Углеродистая сталь

редактировать
Сталь, в которой основным промежуточным легирующим компонентом является углерод

Углеродистая сталь - это сталь с содержанием углерода от примерно 0,05% до 2,1% по весу. Определение углеродистой стали от Американского института железа и стали (AISI) гласит:

Термин углеродистая сталь также может использоваться в отношении стали, которая не является 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 области применения требуют более мелкой микроструктуры, которая улучшает ударную вязкость.

По мере увеличения процентного содержания углерода сталь может становиться тверже и прочнее в результате термообработки ; 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.

Содержание

  • 1 Тип
    • 1.1 Мягкая или низкоуглеродистая сталь
      • 1.1.1 Высокопрочная сталь
    • 1.2 Высокоуглеродистые стали
  • 2 Классификация AISI
    • 2.1 Низкоуглеродистая сталь
    • 2.2 Среднеуглеродистая сталь
    • 2.3 Высокоуглеродистая сталь
    • 2.4 Ультра-высокоуглеродистая сталь
  • 3 Термическая обработка
  • 4 Цементационная закалка
  • 5 Температура ковки стали
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Библиография

Тип

Низкоуглеродистая или низкоуглеродистая сталь

Низкоуглеродистая сталь (железо, содержащее небольшой процент углерода, прочное и прочное, но не подлежащее отпуску), также известное как углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной формой стали, поскольку ее цена относительно невысока, но при этом она обеспечивает свойства материала. которые приемлемы для многих приложений. Мягкая сталь содержит приблизительно 0,05–0,30% углерода, что делает ее ковкой и пластичной. Низкоуглеродистая сталь имеет относительно низкую прочность на разрыв, но она дешевая и ее легко формовать; Поверхностная твердость может быть увеличена за счет науглероживания.

В приложениях, где для минимизации прогиба используются большие поперечные сечения, разрушение по текучести не является риском, поэтому низкоуглеродистые стали являются лучшим выбором, например, в качестве конструкционных сталь. Плотность низкоуглеродистой стали составляет примерно 7,85 г / см (7850 кг / м или 0,284 фунта / дюйм), а модуль Юнга составляет 200 ГПа (29000 фунтов на квадратный дюйм).

Низкоуглеродистые стали отобразить биение до предела текучести, если материал имеет два предела текучести. Первый предел текучести (или верхний предел текучести) выше, чем второй, и выход резко падает после достижения верхнего предела текучести. Если низкоуглеродистая сталь подвергается напряжению только до некоторой точки между верхним и нижним пределом текучести, на поверхности образуются полосы Людера. Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и их легче деформировать в холодном состоянии, что упрощает обращение с ними.

Высокопрочная сталь

Высокопрочные стали являются низкоуглеродистыми или стали с нижним пределом среднеуглеродистого диапазона, которые содержат 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 <99.>. Примеси, такие как фосфор или сера, имеют ограниченное максимально допустимое содержание.

Высокоуглеродистые стали

Углеродистые стали, которые могут успешно подвергаться термообработке, имеют содержание углерода в диапазон 0,30–1,70% по весу. Следы примесей различных других элементов элементов могут оказывать значительное влияние на качество получаемой стали. В частности, следовые количества серы делают сталь красно-короткой, то есть хрупкой и рассыпчатой ​​при рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, такая как A36, содержит около 0,05% серы и плавится при температуре около 1426–1,538 ° C (2599–2800 ° F). Марганец часто добавляют для улучшения прокаливаемость низкоуглеродистых сталей. Эти добавки превращают материал в низколегированную сталь по некоторым определениям, но определение углеродистой стали AISI допускает до 1,65% марганца по весу.

Классификация AISI

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

Низкоуглеродистая сталь

от 0,05 до 0,25% углерода (простая углеродистая сталь).

Среднеуглеродистая сталь

Содержание углерода примерно 0,3–0,5%. Уравновешивает пластичность и прочность, обладает хорошей износостойкостью; используется для изготовления крупногабаритных деталей, поковок и автомобильных компонентов.

.

Высокоуглеродистая сталь

Содержание углерода приблизительно от 0,6 до 1,0%. Очень прочный, используется для пружин, режущих инструментов и высокопрочной проволоки.

