stringtranslate.com

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь — это сталь с содержанием углерода от 0,05 до 2,1 процента по весу. Определение углеродистой стали от Американского института чугуна и стали (AISI) гласит:

Термин «углеродистая сталь» может также использоваться в отношении стали, которая не является нержавеющей сталью ; в этом случае углеродистая сталь может включать легированные стали . Высокоуглеродистая сталь имеет множество различных применений, таких как фрезерные станки, режущие инструменты (например, долота ) и высокопрочная проволока. Эти применения требуют гораздо более тонкой микроструктуры, что повышает прочность.

По мере увеличения процентного содержания углерода сталь может становиться тверже и прочнее посредством термообработки ; однако она становится менее пластичной . Независимо от термообработки, более высокое содержание углерода снижает свариваемость . В углеродистых сталях более высокое содержание углерода снижает температуру плавления. [2]

Характеристики

Углеродистая сталь часто делится на две основные категории: низкоуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь. Она также может содержать другие элементы, такие как марганец, фосфор, серу и кремний, которые могут влиять на ее свойства. Углеродистая сталь легко поддается механической обработке и сварке, что делает ее универсальной для различных применений. Ее также можно подвергать термической обработке для повышения прочности, твердости и долговечности.

Углеродистая сталь подвержена ржавчине и коррозии, особенно в средах с высоким уровнем влажности и/или соли. Ее можно защитить от коррозии, покрыв краской, лаком или другим защитным материалом. В качестве альтернативы ее можно изготовить из сплава нержавеющей стали, содержащего хром, который обеспечивает отличную коррозионную стойкость. Углеродистая сталь может быть легирована другими элементами для улучшения ее свойств, например, путем добавления хрома и/или никеля для улучшения ее стойкости к коррозии и окислению или добавления молибдена для улучшения ее прочности и вязкости при высоких температурах.

Это экологически чистый материал, так как он легко перерабатывается и может быть повторно использован в различных приложениях. Он энергоэффективен в производстве, так как требует меньше энергии, чем другие металлы, такие как алюминий и медь. [ необходима цитата ]

Тип

Мягкая или низкоуглеродистая сталь

Мягкая сталь (железо, содержащее небольшой процент углерода, прочное и жесткое, но нелегко закаленное), также известная как обычная углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной формой стали, поскольку ее цена относительно низкая, при этом она обеспечивает свойства материала, приемлемые для многих применений. Мягкая сталь содержит приблизительно 0,05–0,30% углерода [1], что делает ее ковкой и пластичной. Мягкая сталь имеет относительно низкую прочность на разрыв, но она дешева и легко формуется. Твердость поверхности можно повысить с помощью науглероживания . [3]

Плотность мягкой стали составляет приблизительно 7,85 г/см 3 (7850 кг/м 3 ; 0,284 фунта/куб. дюйм) [4] , а модуль Юнга равен 200 ГПа (29 × 10 6 фунтов на квадратный дюйм) [5]  .^

Низкоуглеродистые стали [6] демонстрируют предел текучести , когда материал имеет два предела текучести . Первый предел текучести (или верхний предел текучести) выше второго, и текучесть резко падает после верхнего предела текучести. Если низкоуглеродистая сталь нагружена только до некоторой точки между верхним и нижним пределом текучести, то на поверхности образуются полосы Людера . [7] Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и их легче подвергать холодной формовке, что упрощает их обработку. [3] Типичные области применения низкоуглеродистой стали — детали автомобилей, трубы, строительство и консервные банки. [8]

Высокопрочная сталь

Высокопрочные стали — это стали с низким содержанием углерода или стали в нижней части диапазона среднего содержания углерода, [ требуется ссылка ] которые имеют 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 . Примеси, такие как фосфор и сера, имеют ограниченное максимально допустимое содержание.

