A против B – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам, планировщики производства и профессионалы в области промышленности часто сталкиваются с решением о выборе между двумя часто указываемыми сталями — которые здесь называются классом A и классом B. Типичные контексты принятия решений включают балансировку прочности и износостойкости с вязкостью и пластичностью, компромисс между стоимостью и легкостью обработки по сравнению с эксплуатационными характеристиками, а также соответствие возможностей термообработки требованиям дизайна.
Основная отличительная характеристика между этими двумя классами заключается в их стратегии легирования углеродом и в результате влияния на ударную вязкость: один класс оптимизирован для более низкого содержания углерода и более высокой вязкости по толщине и свариваемости, в то время как другой акцентирует внимание на более высокой прочности за счет увеличенного содержания углерода или микроаллоирования в ущерб вязкости в состоянии прокатки, если не подвергнут соответствующей термообработке. Эти контрастные подходы делают класс A и класс B частыми альтернативами в конструкционных, давлениеудерживающих и инструментальных приложениях.
1. Стандарты и обозначения
Общие стандарты и системы обозначений, под которыми появляются эти типы классов, включают:
- ASTM / ASME: например, многие углеродные и низколегированные стали, конструкционные стали и стали для сосудов под давлением охватываются под обозначениями серии ASTM A и эквивалентами ASME.
- EN (Европейские): EN 10025 (конструкционные), EN 10113–10130 (холоднокатаные), EN 10250+ (прутки) и т.д.
- JIS (Японские промышленные стандарты): распространены для стальных плит и прутков в Азии.
- GB (Китайский национальный стандарт): широко используется в спецификациях китайской цепочки поставок.
Типичная классификация по типу: - Класс A — обычно представлен углеродными или низколегированными сталями (мягкая сталь, конструкционные стали или низкоуглеродные нормализованные классы). - Класс B — обычно представлен сталями средней/высокой углеродности, микроаллоированными сталями или легированными сталями (предназначенными для более высокой прочности, износостойкости или закаливаемости).
2. Химический состав и стратегия легирования
Оба класса принимают разные философии легирования: класс A предпочитает более низкое содержание углерода и минимальные добавки для закаливаемости, чтобы сохранить пластичность и свариваемость; класс B увеличивает содержание углерода или использует микроаллоирование и легирующие элементы для повышения прочности и закаливаемости.
| Элемент | Класс A (типичная стратегия) | Класс B (типичная стратегия) | Примечания |
|---|---|---|---|
| C (Углерод) | Относительно низкий; приоритет на пластичность и свариваемость | Выше или контролируемо выше; используется для увеличения прочности и потенциала твердости | Углерод сильно влияет на прочность, твердость и закаливаемость |
| Mn (Марганец) | Умеренный; поддерживает прочность и декарбонизацию | Умеренный до повышенного; улучшает закаливаемость и прочность на растяжение | Mn способствует прочности, но увеличивает CE, если его слишком много |
| Si (Кремний) | Низкий–умеренный; декарбонизация и контроль упругости | Низкий–умеренный; аналогичные роли, иногда поддерживается низким для сварки | Si влияет на окисление и некоторое упрочнение |
| P (Фосфор) | Жесткий контроль; только остаточный | Жесткий контроль, но иногда немного выше в некоторых высокопрочных классах | P может хрупчить границы зерен, если его слишком много |
| S (Сера) | Содержится на низком уровне; улучшает обрабатываемость при намеренном увеличении | Содержится на низком уровне, если не свободнообрабатываемый класс | S улучшает обрабатываемость, но может снижать вязкость |
| Cr (Хром) | Обычно низкий или отсутствует | Присутствует в легированных сталях; улучшает закаливаемость и коррозионную/износостойкость | Cr увеличивает закаливаемость и термостойкость |
| Ni (Никель) | Низкий или отсутствует | Может присутствовать для улучшения вязкости при низкой температуре | Ni является эффективным легирующим элементом для вязкости |
| Mo (Молибден) | Обычно отсутствует | Используется для увеличения закаливаемости и сопротивления отпуску | Mo повышает закаливаемость и сохраняет свойства при температуре |
| V (Ванадий) | Следы в микроаллоированных низколегированных вариантах | Используется в микроаллоированных сталях для упрочнения осаждением | V образует карбиды/нитриды для упрочнения с мелким зерном |
| Nb (Ниобий) | Редок в обычных углеродных вариантах | Присутствует в микроаллоированных классах для улучшения зерна и увеличения прочности | Nb эффективен при низких концентрациях |
| Ti (Титан) | Следы для стабилизации в некоторых классах | Используется аналогично для связывания N и улучшения зерна | Ti контролирует азот и может улучшать формуемость |
| B (Бор) | Не типично | Небольшие добавки используются для повышения закаливаемости в низких количествах | B мощный; требует жесткого контроля |
| N (Азот) | Контролируемые низкие уровни | Контролируемый; взаимодействует с микроаллоирующими элементами | N может образовывать нитриды; влияет на вязкость и упрочнение осаждением |
Как легирование влияет на свойства: - Увеличение углерода и элементов закаливаемости повышает достижимую прочность и износостойкость, но, как правило, снижает ударную вязкость в состоянии прокатки и легкость сварки. - Микроаллоирование (Nb, V, Ti) позволяет достичь более высокой прочности с более мелкой микроструктурой, пытаясь сохранить вязкость, но они усложняют термические циклы и могут увеличить восприимчивость к хрупкости, если не обработаны должным образом.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры и реакции различаются из-за состава и обработки:
Класс A: - В состоянии прокатки или нормализации: преимущественно феррит с перлитными островками в низкоуглеродных вариантах; грубый перлит минимален. - Реакция на термообработку: нормализация дает очищенный феррит-перлит с хорошей вязкостью; закалка редка, если легирующие добавки отсутствуют. - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут увеличить предел текучести, сохраняя пластичность.
