Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Фазы
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа

Углеродистая сталь - это сталь с содержанием углерода от 0,05% до 3,8% по весу. Определение углеродистой стали Американского института чугуна и стали (AISI) гласит:

Термин углеродистая сталь может также использоваться в отношении стали, не являющейся нержавеющей сталью ; в этом случае углеродистая сталь может включать легированные стали . Высокоуглеродистая сталь находит множество различных применений, таких как фрезерные станки, режущие инструменты (например, долота) и высокопрочная проволока. Эти применения требуют более мелкой микроструктуры, что улучшает ударную вязкость.

По мере увеличения процентного содержания углерода сталь становится тверже и прочнее в результате термической обработки ; 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]

Тип [ редактировать ]

См. Также: Марки стали SAE

Мягкая или низкоуглеродистая сталь [ править ]

Низкоуглеродистая сталь (железо, содержащее небольшой процент углерода, прочное и вязкое, но не подлежащее отпуску), также известная как углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной формой стали, поскольку ее цена относительно невысока, хотя она обеспечивает свойства материала, приемлемые для многих приложений. Мягкая сталь содержит примерно 0,05–0,30% углерода [1], что делает ее ковкой и пластичной. Низкоуглеродистая сталь имеет относительно низкую прочность на разрыв, но она дешевая и ее легко формовать; твердость поверхности можно повысить за счет науглероживания . [3]

В приложениях, где для минимизации прогиба используются большие поперечные сечения, отказ от текучести не представляет риска, поэтому лучше всего подходят низкоуглеродистые стали, например, в качестве конструкционной стали . Плотность низкоуглеродистой стали составляет примерно 7,85 г / см 3 (7850 кг / м 3 или 0,284 фунта / дюйм 3 ) [4], а модуль Юнга составляет 200 ГПа (29 000 фунтов на квадратный дюйм). [5]

Низкоуглеродистые стали демонстрируют предел текучести, когда материал имеет два предела текучести . Первый предел текучести (или верхний предел текучести) выше, чем второй, и урожайность резко падает после достижения верхнего предела текучести. Если низкоуглеродистая сталь подвергается напряжению только до некоторой точки между верхним и нижним пределом текучести, на поверхности появляются полосы Людера . [6] Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и их легче деформировать в холодном состоянии, что упрощает обращение с ними. [7] Обычно низкоуглеродистая сталь применяется в автомобильных деталях, трубах, строительстве и пищевых банках. [8]

Высокопрочная сталь [ править ]

Высокопрочные стали - это низкоуглеродистые стали или стали нижнего предела среднеуглеродистого диапазона [ необходима цитата ], которые содержат дополнительные легирующие ингредиенты для повышения их прочности, износостойкости или, в частности, предела прочности на растяжение . Эти легирующие ингредиенты включают хром , молибден , кремний , марганец , никель и ванадий . Максимально допустимое содержание примесей, таких как фосфор или сера , ограничено.

  • 41xx сталь
    • 4140 сталь
    • 4145 сталь
  • 4340 сталь
    • Сталь 300М
  • Сталь EN25 - никель-хром-молибденовая сталь 2,521%
  • Сталь EN26

Высокоуглеродистые стали [ править ]

Углеродистые стали, которые могут успешно подвергаться термообработке, имеют содержание углерода в диапазоне 0,30–1,70% по весу. Следы примесей различных других элементов могут существенно повлиять на качество получаемой стали. В частности, следы серы делают сталь короткокрасной , то есть хрупкой и рассыпчатой ​​при рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, такая как марка A36 , содержит около 0,05% серы и плавится при температуре около 1426–1 538 ° C (2599–2 800 ° F). [9] Марганец часто добавляют для улучшения закаливаемости низкоуглеродистых сталей. Эти добавки превращают материал в низколегированную сталь по некоторым определениям, но AISIОпределение углеродистой стали допускает содержание марганца до 1,65% по весу.