Стали с более высоким содержанием углерода

Углеродистая сталь, которая может успешно подвергаться термической обработке, имеет содержание углерода в диапазоне 0,30–1,70% по весу. Следовые примеси различных других элементов могут существенно повлиять на качество получаемой стали. Следовые количества серы , в частности, делают сталь красноломкой , то есть хрупкой и рассыпчатой ​​при высоких рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, такая как марка A36 , содержит около 0,05% серы и плавится около 1426–1538 °C (2600–2800 °F). [9] Марганец часто добавляют для улучшения закаливаемости низкоуглеродистых сталей. Эти добавки превращают материал в низколегированную сталь по некоторым определениям, но определение углеродистой стали AISI допускает до 1,65% марганца по весу. Существует два типа сталей с более высоким содержанием углерода: высокоуглеродистая сталь и сверхвысокоуглеродистая сталь. Причиной ограниченного использования высокоуглеродистой стали является ее крайне плохая пластичность и свариваемость, а также более высокая стоимость производства. Наиболее подходящие области применения для высокоуглеродистой стали — это производство пружин, сельскохозяйственная промышленность и производство широкого спектра высокопрочных проводов. [10] [11]

классификация AISI

Следующий метод классификации основан на американском стандарте AISI/SAE . Другие международные стандарты включают 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

Низкоуглеродистая сталь содержит от 0,05 до 0,15% углерода (обычная углеродистая сталь). [1]

Среднеуглеродистая сталь

Среднеуглеродистая сталь содержит около 0,3–0,5% углерода. [1] Она сочетает в себе пластичность и прочность и обладает хорошей износостойкостью. Используется для крупных деталей, ковки и автомобильных компонентов. [12] [13]

Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь содержит приблизительно от 0,6 до 1,0% углерода. [1] Она очень прочная, используется для пружин, режущих инструментов и высокопрочной проволоки. [14]

Сверхвысокоуглеродистая сталь

Сверхвысокоуглеродистая сталь содержит приблизительно 1,25–2,0% углерода. [1] Стали, которые можно закалить до большой твердости. Используются для специальных целей, таких как (непромышленные) ножи, оси и пуансоны . Большинство сталей с содержанием углерода более 2,5% производятся с использованием порошковой металлургии .

Термическая обработка

Фазовая диаграмма железо-углерод , показывающая диапазоны температур и углерода для определенных типов термообработки.

Целью термообработки углеродистой стали является изменение механических свойств стали, обычно пластичности, твердости, предела текучести или ударопрочности. Обратите внимание, что электро- и теплопроводность изменяются лишь незначительно. Как и в случае большинства методов упрочнения стали, модуль Юнга (упругость) не изменяется. Все виды обработки стали приносят пластичность в обмен на повышенную прочность и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость углерода в аустенитной фазе; поэтому все виды термообработки, за исключением сфероидизации и технологического отжига, начинаются с нагрева стали до температуры, при которой может существовать аустенитная фаза. Затем сталь закаливают (вытягивают тепло) со средней или низкой скоростью, позволяя углероду диффундировать из аустенита, образуя карбид железа (цементит) и оставляя феррит, или со скоростью высокой, удерживая 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 оставит карбид железа мелкодисперсным и даст мелкозернистый перлит , а медленное охлаждение даст более грубый перлит. Охлаждение доэвтектоидной стали (менее 0,77 мас.% C) приводит к пластинчато-перлитной структуре слоев карбида железа с α- ферритом (почти чистым железом) между ними. Если это гиперэвтектоидная сталь (более 0,77 мас.% C), то структура представляет собой полный перлит с мелкими зернами (крупнее перлитной пластины) цементита, образованного на границах зерен. Эвтектоидная сталь (0,77% углерода) будет иметь перлитную структуру по всем зернам без цементита на границах. Относительное количество компонентов находится с использованием правила рычага . Ниже приведен список возможных видов термической обработки:

Сфероидизация
Сфероидит образуется, когда углеродистая сталь нагревается примерно до 700 °C (1300 °F) в течение более 30 часов. Сфероидит может образовываться и при более низких температурах, но необходимое время резко увеличивается, так как это процесс, контролируемый диффузией. Результатом является структура стержней или сфер цементита в первичной структуре (феррит или перлит, в зависимости от того, с какой стороны 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. [15]
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 эвтектоида). Затем сталь должна охлаждаться медленно, в районе 20 °C (36 °F) в час. Обычно это просто охлаждение в печи, когда печь выключается, а сталь все еще находится внутри. Это приводит к грубой перлитной структуре, что означает, что «полосы» перлита толстые. [16] Полностью отожженная сталь мягкая и пластичная , без внутренних напряжений, что часто необходимо для экономически эффективной формовки. Только сфероидизированная сталь мягче и пластичнее. [17]
Процесс отжига
Процесс, используемый для снятия напряжения в холоднодеформированной углеродистой стали с содержанием углерода менее 0,3%. Сталь обычно нагревается до 550–650 °C (1000–1200 °F) в течение 1 часа, но иногда температура достигает 700 °C (1300 °F). На изображении выше показана область отжига процесса.
Изотермический отжиг
Это процесс, в котором доэвтектоидная сталь нагревается выше верхней критической температуры. Эта температура поддерживается некоторое время, а затем снижается до температуры ниже нижней критической температуры и снова поддерживается. Затем она охлаждается до комнатной температуры. Этот метод устраняет любой температурный градиент.
Нормализация
Углеродистая сталь нагревается примерно до 550 °C (1000 °F) в течение 1 часа; это гарантирует, что сталь полностью преобразуется в аустенит. Затем сталь охлаждается на воздухе, что составляет скорость охлаждения примерно 38 °C (100 °F) в минуту. Это приводит к образованию тонкой перлитной структуры и более однородной структуры. Нормализованная сталь имеет более высокую прочность, чем отожженная сталь; она имеет относительно высокую прочность и твердость. [18]
Закалка
Углеродистая сталь с содержанием углерода не менее 0,4 мас.% нагревается до нормализационных температур, а затем быстро охлаждается (закаливается) в воде, рассоле или масле до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, но, как правило, она ниже по мере увеличения содержания углерода. Это приводит к мартенситной структуре; форме стали, которая обладает перенасыщенным содержанием углерода в деформированной объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической структуре, правильно называемой объемно-центрированной тетрагональной (ОЦТ), с большим внутренним напряжением. Таким образом, закаленная сталь чрезвычайно тверда, но хрупка , обычно слишком хрупка для практических целей. Эти внутренние напряжения могут вызывать трещины напряжения на поверхности. Закаленная сталь примерно в три раза тверже (в четыре раза с большим содержанием углерода), чем нормализованная сталь. [19]
Мартемперинг (закалка)
Мартенситная закалка на самом деле не является процедурой отпуска, отсюда и термин « маркенчинг ». Это форма изотермической термической обработки, применяемая после первоначальной закалки, как правило, в ванне с расплавленной солью, при температуре чуть выше «стартовой температуры мартенсита». При этой температуре снимаются остаточные напряжения внутри материала, и из остаточного аустенита, который не успел трансформироваться во что-либо еще, может образоваться некоторое количество бейнита. В промышленности это процесс, используемый для контроля пластичности и твердости материала. При более длительной марсенчинговой закалке пластичность увеличивается с минимальной потерей прочности; сталь выдерживается в этом растворе до тех пор, пока внутренняя и внешняя температуры детали не выровняются. Затем сталь охлаждается с умеренной скоростью, чтобы поддерживать минимальный градиент температуры. Этот процесс не только снижает внутренние напряжения и трещины напряжения, но и повышает ударопрочность. [20]
Закалка
Это наиболее распространенная термообработка, поскольку конечные свойства можно точно определить по температуре и времени отпуска. Отпуск включает повторный нагрев закаленной стали до температуры ниже эвтектоидной и последующее охлаждение. Повышенная температура позволяет образовывать очень небольшое количество сфероидита, что восстанавливает пластичность, но снижает твердость. Фактические температуры и время тщательно выбираются для каждого состава. [21]
Аустемперирование
Процесс аустенизации такой же, как и мартенситная закалка, за исключением того, что закалка прерывается, и сталь выдерживается в ванне с расплавленной солью при температуре от 205 до 540 °C (от 400 до 1000 °F), а затем охлаждается с умеренной скоростью. Полученная сталь, называемая бейнитом, создает игольчатую микроструктуру в стали, которая имеет большую прочность (но меньшую, чем мартенсит), большую пластичность, более высокую ударопрочность и меньшую деформацию, чем мартенситная сталь. Недостатком аустенизации является то, что ее можно использовать только на нескольких листах стали, и для нее требуется специальная соляная ванна. [22]

