита являются толстыми. Полностью отожженная сталь мягкая и пластичная , без внутренних напряжений, что часто необходимо для экономически эффективного формирования. Только сфероидированная сталь более мягкая и более пластичная.

Обрабатывать отжиг

Процесс, используемый для снятия напряжения в углеродистой стали с холодной работой с менее чем 0,3% C. Сталь обычно нагревается до 550 до 650 ° C (от 1000 до 1200 ° F) в течение 1 часа, но иногда температуры до 700 ° С (1300 ° F). На изображении выше показана область отжига процесса.

Изотермический отжиг

Это процесс, в котором гипоэвтэктоидная сталь нагревается выше верхней критической температуры. Эта температура поддерживается на время, а затем снижается до более низкой критической температуры и снова поддерживается. Затем он охлаждается до комнатной температуры. Этот метод исключает любой градиент температуры.

Нормализация

Углеродная сталь нагревается до приблизительно 550 ° C (1000 ° F) в течение 1 часа; Это гарантирует, что сталь полностью трансформируется в аустенит. Сталь затем охлаждается воздушным охлаждением, который представляет собой скорость охлаждения приблизительно 38 ° C (100 ° F) в минуту. Это приводит к тонкой жемчужной структуре и более универсальной структуре. Нормализованная сталь имеет более высокую прочность, чем отожженная сталь; Он имеет относительно высокую силу и твердость.

Гашение

Углеродная сталь с по меньшей мере 0,4 мас.% C нагревается до нормализации температур, а затем быстро охлаждается (гашено) в воде, рассоле или масле до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, но по мере увеличения содержания углерода. Это приводит к мартенситной структуре; Форма стали, которая обладает сверх насыщенным содержанием углерода в деформированной, ориентированной на тело кубическую (BCC) кристаллическую структуру, правильно называемой тетрагональной (BCT), ориентированной на тело (BCT), с большим внутренним напряжением. Таким образом, утошенная сталь чрезвычайно сложна, но хрупкая , обычно слишком хрупкая для практических целей. Эти внутренние напряжения могут вызывать стрессовые трещины на поверхности. Угашенная сталь примерно в три раза выше (четыре с большим количеством углерода), чем нормализованная сталь.

Марттемперинг (маркинг)

Martempering на самом деле не является процедурой отпуска, следовательно, термин маркетей . Это форма изотермической термообработки, применяемой после начального гашения, обычно в ванне с расплавленной солью, при температуре чуть выше «температуры начала мартенсита». При этой температуре остаточные напряжения в материале облегчены, и некоторые байниты могут быть образованы из оставшегося аустенита, у которого не было времени преобразовать во что -либо еще. В промышленности это процесс, используемый для контроля пластичности и твердости материала. При более длительном шатке, пластичность увеличивается с минимальной потерей силы; Сталь удерживается в этом растворе до тех пор, пока внутренние и внешние температуры части не выравниваются. Затем сталь охлаждается с умеренной скоростью, чтобы сохранить минимальный градиент температуры. Этот процесс не только уменьшает внутренние напряжения и стрессовые трещины, но также увеличивает воздействие.

Отпуск

Это наиболее распространенная тепловая обработка, потому что конечные свойства могут быть точно определены температурой и временем отпуска. Отброшение включает в себя утомительную сталь для нагрева до температуры ниже температуры эвтектоидов , а затем охлаждение. Повышенная температура позволяет сформировать очень небольшие количества, что восстанавливает прокладность, но снижает твердость. Фактические температуры и время тщательно выбираются для каждой композиции.

Восточный отпуск

Процесс Austemper такой же, как и маркеперирование, за исключением того, что заката прерывается, а сталь удерживается в бане расплавленной соли при температуре между 205 и 540 ° C (400 и 1000 ° F), а затем охлаждается с умеренной скоростью. Полученная сталь, называемая Bainite, производит ацикулярную микроструктуру в стали, которая имеет большую прочность (но меньше, чем мартенсит), большую пластичность, более высокую ударную стойкость и меньшее искажение, чем мартенситная сталь. Недостаток Austemping заключается в том, что его можно использовать только на нескольких листах стали, и для этого требуется специальная соленая ванна.

Служба

Основная статья: затвердевание корпуса

Процессы затверждения корпуса затвердевают только внешнюю часть стальной части, создавая жесткую, устойчивую к износу кожи («корпус»), но сохраняя жесткий и пластичный интерьер. Углеродные сталики не очень утвердовываемые , что означает, что они не могут быть затвердевают на протяжении толстых участков. Сплав сплавных сталей лучше затвердеваемости, поэтому они могут быть охраняются и не требуют упрочнения корпусов. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, потому что оно дает поверхностную хорошую износ, но оставляет ядро ​​гибким и поглощающим амортизатор.

Кованая температура стали

Сталь типа	Максимальная температура ковки		Температура сжигания
	(° F)	(° C)	(° F)	(° C)
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 -хромий сталь	2,280	1,249	2,500	1,371
5,0% никеля (корпуса) сталь	2,320	1,271	2,640	1,449
Хром -ванадиевая сталь	2,280	1,249	2,460	1,349
Высокоскоростная сталь	2,370	1,299	2,520	1,385
Нержавеющая сталь	2,340	1,282	2,520	1,385
Аустенитный хром -никелевой сталь	2,370	1,299	2,590	1,420
Силико-Манганская весенняя сталь	2,280	1,249	2,460	1,350

Смотрите также

• Aermet
• Холодный работа
• Eglin Steel (недорогая осадленная высокопрочная сталь)
• Ковкость
• Горячая работа
• Мастерская сталь (осажденные осадки высокой силовой стали)
• Сварка (высокопрочные стали)

Библиография

• ДеГармо, Э. Пол; Черный, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Материалы и процессы в производстве (9 -е изд.), Wiley, ISBN  0-471-65653-4 .
• Oberg, E.; и др. (1996), Справочник машины (25 -е изд.), Industrial Press Inc, ISBN  0-8311-2599-3 .
• Смит, Уильям Ф.; Hashemi, Javad (2006), Фонды материаловедения и техники (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN  0-07-295358-6 .