Классификация AISI [ править ]

См. Также: Марки стали SAE

Углеродистая сталь делится на четыре класса в зависимости от содержания углерода: [1]

Низкоуглеродистая сталь [ править ]

Содержание углерода от 0,05 до 0,25% (обычная углеродистая сталь). [1]

Среднеуглеродистая сталь [ править ]

Примерно 0,3–0,5% углерода. [1] Уравновешивает пластичность и прочность, обладает хорошей износостойкостью; используется для изготовления крупногабаритных деталей, поковок и автомобильных компонентов. [10] [11]


Высокоуглеродистая сталь [ править ]

Примерно от 0,6 до 1,0% углерода. [1] Очень прочный, используется для пружин, режущих инструментов и высокопрочной проволоки. [12]

Ультра-высокоуглеродистая сталь [ править ]

Примерно 1,25–2,0% содержания углерода. [1] Стали, которые можно улучшать до высокой твердости. Используется для специальных целей, таких как (непромышленные) ножи, оси или пробойники . Большинство сталей с содержанием углерода более 2,5% производится методом порошковой металлургии .

Термическая обработка [ править ]

Фазовая диаграмма железо-углерод , показывающая диапазоны температуры и углерода для определенных типов термообработки.
Основная статья: Термическая обработка

Целью термической обработки углеродистой стали является изменение механических свойств стали, обычно пластичности, твердости, предела текучести или ударопрочности. Обратите внимание, что электрическая и теплопроводность изменяются незначительно. Как и в случае с большинством методов упрочнения стали, модуль Юнга (эластичность) не изменяется. Все виды обработки стали изменяют пластичность для повышения прочности и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость углерода в аустените.фаза; поэтому все термические обработки, кроме сфероидизации и технологического отжига, начинаются с нагрева стали до температуры, при которой может существовать аустенитная фаза. Затем сталь закаливают (отвод тепла) со средней или низкой скоростью, позволяя углероду диффундировать из аустенита, образуя карбид железа (цементит) и оставляя феррит, или с высокой скоростью, захватывая углерод в железе, образуя мартенсит. . Скорость, с которой сталь охлаждается до температуры эвтектоида (около 727 ° C), влияет на скорость, с которой углерод диффундирует из аустенита и образует цементит. Вообще говоря, быстрое охлаждение оставляет карбид железа мелкодисперсным и дает мелкозернистый перлит.а при медленном охлаждении образуется более крупнозернистый перлит. Охлаждение доэвтектоидной стали (менее 0,77 мас.% C) приводит к пластинчато-перлитной структуре слоев карбида железа с α- ферритом (почти чистое железо) между ними. Если это заэвтектоидная сталь (более 0,77 мас.% С), то структура представляет собой сплошной перлит с небольшими зернами (больше, чем перлитная пластинка) цементита, образованными на границах зерен. Эвтектоидная сталь (0,77% углерода) будет иметь перлитную структуру по всем зернам без цементита по границам. Относительные количества компонентов находятся с помощью правила рычага . Ниже приводится список возможных видов термообработки:

Сфероидизирующий
Сфероидит образуется, когда углеродистая сталь нагревается примерно до 700 ° C в течение более 30 часов. Сфероидит может образовываться при более низких температурах, но необходимое время резко увеличивается, так как это процесс, контролируемый диффузией. В результате получается структура из 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 улучшить формуемость. Это самая мягкая и пластичная сталь. [13]
Полный отжиг
Углеродистая сталь нагревается примерно до 40 ° C выше Ac3 ? или Акм ? за 1 час; это гарантирует, что весь феррит превращается в аустенит (хотя цементит все еще может существовать, если содержание углерода больше, чем в эвтектоиде). Затем сталь необходимо охладить медленно, примерно до 20 ° C (36 ° F) в час. Обычно это просто охлаждение печи, при этом печь выключают со сталью внутри. Это приводит к крупнозернистой перлитной структуре, что означает большую толщину «полос» перлита . [14] Полностью отожженная сталь мягкая и пластичная., без внутренних напряжений, что часто необходимо для рентабельной формовки. Только сфероидизированная сталь мягче и пластичнее. [15]
Процесс отжига
Процесс, используемый для снятия напряжений в холоднодеформированной углеродистой стали с содержанием менее 0,3% C. Сталь обычно нагревается до 550–650 ° C в течение 1 часа, но иногда до температуры до 700 ° C. Изображение справа [ требуется пояснение ] показывает область, где происходит технологический отжиг.
Изотермический отжиг
Это процесс, при котором доэвтектоидная сталь нагревается выше верхней критической температуры. Эта температура поддерживается в течение некоторого времени, а затем снижается до уровня ниже нижней критической температуры и снова поддерживается. Затем его охлаждают до комнатной температуры. Этот метод исключает любой температурный градиент.
Нормализация
Углеродистая сталь нагревается примерно до 55 ° C выше Ac3 или Acm в течение 1 часа; это обеспечивает полное превращение стали в аустенит. Затем сталь охлаждают на воздухе со скоростью 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 обладает относительно высокой прочностью и твердостью. [16]
Тушение
Углеродистую сталь с содержанием углерода не менее 0,4 мас.% Нагревают до нормальных температур, а затем быстро охлаждают (закаливают) в воде, рассоле или масле до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, но, как правило, ниже по мере увеличения содержания углерода. Это приводит к мартенситной структуре; форма стали, которая обладает сверхнасыщенным содержанием углерода в деформированной объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической структуре, правильно называемой объемно-центрированной тетрагональной (BCT), с большим внутренним напряжением. Таким образом, закаленная сталь чрезвычайно твердая, но хрупкая , обычно слишком хрупкая 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. [17]
Martempering (закалка)
Закалка на самом деле не является процедурой закалки, отсюда и термин закалка.. Это форма изотермической термообработки, применяемая после начальной 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 может образоваться некоторый бейнит, который не успел превратиться во что-либо еще. В промышленности это процесс, используемый для контроля пластичности и твердости материала. При более длительной закалке пластичность увеличивается с минимальной потерей прочности; сталь выдерживают в этом растворе до тех пор, пока внутренняя и внешняя температуры детали не сравняются. Затем сталь охлаждают с умеренной скоростью, чтобы температурный градиент оставался минимальным. Этот процесс не только снижает внутренние напряжения и трещины под напряжением, но также увеличивает ударопрочность.[18]
Темперирование
Это наиболее часто встречающаяся термическая обработка, поскольку конечные свойства могут быть точно определены температурой и временем отпуска. Закалка включает повторный нагрев закаленной стали до температуры ниже температуры эвтектоида с последующим охлаждением. Повышенная температура позволяет образовывать очень небольшое количество сфероидита, который восстанавливает пластичность, но снижает твердость. Фактическая температура и время тщательно подбираются для каждого состава. [19]
Аустемперирование
Процесс закалки такой же, как и закалка, за исключением того, что закалка прерывается, и сталь выдерживается в ванне с расплавом соли при температуре от 205 ° C до 540 ° C, а затем охлаждается с умеренной скоростью. Получающаяся в результате сталь, называемая бейнитом, создает игольчатую микроструктуру в стали, которая имеет большую прочность (но меньшую, чем у мартенсита), большую пластичность, более высокую ударопрочность и меньшую деформацию, чем мартенситная сталь. Недостатком аустемпинга является то, что его можно использовать только для нескольких сталей, и для этого требуется специальная соляная ванна. [20]

Упрочнение [ править ]

Основная статья: Поверхностное упрочнение

Процессы поверхностного упрочнения упрочняют только внешнюю часть стальной детали, создавая твердую износостойкую оболочку («корпус»), но сохраняя жесткую и пластичную внутреннюю часть. Углеродистые стали не очень упрочняемый означает , что они не могут быть закалены в течение толстых секций. Легированные стали обладают лучшей способностью к закалке, поэтому они могут подвергаться сквозной закалке и не требуют упрочнения. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, поскольку оно придает поверхности хорошие характеристики износостойкости, но оставляет сердечник гибким и амортизирующим.

Температура ковки стали [ править ]

[21]

Тип сталиМаксимальная температура ковкиТемпература горения
(° F)(° C)(° F)(° C)
1,5% углерода1920 г.10492080 г.1140
1,1% углерода1980 г.108221401171
0,9% углерода2050 г.112122301221
0,5% углерода2280124924601349
0,2% углерода2410132126801471
3,0% никелевая сталь2280124925001371
3,0% никель-хромистая сталь2280124925001371
5,0% никелевая (цементированная) сталь2320127126401449
Хромованадиевая сталь2280124924601349
Быстрорежущей стали2370129925201385
Нержавеющая сталь2340128225201385
Аустенитная хромоникелевая сталь2370129925901420
Силикомарганцевая пружинная сталь2280124924601350

См. Также [ править ]

  • Холодная обработка
  • Горячая работа
  • Сварка
  • Ковка
  • Aermet (Высокопрочные стали.)
  • Мартенситностареющая сталь ( высокопрочные стали с дисперсионным упрочнением).
  • Сталь Eglin (дешевая высокопрочная сталь с дисперсионным упрочнением.)

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g «Классификация углеродистых и низколегированных сталей»
  2. ^ Ноулз, Питер Реджинальд (1987), Проектирование стальных конструкций (2-е изд.), Тейлор и Фрэнсис, стр. 1, ISBN 978-0-903384-59-9.
  3. ^ Страница "Инженерные основы" по низкоуглеродистой стали
  4. ^ Elert, Гленн, плотность стали , получены 23 апреля 2009.
  5. ^ Модуль упругости, прочностные свойства металлов - железо и сталь , извлечено 23 апреля 2009 г..
  6. ^ ДеГармо, стр. 377.
  7. ^ «Малоуглеродистые стали» . эфунда . Проверено 25 мая 2012 года .
  8. ^ «Какие бывают типы стали? | Блог о представителях металла» . Металлические экспоненты . 18 августа 2020 . Проверено 29 января 2021 года .
  9. ^ Ameristeel статья на углеродистую сталь архивной 18 октября 2006 в Wayback Machine
  10. ↑ Нисимура, Наоя; Мурасе, Кацухико; Ито, Тошихиро; Ватанабэ, Такеру; Новак, Роман (2012). «Ультразвуковое обнаружение откольных повреждений при низкоскоростном многократном ударе» . Центральноевропейский инженерный журнал . 2 (4): 650–655. Bibcode : 2012CEJE .... 2..650N . DOI : 10,2478 / s13531-012-0013-5 .
  11. ^ Страница "Инженерные основы" по среднеуглеродистой стали
  12. ^ Страница "Инженерные основы" высокоуглеродистой стали
  13. ^ Смит, стр. 388
  14. ^ Альваренг HD, Ван де Путта Т, Ван Steenberge N, Sietsma Дж, Terryn Н (октябрь 2014). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания C-Mn сталей». Metall Mater Trans . 46 : 123–133. Bibcode : 2015MMTA ... 46..123A . DOI : 10.1007 / s11661-014-2600-у .
  15. ^ Смит, стр. 386
  16. ^ Смит, стр. 386-387
  17. ^ Смит, стр. 373-377
  18. ^ Смит, стр. 389-390
  19. Перейти ↑ Smith, pp. 387–388
  20. ^ Смит, стр. 391
  21. ^ Брэди, Джордж S .; Clauser, Henry R .; Ваккари А., Джон (1997). Справочник по материалам (14-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-007084-9.

Библиография [ править ]

  • Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  • Oberg, E .; и другие. (1996), Справочник по машинному оборудованию (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.