Закалка

Процессы поверхностной закалки закаляют только внешнюю часть стальной детали, создавая твердую, износостойкую оболочку («корпус»), но сохраняя прочную и пластичную внутреннюю часть. Углеродистая сталь не очень закаливаема , то есть ее нельзя закалить на всю толщину. Легированная сталь имеет лучшую прокаливаемость, поэтому ее можно закаливать насквозь, и она не требует поверхностной закалки. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, поскольку оно придает поверхности хорошие износостойкие характеристики, но оставляет сердцевину гибкой и амортизирующей.

Температура ковки стали

[23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefg "Классификация углеродистых и низколегированных сталей". Total Materia . Ключ к металлам. Ноябрь 2001 г. Получено 29 апреля 2023 г.
  2. ^ Ноулз, Питер Реджинальд (1987), Проектирование стальных конструкций (2-е изд.), Тейлор и Фрэнсис, стр. 1, ISBN 978-0-903384-59-9.
  3. ^ ab "Низкоуглеродистая сталь". eFunda . Получено 29 апреля 2023 г.
  4. ↑ Elert, Glenn, Density of Steel , получено 23 апреля 2009 г..
  5. ^ Модуль упругости, прочностные свойства металлов – железо и сталь , получено 23 апреля 2009 г..
  6. ^ "1020 Steel". steel-bar.com . 21 мая 2022 г. Архивировано из оригинала 1 мая 2023 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  7. ^ ДеГармо, Блэк и Кошер 2003, стр. 377
  8. ^ «Каковы различные типы стали?». Metal Exponents . 18 августа 2020 г. Получено 29 января 2021 г.
  9. ^ "MSDS, углеродистая сталь" (PDF) . Gerdau AmeriSteel. Архивировано из оригинала 18 октября 2006 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  10. ^ "Введение в углеродистую сталь | Типы, свойства, использование и применение". MaterialsWiz . Получено 18 августа 2022 г. .
  11. ^ Вицметалс
  12. ^ Нисимура, Наоя; Мурасе, Кацухико; Ито, Тосихиро; Ватанабэ, Такеру; Новак, Роман (2012). «Ультразвуковое обнаружение откольных повреждений, вызванных низкоскоростным повторяющимся ударом». Центрально-европейский инженерный журнал . 2 (4): 650–655. Bibcode : 2012CEJE....2..650N. doi : 10.2478/s13531-012-0013-5 .Значок открытого доступа
  13. ^ "Среднеуглеродистая сталь". eFunda . Получено 29 апреля 2023 г.
  14. ^ "Высокоуглеродистая сталь". eFunda . Получено 29 апреля 2023 г.
  15. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 388
  16. ^ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (октябрь 2014 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбида на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Metall Mater Trans A. 46 ( 1): 123–133. Bibcode : 2015MMTA...46..123A. doi : 10.1007/s11661-014-2600-y. S2CID  136871961.
  17. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 386
  18. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 386–387
  19. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 373–377.
  20. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 389–390.
  21. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 387–388.
  22. ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 391
  23. ^ Брэди, Джордж С.; Клаузер, Генри Р.; Ваккари А., Джон (1997). Справочник по материалам (14-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 0-07-007084-9.

Библиография

На Викискладе есть медиафайлы по теме Углеродистая сталь .