Углеродистая сталь: состав, свойства и применение.

Введение

Сталь, в которой основным интерстициальным легирующим элементом является углерод.

Углеродистая сталь – это сталь с содержанием углерода от примерно 0,05 до 2,1 процента по массе. Согласно определению углеродистой стали, данному Американским институтом железа и стали (AISI):

не указано и не требуется минимального содержания хрома, кобальта, молибдена, никеля, ниобия, титана, вольфрама, ванадия, циркония или любого другого элемента, добавляемого для достижения желаемого легирующего эффекта;
указанное минимальное содержание меди не превышает 0,40%;
или указанное максимальное содержание любого из следующих элементов не превышает следующих процентов: марганца – 1,65%, кремния – 0,60%, меди – 0,60%.

Свойства

Углеродистая сталь часто подразделяется на две основные категории: низкоуглеродистая и высокоуглеродистая сталь. Она также может содержать другие элементы, такие как марганец, фосфор, сера и кремний, которые способны влиять на её свойства. Углеродистую сталь легко обрабатывать и сваривать, что делает её универсальной для широкого спектра применений. Её также можно подвергать термообработке для повышения прочности, твердости и долговечности. Углеродистая сталь подвержена ржавлению и коррозии, особенно во влажных средах и/или в присутствии солей. Для защиты от коррозии её можно покрывать краской, лаком или другими защитными материалами. Альтернативно, её можно изготавливать из нержавеющей стали, содержащей хром, который обеспечивает отличную коррозионную стойкость. Углеродистую сталь можно легировать другими элементами для улучшения её свойств, например, добавлять хром и/или никель для повышения устойчивости к коррозии и окислению, или молибден для повышения прочности и ударной вязкости при высоких температурах. Это экологически чистый материал, поскольку он легко перерабатывается и может быть повторно использован в различных областях. Его производство энергоэффективно, так как требует меньше энергии, чем производство других металлов, таких как алюминий и медь.

Сталь мягкая или низкоуглеродистая

Мягкая сталь (железо, содержащее небольшое количество углерода, прочное и вязкое, но не поддающееся закалке), также известная как обычная углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, является наиболее распространенной формой стали в настоящее время, поскольку её цена относительно невысока, а обеспечиваемые ею свойства материала приемлемы для многих областей применения. Мягкая сталь содержит примерно 0,05–0,30% углерода, что делает её ковкой и пластичной. Мягкая сталь обладает относительно невысокой прочностью на разрыв, но она дешева и легко поддается формовке. Твердость поверхности можно повысить с помощью цементации. Плотность мягкой стали составляет приблизительно, а модуль Юнга равен.

Низкоуглеродистые стали демонстрируют предел текучести с ползучестью, при котором материал имеет две точки текучести. Первая точка текучести (или верхний предел текучести) выше второй, и текучесть резко падает после достижения верхнего предела текучести. Если низкоуглеродистая сталь подвергается напряжению лишь до некоторой точки между верхним и нижним пределами текучести, на поверхности образуются полосы Людера. Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и их легче подвергать холодной деформации, что облегчает их обработку.

Сталь с высоким содержанием углерода

Углеродистые стали, успешно поддающиеся термической обработке, содержат от 0,30 до 1,70% углерода по массе. Незначительные примеси других элементов могут существенно влиять на качество стали. В частности, даже небольшое количество серы делает сталь "красноломкой", то есть хрупкой и зернистой при высоких рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, например марка A36, содержит около 0,05% серы, а марганец часто добавляют для повышения закаливаемости низкоуглеродистых сталей. Эти добавки могут классифицировать материал как низколегированную сталь согласно некоторым определениям, однако определение AISI для углеродистой стали допускает содержание марганца до 1,65% по массе. Существует два типа высокоуглеродистых сталей: высокоуглеродистая и ультравысокоуглеродистая. Ограниченное применение высокоуглеродистой стали обусловлено её крайне низкой пластичностью и свариваемостью, а также более высокой себестоимостью производства. Наиболее подходящие области применения высокоуглеродистых сталей – производство пружин, сельскохозяйственного оборудования и широкого ассортимента высокопрочной проволоки.

Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь содержит примерно от 0,6 до 1,0% углерода.

Сверхвысокоуглеродистая сталь

Ультравысокоуглеродистая сталь содержит примерно 1,25–2,0% углерода. Полный отжиг. Углеродистую сталь нагревают примерно на 1 час; это обеспечивает полный переход феррита в аустенит (хотя цементит может оставаться, если содержание углерода превышает эвтектоидное). Затем сталь медленно охлаждают, со скоростью около 20 °C (36 °F) в час. Обычно это охлаждение в печи, когда печь выключают, а сталь остается внутри. Это приводит к формированию крупнозернистой перлитной структуры, то есть полосы перлита толстые. Полностью отжженная сталь мягкая и пластичная, без внутренних напряжений, что часто необходимо для экономичной деформации. Только сфероидизированная сталь обладает большей пластичностью и меньшей твердостью. Процессный отжиг. Процесс, используемый для снятия напряжений в холоднодеформированной углеродистой стали с содержанием углерода менее 0,3% C. Сталь обычно нагревают до температуры на 1 час, но иногда до более высоких температур. Изображение выше показывает зону процессного отжига. Изотермический отжиг. Это процесс, при котором гипоэвтектоидную сталь нагревают выше верхней критической температуры. Эта температура выдерживается в течение определенного времени, затем снижается до температуры ниже нижней критической и снова выдерживается. После этого сталь охлаждают до комнатной температуры. Этот метод устраняет температурные градиенты. Нормализация. Углеродистую сталь нагревают примерно на 1 час; это обеспечивает полный переход стали в аустенит. Затем сталь охлаждают на воздухе, со скоростью около 38 °C (100 °F) в минуту. В результате формируется мелкозернистая перлитная структура и более однородная структура. Нормализованная сталь имеет более высокую прочность, чем отжженная; она обладает относительно высокой прочностью и твердостью. Закалка. Углеродистую сталь с содержанием не менее 0,4 мас.% C нагревают до температуры нормализации, а затем быстро охлаждают (закаляют) в воде, рассоле или масле до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, но, как правило, снижается с увеличением содержания углерода. В результате формируется мартенситная структура – форма стали, обладающая пересыщенным содержанием углерода в деформированной объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решетке, корректно называемой тетрагональной объёмно-центрированной (ТОЦК), с высоким внутренним напряжением. Таким образом, закаленная сталь чрезвычайно тверда, но хрупка, обычно слишком хрупка для практического применения. Эти внутренние напряжения могут вызывать трещины на поверхности. Закаленная сталь примерно в три раза тверже (в четыре раза при большем содержании углерода), чем нормализованная сталь. Мартемперирование (марквенчинг). Мартемперирование фактически не является процедурой отпуска, отсюда и термин марквенчинг. Это форма изотермической термической обработки, применяемая после первоначальной закалки, обычно в расплавленной солевой ванне, при температуре чуть выше температуры начала мартенситного превращения. При этой температуре снимаются остаточные напряжения в материале, и из задержавшегося аустенита, который не успел превратиться, может образоваться некоторое количество бейнита. В промышленности этот процесс используется для контроля пластичности и твердости материала. При более длительном марквенчинге пластичность увеличивается с минимальной потерей прочности; сталь выдерживается в этом растворе до тех пор, пока не выровняются температуры внутренней и внешней частей детали. Затем сталь охлаждают с умеренной скоростью, чтобы минимизировать температурный градиент. Этот процесс не только снижает внутренние напряжения и трещины, но и повышает ударную вязкость. Отпуск. Это наиболее распространенная термическая обработка, поскольку конечные свойства могут быть точно определены температурой и временем отпуска. Отпуск включает в себя повторный нагрев закаленной стали до температуры ниже эвтектоидной температуры, а затем охлаждение. Повышенная температура позволяет образоваться небольшому количеству сфероидита, что восстанавливает пластичность, но снижает твердость. Фактические температуры и время тщательно подбираются для каждого состава. Аустенитный отпуск. Процесс аустенитного отпуска аналогичен мартемперированию, за исключением того, что закалку прерывают, и сталь выдерживают в расплавленной солевой ванне при температуре от 0,7 до 0,8 °C, а затем охлаждают с умеренной скоростью. Полученная сталь, называемая бейнитом, имеет в своей структуре игольчатый микроструктуру, обладающую высокой прочностью (но ниже, чем у мартенсита), большей пластичностью, более высокой ударной вязкостью и меньшей деформацией, чем мартенситная сталь. Недостатком аустенитного отпуска является то, что его можно использовать только для небольшого количества листов стали, и он требует специальной солевой ванны.

Ultra high carbon steel has approximately 1.25–2.0% carbon content. Full annealing Carbon steel is heated to approximately for 1 hour; this ensures all the ferrite transforms into austenite (although cementite might still exist if the carbon content is greater than the eutectoid). The steel must then be cooled slowly, in the realm of 20 °C (36 °F) per hour. Usually it is just furnace cooled, where the furnace is turned off with the steel still inside. This results in a coarse pearlitic structure, which means the "bands" of pearlite are thick. Fully annealed steel is soft and ductile, with no internal stresses, which is often necessary for cost effective forming. Only spheroidized steel is softer and more ductile. Process annealing A process used to relieve stress in a cold worked carbon steel with less than 0.3% C. The steel is usually heated to for 1 hour, but sometimes temperatures as high as The image above shows the process annealing area. Isothermal annealing It is a process in which hypoeutectoid steel is heated above the upper critical temperature. This temperature is maintained for a time and then reduced to below the lower critical temperature and is again maintained. It is then cooled to room temperature. This method eliminates any temperature gradient. Normalizing Carbon steel is heated to approximately for 1 hour; this ensures the steel completely transforms to austenite. The steel is then air cooled, which is a cooling rate of approximately 38 °C (100 °F) per minute. This results in a fine pearlitic structure, and a more uniform structure. Normalized steel has a higher strength than annealed steel; it has a relatively high strength and hardness. Quenching Carbon steel with at least 0.4 wt% C is heated to normalizing temperatures and then rapidly cooled (quenched) in water, brine, or oil to the critical temperature. The critical temperature is dependent on the carbon content, but as a general rule is lower as the carbon content increases. This results in a martensitic structure; a form of steel that possesses a super saturated carbon content in a deformed body centered cubic (BCC) crystalline structure, properly termed body centered tetragonal (BCT), with much internal stress. Thus quenched steel is extremely hard but brittle, usually too brittle for practical purposes. These internal stresses may cause stress cracks on the surface. Quenched steel is approximately three times harder (four with more carbon) than normalized steel. Martempering (marquenching) Martempering is not actually a tempering procedure, hence the term marquenching. It is a form of isothermal heat treatment applied after an initial quench, typically in a molten salt bath, at a temperature just above the "martensite start temperature". At this temperature, residual stresses within the material are relieved and some bainite may be formed from the retained austenite which did not have time to transform into anything else. In industry, this is a process used to control the ductility and hardness of a material. With longer marquenching, the ductility increases with a minimal loss in strength; the steel is held in this solution until the inner and outer temperatures of the part equalize. Then the steel is cooled at a moderate speed to keep the temperature gradient minimal. Not only does this process reduce internal stresses and stress cracks, but it also increases impact resistance. Tempering This is the most common heat treatment encountered because the final properties can be precisely determined by the temperature and time of the tempering. Tempering involves reheating quenched steel to a temperature below the eutectoid temperature and then cooling. The elevated temperature allows very small amounts spheroidite to form, which restores ductility but reduces hardness. Actual temperatures and times are carefully chosen for each composition. Austempering The austempering process is the same as martempering, except the quench is interrupted and the steel is held in the molten salt bath at temperatures between , and then cooled at a moderate rate. The resulting steel, called bainite, produces an acicular microstructure in the steel that has great strength (but less than martensite), greater ductility, higher impact resistance, and less distortion than martensite steel. The disadvantage of austempering is it can be used only on a few sheets of steel, and it requires a special salt bath.

Укрепление корпуса

Процессы поверхностного упрочнения закаливают только внешний слой стальной детали, создавая твердую, износостойкую поверхностную оболочку ("нагар"), но сохраняя прочную и пластичную сердцевину. Углеродистые стали обладают невысокой проницаемостью закалки, что означает, что их нельзя закалить на всю толщину в крупных сечениях. Легированные стали имеют более высокую проницаемость закалки, поэтому их можно закаливать на всю толщину и поверхностное упрочнение им не требуется. Эта особенность углеродистых сталей может быть полезной, поскольку она обеспечивает поверхности хорошие характеристики износостойкости, а сердцевине – гибкость и способность поглощать удары.

Температура ковки стали

Тип стали Максимальная температура ковки Температура нагрева для ковки (°F) (°C) (°F) (°C) 1,5% углерод 1,920 1,049 2,080 1,140 1,1% углерод 1,980 1,082 2,140 1,171 0,9% углерод 2,050 1,121 2,230 1,221 0,5% углерод 2,280 1,249 2,460 1,349 0,2% углерод 2,410 1,321 2,680 1,471 3,0% никелевая сталь 2,280 1,249 2,500 1,371 3,0% никельхромная сталь 2,280 1,249 2,500 1,371 5,0% никель (для цементации) сталь 2,320 1,271 2,640 1,449 Хромванадиевая сталь 2,280 1,249 2,460 1,349 Высокоскоростная сталь 2,370 1,299 2,520 1,385 Нержавеющая сталь 2,340 1,282 2,520 1,385 Аустенитная хромникелевая сталь 2,370 1,299 2,590 1,420 Кремниймарганцевая пружинная сталь 2,280 1,249 2,460 1,350