Ультра-высокоуглеродистая сталь

Содержание углерода примерно 1,25–2,0%. Стали, которые можно улучшать до высокой твердости. Используется для специальных целей, таких как (непромышленное) ножи, оси или пробойники. Большинство сталей с содержанием углерода более 2,5% изготавливаются с использованием порошковой металлургии.

термической обработки

железо-углерод диаграмма состояния, показывающая температурные и углеродные диапазоны для определенных типов термообработки.

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 большинстве методов упрочнения стали, модуль Юнга (упругость) не изменяется. Все виды обработки стали изменяют пластичность для повышения прочности и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость углерода в фазе аустенита ; поэтому все термические обработки, за исключением 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 внутри железа, 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. Обычно при быстром охлаждении карбид железа остается мелкодисперсным и образуется мелкозернистый перлит, а при медленном охлаждении образуется более крупнозернистый перлит. Охлаждение доэвтектоидной стали (менее 0,77 мас.% C) приводит к ламеллярно-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 мелкими зернами (крупнее перлитной пластинки) 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 типов термообработки:

Сфероидизация
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, поскольку 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 обеспечить большую формуемость. Это самая мягкая и наиболее пластичная форма стали.
Полный отжиг
Углеродистая сталь нагревается примерно до 40 ° C выше Ac3 ? или Acm ? в течение 1 часа; это обеспечивает преобразование всего феррита в аустенит (хотя цементит может все еще существовать, если содержание углерода больше, чем у эвтектоида). 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 грубой перлитной структуре, что означает, что «полосы» перлита являются толстыми. Полностью отожженная сталь мягкая и пластичная, без внутренних напряжений, которые часто необходимы для рентабельной штамповки. Только сфероидизированная сталь более мягкая и пластичная.
Технологический отжиг
Процесс, используемый для снятия напряжений в холоднодеформированной углеродистой стали с содержанием менее 0,3% C. Сталь обычно нагревается до 550 ° С. –650 ° C в течение 1 часа, но иногда температура достигает 700 ° C. Изображение справа показывает область, в которой 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 устраняет 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; она имеет относительно высокую прочность и твердость.
Закалка
Углеродистая сталь с содержанием углерода не менее 0,4 мас.% нагревается до нормальных температур, а затем быстро охлаждается (закаливается) 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. Закаленная таким образом 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.
Закалка (закалка)
Закалка на самом деле не является процедурой отпуска, отсюда и термин закалка. Это форма изотермической термообработки, применяемая после начальной закалки, обычно в ванне с расплавленной солью, при температуре чуть выше «температуры начала 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.
Отпуск
Это наиболее распространенная термическая обработка, с которой сталкиваются, поскольку конечные свойства могут быть точно определены температурой и временем темперирование. 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. Фактические температуры и время тщательно выбираются для каждого состава.
Аустемперинг
Процесс аустемпинга 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. ° C, а затем охлаждали 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 закалки является то, что ее можно использовать только для некоторых сталей, и для нее требуется специальная соляная ванна.

Цементная закалка

Цементная закалка закаливает только внешнюю часть стальной детали, создавая твердую, твердую и твердую поверхность. износостойкая кожа («футляр»), но сохраняющая прочный и пластичный интерьер. Углеродистые стали не очень закаливаются, что означает, что они не могут быть закалены на всем протяжении толстого сечения. Легированные стали имеют лучшую закаливаемость, поэтому они могут подвергаться сквозной закалке и не требуют упрочнения. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, поскольку оно придает поверхности хорошие характеристики износа, но оставляет сердечник гибким и амортизирующим.

Температура ковки стали

Тип сталиМаксимальная температура ковкиТемпература горения
(° F)(° C)(° F)(° C)
1,5% углерода1920104920801140
1,1% углерода1980108221401171
0,9% углерода2050112122301221
0,5% углерода2280124924601349
0,2% углерода2410132126801471
3,0% никелевая сталь 2280124925001371
3,0%2280124925001371
5,0% никелевая (цементируемая) сталь2320127126401449
Хромованадиевая сталь 2280124924601349
Быстрорежущая сталь 2370129925201385
Нержавеющая сталь 2340128225201385
Аустенитная хромоникелевая сталь 2370129925901420
Силикомарганец пружинная сталь 2280124924601350

См. Также

Ссылки

Библиография

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с углеродистой сталью.
  • Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, 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.
  • Smith, William F.; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.
Последняя правка сделана 2021-05-14 07:14:47
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте