Блог около Свойства углеродистой стали Использование и термическая обработка объяснены

От скелетов небоскребов до двигателей автомобилей и острых лезвиев на кухнях многие предметы нашей повседневной жизни имеют общее происхождение: углеродистая сталь.Этот, казалось бы, обычный металл оказывает глубокое влияние на современное общество благодаря своим разнообразным свойствам и широким применениям.Но сколько мы действительно знаем о углеродной стали, ее разновидностях, характеристиках, применениях и о том, как выбрать подходящий тип для конкретных потребностей?В этой статье рассказывается о захватывающем мире углеродной стали.

Понимание углеродной стали

Углеродистая сталь, также известная как нелегированная сталь, относится к стали, содержащей от 0,05% до 2,1% углерода по весу.и машиностроенияВ отличие от легированной стали, углеродистая сталь состоит в основном из железа и углерода, с строго ограниченным количеством других элементов.Американский институт железа и стали (AISI) определяет углеродистую сталь со специфическими требованиями к составу:

• Не допускается преднамеренное добавление хрома, кобальта, молибдена, никеля, ниобия, титана, вольфрама, ванадия или циркония для целей сплавов
• Содержание меди не более 0,40%
• Содержание марганца, кремния и меди ограничено 1,65%, 0,60% и 0,60% соответственно

Парадокс содержания углерода: баланс между твердостью, прочностью и свариваемостью

Содержание углерода служит основным определяющим фактором механических свойств углеродной стали.Так же как и твердость и прочность материала, характеристики которых могут быть дополнительно улучшены с помощью тепловой обработкиОднако это увеличение происходит за счет уменьшения пластичности и свариваемости.

Содержание углерода также влияет на температуру плавления стали. Как правило, более высокая концентрация углерода приводит к более низкой температуре плавления, что является важным фактором в процессах сварки и тепловой обработки.

Классификация углеродистой стали

Углеродные стали обычно классифицируются на основе их содержания углерода для различных применений:

Сталь с низким содержанием углерода (мягкая сталь)

С содержанием углерода от 0,05% до 0,30%, низкоуглеродистая сталь является наиболее широко используемым типом стали из-за ее доступности и отличной формальности.его прочность остается относительно низкойОбщие применения включают автомобильные компоненты, трубопроводы, строительные конструкции и контейнеры для пищи.

Сталь из высокопрочной низколегированной стали (HSLA):Этот вариант включает небольшое количество сплавных элементов (хром, молибден, кремний, марганец, никель или ванадий) в низкоуглеродистую сталь для повышения прочности, износостойкости,и прочность при сохранении строгого контроля над примесями, такими как фосфор и сераПримечательными примерами являются стали серии 41xx (4140, 4145), 4340, 300M, EN25 и EN26.

Средняя углеродистая сталь

С содержанием углерода в диапазоне от 0,3% до 0,6%, средняя углеродистая сталь обеспечивает баланс между пластичностью и прочностью, обеспечивая при этом хорошую износостойкость.ковки, и автомобильных компонентов.

Сталь с высоким содержанием углерода

С содержанием углерода от 0,6% до 1,0%, высокоуглеродистая сталь обеспечивает исключительную прочность, но ограниченную пластичность и свариваемость.

Ультравысокоуглеродистая сталь

С содержанием углерода от 1,25% до 2,0%, ультравысокоуглеродистая сталь может достичь экстремальной твердости путем тушения.Следует отметить, что стали, более 20,5% углерода обычно требуют методов производства порошковой металлургии.

Стандарт EN 10020: Классификация нелегированной стали

Европейский стандарт EN 10020 разделяет нелегированные стали на две категории:

Нелегированные качественные стали

Эти распространенные конструктивные стали обладают гарантированными свойствами с относительно широкими диапазонами допустимости.

Специальные нелегированные стали

Эти стали, отличающиеся более высокой чистотой и точным контролем химического состава, предназначены для применения, требующего постоянного,специфические свойства, часто достигаемые с помощью тепловой обработки, такой как охлаждение и закаливаниеПримеры включают стали для компонентов машин или механических механизмов.