Класс B: - В состоянии прокатки или нормализации: может содержать бейнит, закаленный мартенсит или более твердые перлитные структуры в зависимости от углерода и легирования. - Реакция на термообработку: реагирует на циклы закалки и отпуска для достижения высокой прочности с закаленным мартенситом; индукционная закалка и поверхностная закалка обычно используются для износостойкости поверхности. - Термомеханическая обработка: TMCP в сочетании с микроаллоированием производит микроструктуры с мелким зерном бейнитного или смешанного типа, которые балансируют вязкость и прочность, но требуют точного термического контроля.
Эффекты обработки: - Нормализация, как правило, улучшает однородность и вязкость для обоих классов, но особенно полезна для класса A для разработки предсказуемой пластичной микроструктуры. - Закалка и отпуск — основной путь для класса B, когда требуется высокая прочность и высокая твердость; отпуск должен быть оптимизирован для восстановления вязкости. - Термомеханическая обработка может обеспечить высокую прочность с приемлемой вязкостью в микроаллоированных сталях класса B, но чувствительна к процессу.
4. Механические свойства
Представление сравнительного механического поведения качественно (диапазоны зависят от процесса и легирования).
| Свойство | Класс A | Класс B | Замечания |
|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Умеренная — предназначена для конструкционной пластичности | Выше — спроектирована для повышенной прочности на растяжение и предела текучести | Класс B достигает более высокой прочности на растяжение за счет углерода/легирования или термообработки |
| Предел текучести | Умеренный | Выше | Микроаллоирование или термообработка повышают предел текучести в классе B |
| Удлинение | Более высокая пластичность | Низкая пластичность (если не закаленный или обработанный для вязкости) | Более высокий углерод снижает пластичность при равной прочности |
| Ударная вязкость | Как правило, выше, особенно при низкой температуре | Ниже в состоянии прокатки; может быть улучшена за счет отпуска/легирования | Вязкость зависит от микроструктуры и контроля примесей |
| Твердость | Ниже | Выше (после закалки) | Твердость коррелирует с содержанием углерода и закаливанием |
Интерпретация: - Класс A является более безопасным выбором, когда приоритетами являются пластичность, ударная стойкость и обработка. - Класс B предпочтителен, когда требуется высокая статическая прочность, поверхностная твердость или износостойкость, при условии, что применяется соответствующая термообработка или дизайн легирования для удовлетворения требований к вязкости.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, содержания легирующих элементов и толщины. Два часто используемых эмпирических оценочных значения:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
и
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Класс A: Более низкое содержание углерода и легирующих элементов, как правило, дают низкие значения углеродного эквивалента и, следовательно, хорошую свариваемость с меньшими требованиями к предварительному/последующему нагреву. Это снижает риск холодного растрескивания, вызванного водородом, и упрощает обработку. - Класс B: Более высокое содержание углерода и легирующих элементов для закаливания увеличивает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, что указывает на то, что часто требуются более высокие температуры предварительного нагрева и контролируемые межпроходные температуры, чтобы избежать закалки и растрескивания сварки. Микроаллоирующие элементы, которые очищают зерно, могут помочь вязкости, но не всегда снижают риск растрескивания сварки.
Практические рекомендации: - Для класса B следуйте квалифицированным сварочным процедурам (PQR/WPS), контролируйте водород, используйте соответствующий предварительный нагрев/межпроходной нагрев и выбирайте подходящие filler metals для управления вязкостью HAZ и остаточными напряжениями. - Рассмотрите возможность термообработки после сварки (PWHT), если это требуется кодами для сосудов под давлением или для восстановления вязкости.
6. Коррозия и защита поверхности
Не нержавеющие варианты: - Ни класс A, ни класс B не являются по своей природе нержавеющими, если не указано; защита от коррозии достигается за счет покрытий (горячее цинкование, электроцинкование), органических покрытий (краски, порошковые покрытия) или барьерных обработок (фосфатирование, конверсионные покрытия).
Нержавеющие или коррозионно-стойкие варианты: - Если класс B представляет собой легированную сталь с значительным содержанием Cr или других коррозионно-стойких элементов, применяются индексы коррозии, такие как PREN:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN имеет смысл только для химии нержавеющих классов; он не применим к простым углеродным сталям без защитного хрома.
Рекомендации по выбору: - Используйте оцинкованный или окрашенный класс A для общего структурного воздействия. - Для работы в агрессивных средах (хлоридные среды, повышенные температуры) выбирайте коррозионно-стойкий сплав или нержавеющий класс; оценивайте PREN, где критична нержавеющая производительность.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость и изгиб: класс A, с более низким содержанием углерода и более пластичной микроструктурой, легче формуется и изгибается без растрескивания. Класс B требует тщательных окон процесса и может потребовать отжига или контролируемого отпуска перед формованием.
- Обрабатываемость: более углеродный класс B может быть труднее обрабатывать, но может предложить лучшее разрушение стружки для определенных операций; обрабатываемость сильно зависит от термообработки и содержания серы.
- Обработка поверхности: класс A обычно легче принимает покрытия; класс B может потребовать предварительной обработки или регулировки твердости поверхности для операций отделки (шлифовка, полировка).
8. Типичные применения
| Класс A — типичные применения | Класс B — типичные применения |
|---|---|
| Конструкционные балки, общая обработка, сварные рамы, трубопроводы низкого давления, кузовные панели автомобилей, холоднокатаные секции | Высокопрочные компоненты, валы, шестерни, износостойкие пластины, закаленные и отпущенные конструктивные элементы, инструменты, термообработанные машинные элементы |
| Обоснование выбора: | |
| - Класс A выбирается, когда скорость обработки, свариваемость, вязкость и экономическая эффективность имеют первостепенное значение. | |
| - Класс B выбирается, когда требуются более высокая грузоподъемность, поверхностная твердость, износостойкость или специфическая для дизайна возможность термообработки. |
9. Стоимость и доступность
- Класс A: Обычно более экономичен за килограмм из-за более низкого содержания легирующих элементов и широкой производственной базы; очень широко доступен в виде плит, рулонов, листов и стандартных конструктивных форм.
- Класс B: Обычно более дорогой из-за легирующих элементов, этапов термообработки или специализированных производственных маршрутов; доступен в обычных формах продукции, но может иметь более длительные сроки поставки для специфических термообработок или более строгих допусков по химии.
Учет поставок: - Стандартизированные классы с широким рыночным спросом легче быстро и в больших объемах источать. Специальные термообработанные или микроаллоированные варианты часто требуют более длительного планирования закупок и потенциально более высоких минимальных количеств заказа.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | Класс A | Класс B |
|---|---|---|
| Свариваемость | Высокая — легче сваривать с меньшим предварительным нагревом | Умеренная до низкой — требует контролируемых сварочных процедур |
| Баланс прочности и вязкости | Более высокая вязкость, умеренная прочность | Более высокий потенциал прочности, вязкость зависит от обработки |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Выберите класс A, если: - Дизайн приоритизирует пластичность, сопротивление надрезам и простоту сварки и обработки. - Стоимость и быстрая доступность важны, а условия эксплуатации не агрессивны в отношении износа или высоких нагрузок.
Выберите класс B, если: - Приложение требует более высокой статической прочности, поверхностной твердости или износостойкости, и производственный процесс может обеспечить соответствующую термообработку или контроль микроаллоирования. - Вы можете реализовать контролируемые сварочные процедуры, предварительный нагрев/PWHT, где это необходимо, и принять более высокую стоимость материала для повышения производительности.
Заключительная заметка: Окончательный выбор между классом A и классом B должен определяться взаимодействием эксплуатационных нагрузок, воздействия окружающей среды, необходимых контролей обработки и возможностей термообработки. Где требуются высокая вязкость и легкость обработки, рассмотрите возможность указания микроаллоированных или TMCP вариантов, которые балансируют обе цели, и всегда проверяйте выбор с помощью соответствующих испытаний материалов (на растяжение, ударные испытания по Шарпи, твердость) и квалификации сварочных процедур.