Углеродистая сталь - Carbon steel


Из Википедии, свободной энциклопедии

Углеродистая сталь представляет собой сталь с углеродом содержания до 2,1% по весу. Определение углеродистой стали из Американского института чугуна и стали (AISI) гласит:

Сталь считается углеродистой стали, когда:

Термин «углеродистая сталь» , также может быть использован по отношению к стали , которая не из нержавеющей стали ; При таком использовании углеродистой стали может включать в себя легированные стали .

По мере того как процентное содержание углерода возрастает, сталь имеет возможность стать сильнее и сильнее через тепловую обработку ; однако, она становится менее пластичным . Независимо от термической обработки, более высокое содержание углерода уменьшает свариваемость . В углеродистых сталях, тем выше содержание углерода снижает температуру плавления.

Тип

Мягкий или низкоуглеродистая сталь

Мягкая сталь (железо , содержащее небольшой процент углерода, сильного и жесткого , но не всегда отпущенный), также известный как обычные-углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной форма стали , поскольку его цена является относительно низкой в то время как он обеспечивает свойства материала , которые являются приемлемыми для многих приложений. Мягкая сталь содержит приблизительно 0,05-0,25% углерода , что делает его податливым и пластичным. Мягкая сталь имеет относительно низкую прочность на разрыв, но это дешево и легко сформировать; поверхностная твердость может быть увеличена за счет цементации .

В приложениях , где большие поперечные сечения используются , чтобы минимизировать отклонение, отказ от доходности не является риском , так низкоуглеродистых сталей являются лучшим выбором, например , в качестве конструкционных сталей . Плотность мягкой стали составляет приблизительно 7,85 г / см 3 (7850 кг / м 3 или 0,284 фунт / дюйм 3 ) , а модуль Юнга составляет 200 ГПа (29000 кг на квадратный дюйм).

Низкоуглеродистые стали страдают от урожайности точки биения , где материал имеет две точки текучести . Первый предел текучести (или верхний предел текучести) выше , чем вторая , и выход резко падает после верхнего предела текучести. Если низкоуглеродистая сталь только подчеркнуть , в какое - то точке между верхним и нижним пределом текучести , то поверхность развивает Luder полосу . Низкоуглеродистых сталей содержат меньше углерода , чем другие стали и легче холодной форме, что делает их более удобными в обращении.

Высокопрочная сталь

Высокопрочные стали с низким содержанием углерода, или стали на нижнем конце диапазона среднего углерода, которые имеют дополнительные легирующие ингредиенты для того , чтобы увеличить их прочность, износостойкость или специфически предел прочности на разрыв . Эти легирующие компоненты включают хром , молибден , кремний , марганец , никель и ванадий . Примеси , такие как фосфор или сера имеют их максимальное допустимое содержание ограничено.

Высшие углеродистые стали

Углеродистые стали , которые могут успешно пройти тепловую обработку , имеет содержание углерода в диапазоне 0.30-1.70% по весу. Следовые примеси различных других элементов могут иметь существенное влияние на качество полученной стали. Следовое количества серы , в частности , делают стали красно-короткими , то есть, хрупким и рассыпчатым при рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, такие как А36 класса, содержит около 0,05% серы и плавится около 1,426-1,538 ° C (2,599-2,800 ° F). Марганец часто добавляют для улучшения прокаливаемости низкоуглеродистых сталей. Эти добавки превратить материал в стали низколегированной некоторыми определениями, но AISI определение «ы из углеродистой стали позволяет до 1,65% марганца по массе.

AISI Классификация

Углеродистая сталь разбита на четыре класса в зависимости от содержания углерода:

Низкоуглеродистая сталь

От 0,05 до 0,30% углерода (обычная углеродистая сталь) содержание ..

Средне-углеродистая сталь

Приблизительно 0,3-0,6% Содержание углерода. Балансы пластичность и прочность и обладает хорошей стойкостью к износу; используется для больших деталей, ковка и автомобильных компонентов.

Высокая углеродистая сталь

Приблизительно от 0,60 до 1,00% Содержание углерода. Очень сильный, используется для пружин, обрезных инструментов и высокопрочных проволок.

Ультра-высокоуглеродистой стали

Приблизительно 1.25-2.0% Содержание углерода. Стал , которые могут быть закаленным с высокой твердостью. Используется для специальных целей , таких как (непромышленное назначения) ножей, осей или ударов . Большинство сталей с более 2,5% содержанием углерода сделаны с использованием порошковой металлургии .