Преимущества и ограничения углеродной стали

Информированный выбор материала требует глубокого понимания характеристик углеродной стали:

Преимущества

• Высокая прочность и твердость:Тепловая обработка может значительно улучшить эти свойства, что делает углеродистую сталь подходящей для применения с высокой нагрузкой и высоким износом
• Отличная обработка и свариваемость:Эти характеристики делают углеродистую сталь идеальной для различных производственных процессов
• Экономическая эффективность:По сравнению с такими металлами, как алюминий и медь, углеродистая сталь предлагает экономичные затраты на производство
• ПерерабатываемостьВ качестве экологически чистого материала углеродистую сталь можно легко перерабатывать и повторно использовать

Ограничения

• Подверженность коррозии:Углеродистая сталь легко ржавеет в влажной или соленой среде, что требует защитных мер, таких как покраска, покрытие или нержавеющий сплав
• Ограниченная пластичность:По сравнению с другими металлами углеродистая сталь обладает меньшей пластичностью, что потенциально ограничивает некоторые применения
• Ограниченная отвердимость:Углеродистая сталь не может быть равномерно отверждена на всех толстых сечениях, что ограничивает ее использование в приложениях, требующих как высокой поверхности твердости, так и прочности

Приложения углеродистой стали

Универсальность и экономические преимущества углеродной стали обеспечивают широкое использование в различных отраслях промышленности:

• Строительство:Мосты, здания и инфраструктура
• Производство:Автомобильные, аэрокосмические, машинные и инструментальные
• Энергетический сектор:Трубопроводы, резервуары для хранения и оборудование электростанций
• Транспорт:Компоненты железнодорожных, морских и грузовых автомобилей
• Потребительские товары:холодильники, стиральные машины и печи

Тепловая обработка: улучшение свойств углеродной стали

Тепловая обработка служит мощным методом модификации механических свойств углеродной стали, резко улучшая прочность, твердость, пластичность и устойчивость к ударам.тепловая обработка минимально влияет на электрическую и теплопроводностьКак и большинство методов укрепления стали, тепловая обработка обычно обменивает пластичность на прочность и наоборот, оставляя модуль Янга (эластичность) неизменным.

Стандартные методы тепловой обработки включают:

1. Нагрев:Подъем стали до аустенитной фазы для растворения углерода в железе
2. Увлажнение:Поддержание температуры для гомогенизации микроструктуры
3. Охлаждение:Применение контролируемых скоростей охлаждения для достижения желаемых свойств

Общие методы тепловой обработки углеродной стали:

Сфероидизация

Нагрев примерно до 700 °C в течение более чем 30 часов для получения сферических карбидов, повышающих пластичность и прочность, особенно полезен для высокоуглеродных сталей, нуждающихся в улучшенной формальности.

Полное отжигание

Нагрев гипоутектоидной стали на 30-50°С выше верхней критической температуры или гипеутектоидной стали выше температуры преобразования.Затем происходит медленное охлаждение для получения грубого перлита, что устраняет внутренние нагрузки при одновременном улучшении пластичности и прочности..

Процесс отжига

Нагрев холоднообработанной углеродной стали до 550-650 °C (1000-1200 °F) для снятия внутренних напряжений, подходящий для сталей с содержанием углерода менее 0,3%.

Изотермическое отжигание

Нагрев гипоутектоидной стали выше верхней критической температуры, быстрое охлаждение до нижней критической температуры, затем удержание до окончательного охлаждения, исключение температурных градиентов.

Нормализация

Нагрев до аустенитной фазы, за которой следует охлаждение воздухом, улучшает структуру зерна при одновременном улучшении прочности и однородности.

Сжигание

Быстрое охлаждение (с использованием воды, расщелина или масла) стали, содержащей по меньшей мере 0.4% углерода от нормализующей температуры до температуры ниже критической, производя мартенцит для повышения чрезвычайной твердости за счет прочности..

Мартемерирование/маркуширование

Сжатие до температуры старта чуть выше мартенсита, ожидание выравнивания температуры, затем контролируемое охлаждение, снижение напряжения и риска трещин при одновременном улучшении прочности при ударе.

Остепление

Перегрев охлажденной стали ниже температуры преобразования для уменьшения твердости при одновременном повышении пластичности и прочности, что позволяет точно контролировать свойства через изменение температуры и времени.

Остемперация

Сжигание до bainite диапазона преобразования (205-540 °C), за которым следует контролируемое охлаждение, производит высокопрочную, высокопроницаемую bainitic сталь с отличной устойчивостью к ударам,Хотя применяется к ограниченным сортам стали, требующим специальных соляных ванн.

Закаливание

Упрощение только поверхности для создания износостойких оболочек при сохранении прочности ядра, особенно подходящее для ограниченной закаленности углеродной стали.Сплавленные стали позволяют прокаливание из-за превосходной закаливаемости.

Складка температурных указаний

Температура ковки оказывает значительное влияние на качество и свойства углеродной стали.

Будущие направления: инновации и устойчивость

Технологический прогресс продолжает расширять применение углеродной стали.снижение расхода топлива и выбросовОдновременно инициативы по переработке повышают устойчивость углеродной стали.

Благодаря всестороннему пониманию разновидностей, свойств, применений и методов обработки углеродной стали, промышленность может оптимизировать выбор материалов для удовлетворения меняющихся технологических требований.