Термическая обработка

Железоуглеродистая фазовая диаграмма , показывающая температура и углерод диапазоны для определенных видов термообработки.

Целью термической обработки углеродистой стали заключается в изменении механических свойств стали, как правило , пластичность, твердость, предел текучести, или стойкость к ударным нагрузкам. Обратите внимание , что электро- и теплопроводность лишь слегка изменены. Как и в большинстве методов усиление для стали, модуль Юнга (эластичность) не изменяется. Все методы лечения стали торговой пластичностью для увеличения прочности и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость углерода в аустенитной фазе; поэтому все тепловые обработки, за исключением сфероидизации и процесс отжига, сначала нагрев стали до температуры , при которой может существовать аустенитная фаза. Сталь затем гасят (тепло вытягивается) при умеренной до низкой скорости позволяя углерода диффундировать из аустенита образуя железо-карбид (цементита) и оставляя феррит, или с высокой скоростью, улавливания углерода в пределах , таким образом , железо образуя мартенсит , Скорость , при которой сталь охлаждается через эвтектоидную температуру (около 727 ° C) влияет на скорость , при которой углерод диффундирует из аустенита и образует цементит. Вообще говоря, охлаждение быстро оставят карбид железа мелкодисперсными и производят мелкозернистый перлит и медленное охлаждение даст крупнозернистый перлит. Охлаждение в доэвтектоидном стали (менее чем 0,77% мас С) приводит к пластинчатой-перлитной структуре слоев карбида железа с альфа- ферритом (почти чистое железо) между ними. Если это гиперэвтектоидная сталь (более чем 0,77% мас C) , то структура полон перлит с малыми зернами (более крупными , чем перлитная пластина) из цементита , сформированного на границах зерен. Эвтектоидной стали (0,77% углерода) будет иметь структуру перлита по всему зерен, без цементита на границах. Относительные количества составных частей можно найти с помощью правила рычага . Ниже приведен список типов термообработок возможных:

  • Сфероидизация : Spheroidite формы , когда углеродистая сталь нагревают до приблизительно 700 ° С в течение более 30 часов. Spheroidite может образовываться при более низких температурах , но время , необходимое резко возрастает, так как это процесс контролируется диффузия. В результате структура стержней или сфер цементита в первичной структуре (феррита или перлита, в зависимости от какой стороне эвтектоидной вы находитесь). Цель состоит в том, чтобы смягчить более высокие углеродистые стали и позволяет более формуемость. Это мягкая и податливая форма стали. Смежно изображение показывает , где обычно происходит сфероидизация.
  • Полный отжиг : углеродистая сталь нагревают до приблизительно 40 ° С выше Ас3 ? или Acm ? в течение 1 часа; это обеспечивает весь феррит превращается в аустенит (хотя цементит может еще существоватьесли содержание углерода большечем эвтектоидный). Сталь должна быть затем медленно охлаждают, в области 20 ° C (36 ° F) в час. Обычно это просто печь охлаждают, где печь выключена со сталью еще внутри. Это приводит к грубой перлитной структуре, что означает«полоса» из перлита толщины. Полностью отожженная сталь является мягкой и пластичным , без внутренних напряжений, которые часто необходимо для экономически эффективного формирования. Только сфероидизированный стали мягче и более пластичным.
  • Процесс отжига : Процесс , используемый для снятия стресса в нагартованном углеродистой стали с менее чем 0,3% С. стали, как правило , нагревают до 550-650 ° С в течение 1 часа, но иногда температура выше , чем 700 ° С. Изображение показывает вправо область , где происходит процесс отжига.
  • Изотермический отжиг : Это процесс , в котором доэвтектоидная сталь нагревают до температуры выше верхней критической температуры. Эту температуру поддерживают в течение времени , а затем восстанавливают до температуры ниже нижней критической температуры и снова поддерживается. Затем охлаждают до комнатной температуры. Этот метод исключает любой температурный градиент.
  • Нормализация : углеродистая сталь нагревают до приблизительно 55 ° С выше AC3 или Acm в течение 1 часа; это гарантирует , что стали полностью превращается в аустенит. Сталь затем с воздушным охлаждением, который представляет собой скорость охлаждения приблизительно 38 ° C (100 ° F) в минуту. Это приводит к тонкой перлитной структурой, и более неоднородной структуры. Нормализованная сталь имеет более высокую прочность , чем отожженная сталь; он имеет относительно высокую прочность и твердость.
  • Тушение : углеродистой стали с по меньшей мере 0,4%весу С, нагревают до нормализации температурыа затем быстро охлаждают (гас) в воде, насыщенным раствором соли, или масла до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, нокак правило, нижемере увеличения содержания углерода. Это приводит к мартенситной структуре; форма сталикоторая обладает супер-насыщенного содержания углерода в деформированном объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической структуры, правильно называть объемно-центрированной тетрагональной (BCT), с большим внутренним напряжением. Таким образомзакаленная сталь чрезвычайно трудноно хрупкая ,правилослишком хрупкая для практических целей. Эти внутренние напряжения могут вызвать появление трещин на поверхности. Закалка стали составляет приблизительно 3:57 (с большим количеством углерода) раза сильнеечем нормализованной стали.
  • Улучшение (Marquenching) : Улучшение в действительности не является процедура отпуска, отсюда термин «marquenching». Это форма изотермической термообработки применяется после первоначального резкого охлаждения,правилов ванну с расплавленной солью, при температуре чуть выше «температуры начала мартенситного». При этой температуре, остаточные напряжения в материале освобождаются и некоторые бейнита могут быть сформированы из остаточного аустенитакоторый не имел временичтобы преобразовать во чтонибудь еще. В промышленности, это процессиспользуемый для управления пластичностью и твердостью материала. При более длительном marquenching, пластичность возрастает с минимальной потерей прочности; сталь удерживается в этом растворе до тех порвнутренняя и внешняя температура части не выравниванию. Затем сталь охлаждают с умеренной скоростьючтобы поддерживать температурный градиент минимальным. Малочто этот процесс уменьшения внутренних напряжений и напряжений трещин, но также увеличивает ударную прочность.
  • Закалка : Это наиболее распространенный термообработку встречается, потому что конечные свойства могут быть точно определены температуры и времени отпуска. Закалка включает повторный нагрев закаленной стали до температуры ниже эвтектоидной температурызатем охлаждение. При повышенной температуре дает очень небольшое количество spheroidite с образованием, который восстанавливает пластичность, но уменьшает твердость. Фактические температуры и времена были тщательно подобраны для каждой композиции.
  • Бейнит : Процесс Закалкабейнит такое жекак Улучшение,исключением резкого охлаждения прерывается и сталь удерживается в расплавленной солевой ванне при температуре от 205 ° С до 540 ° С, а затем охлаждали при умеренной скорости. В результатесталь, называется бейнят, производит игольчатую микроструктуру в сталкоторая имеет большую прочность (но меньшечем мартенсит), большую пластичность, более высокую ударную прочность, и меньше искаженийчем мартенситная сталь. Недостаток бейнит он может быть использован только на несколько сталей, и это требует специальной соли ванны.

Дело упрочнение

Дело процессов закаливаний затвердевают только снаружи стальной детали, создавая твердый, износостойкие кожи ( «случай») , но сохраняя при этом жесткий и пластичный интерьер. Углеродистые стали не очень упрочняемый означает , что они не могут быть закалены в течение толстых секций. Легированные стали лучше прокаливаемость, поэтому они могут быть закалка и не требуют цементации. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, так как он дает хорошие поверхностные характеристики износа , но оставляет ядро жесткого.

Ковка температуры стала

Сталь Тип Максимальная температура ковки (° F / ° C) Жжение температура (° F / ° C)
1,5% углерода 1920/1049 2080/1140
1,1% углерода 1980/1082 2140/1171
0,9% углерода 2050/1121 2230/1221
0,5% углерода 2280/1249 2460/1349
0,2% углерода 2410/1321 2680/1471
3,0% никелевой стали 2280/1249 2500/1371
3,0% стали никель-хром 2280/1249 2500/1371
5,0% никеля (цементация) стали 2320/1271 2640/1449
Хром-ванадиевая сталь 2280/1249 2460/1349
Быстрорежущей стали 2370/1299 2520/1385
Нержавеющая сталь 2340/1282 2520/1385
Аустенитная хромоникелевая сталь 2370/1299 2590/1420
пружинная сталь силикомарганца 2280/1249 2460/1350

Смотрите также

Рекомендации

Список используемой литературы

  • ДеГармо, E. Paul; Черный, J Т .; Kohser, Ronald A. (2003), материалы и процессы в Производстве (девятая ред.), Wiley, ISBN  0-471-65653-4 .
  • Оберг, Е .; и другие. (1996), Справочник по Machinery (25 - е изд.), Industrial Press Inc, ISBN  0-8311-2599-3 .
  • Смит, Уильям F .; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4 - е изд.), McGraw-Hill, ISBN  0-07-295358-6 .