SAE1010 против SAE1020 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SAE1010 и SAE1020 — это два широко используемых низкоуглеродистых стали, которые встречаются в производстве, механической обработке и строительных приложениях. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто выбирают между ними, балансируя между прочностью, пластичностью, формуемостью, стоимостью и последующими процессами, такими как сварка или цементация. Типичные контексты принятия решений включают в себя приоритет большей легкости формования и свариваемости (низкое содержание углерода) по сравнению с повышенной прочностью и износостойкостью (высокое содержание углерода), или будет ли деталь подвергаться поверхностной закалке или оставаться в состоянии прокатки/отжига.
Фундаментальное различие между этими марками заключается в содержании углерода: SAE1010 содержит значительно меньше углерода, чем SAE1020. Это единственное изменение в составе изменяет баланс микроструктуры, механические свойства и реакции на обработку — отсюда их частое прямое сравнение в проектировании и производственных решениях.
1. Стандарты и обозначения
- SAE/AISI: SAE1010, SAE1020 (обычно упоминается как AISI 1010 / 1020 в старой литературе).
- ASTM/ASME: Эти стали охватываются общими спецификациями на углеродные стали (например, ASTM A1008 для холоднокатаных, ASTM A1011 для горячекатаных рулонов и различные структурные/продуктовые спецификации в зависимости от формы продукта).
- EN: Сравнимо с низкоуглеродными сталями серии EN 1.03xx (например, 1.0337 приближенно соответствует 1010; 1.0332/1.0422 могут быть сопоставимы для вариантов 1020 — точные эквиваленты зависят от спецификации продукта и допусков).
- JIS/GB: Существуют местные эквиваленты для низкоуглеродных мягких сталей; соответствие химическому составу и механическим требованиям, а не названию марки.
- Классификация: Обе являются обычными углеродными сталями (не легированными, не нержавеющими). Они не являются HSLA, инструментальными или нержавеющими сталями.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | SAE1010 (типичный диапазон, вес%) | SAE1020 (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C (Углерод) | 0.08 – 0.13 | 0.18 – 0.23 |
| Mn (Марганец) | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si (Кремний) | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S (Сера) | ≤ 0.05 | ≤ 0.05 |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N | Обычно ≤ 0.03 (следы или отсутствуют) | Обычно ≤ 0.03 (следы или отсутствуют) |
Примечания: - Это представительные диапазоны состава для обычных сталей SAE 1010 и SAE 1020, произведенных для общего штамповки, формования и механической обработки. Специфические химические составы продуктов — например, для холоднокатаных, холоднотянутых или цементированных вариантов — могут иметь более строгие или измененные пределы. - Стратегия легирования для обеих марок намеренно минимальна: углерод регулирует прочность и закаливаемость; марганец поддерживается для повышения прочности и дегазации; кремний, фосфор и сера контролируются для обрабатываемости.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной контроль для прочности и твердости (больше углерода → выше прочность/твердость, ниже пластичность, выше закаливаемость). - Марганец: повышает прочность, улучшает закаливаемость и дегазацию; избыточный Mn повышает CE и влияет на свариваемость. - Кремний: умеренное увеличение прочности и действует как дегазатор. - Следовое микроалюминирование (если присутствует) может влиять на размер зерна и прочность, но не является характерным для стандартов 1010/1020.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - SAE1010: В отожженном или нормализованном состоянии этот сплав состоит в основном из феррита с небольшой долей перлита. Низкое содержание углерода создает преимущественно мягкую, пластичную ферритную матрицу с ограниченным перлитным усилением. - SAE1020: Содержит более высокую долю перлита, чем 1010 при аналогичных термических историях (отожженное/нормализованное), создавая более прочную, но менее пластичную микроструктуру — феррит + больше перлита.
Реакции на термообработку и обработку: - Отжиг/Нормализация: Обе реагируют аналогично — отжиг смягчает и улучшает пластичность; нормализация немного уточняет зернистую структуру, но закаливаемость остается низкой. - Закалка и отпуск: Обе имеют низкую закаливаемость и не могут быть эффективно закалены в обычных размерах сечений. Более высокое содержание углерода в 1020 дает несколько более высокую достижимую твердость после закалки и отпуска, чем 1010, но ни одна из марок не является идеальной, когда требуется полная закалка. - Карбюризация/Цементация: Низкоуглеродистые стали, такие как 1010 и 1020, могут быть цементированы (карбюрованы) для обеспечения твердой износостойкой поверхности с пластичным сердечником; 1020 часто подвергается карбюризации более широко, поскольку его более высокое базовое содержание углерода поддерживает лучшую прочность сердечника после обработки. - Термомеханическая обработка и холодная обработка: Холодная обработка увеличивает плотность дислокаций и предел текучести/прочности для обеих; 1010 обычно принимает большее формование перед трещинами.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные диапазоны механических свойств для отожженных/нормализованных условий (представительные диапазоны; свойства варьируются в зависимости от формы продукта и термической/механической обработки).
| Свойство | SAE1010 (типичный, отожженный/нормализованный) | SAE1020 (типичный, отожженный/нормализованный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~300 – 450 | ~400 – 550 |
| Предел текучести (0.2% смещение, МПа) | ~180 – 350 | ~250 – 400 |
| Удлинение (% на 50 мм или 2 дюйма) | ~30 – 40 | ~20 – 30 |
| Ударная вязкость (Charpy V, качественная) | Как правило, выше при низких температурах (более пластичная) | Ниже, чем у 1010 при аналогичных условиях (большее количество перлита снижает вязкость) |
| Твердость (HB) | ~70 – 120 | ~100 – 160 |
Интерпретация: - SAE1020, как правило, прочнее и может достигать более высокой твердости благодаря большему содержанию перлита, возникающему из-за более высокого уровня углерода. SAE1010 более пластична и имеет лучшую формуемость и ударные характеристики во многих условиях обработки. Точный компромисс сильно зависит от обработки (холодная обработка, термообработка, поверхностная закалка).
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости зависят от содержания углерода и эффективной закаливаемости. Использование формул эквивалента углерода дает качественную оценку свариваемости.
Общие выражения эквивалента углерода: - Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Международный композитный параметр сварки: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Низкое абсолютное содержание углерода в 1010 дает более низкие $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, чем 1020, что указывает на лучшую внутреннюю свариваемость и меньший риск хрупкого мартенсита в зонах термического воздействия (HAZ). - SAE1020, с более высоким содержанием углерода, умеренно увеличивает закаливаемость и, следовательно, повышает риск закалки HAZ и холодных трещин при сжатии или неправильных процедурах предварительного/последующего нагрева. - Обе марки классифицируются как легко свариваемые с использованием общих сварочных процессов (MIG, TIG, SMAW), когда соблюдаются стандартные меры предосторожности. Для 1020 может потребоваться предварительный нагрев или контролируемый тепловой ввод для толстых сечений или при высоком сжатии. - Выбор сварочного металла и термообработка после сварки должны основываться на геометрии детали, сжатии и требованиях к эксплуатации, а не только на названии марки.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни SAE1010, ни SAE1020 не являются нержавеющими; обе подвержены общей атмосферной коррозии и требуют защиты поверхности в коррозионных средах.
- Общие стратегии защиты: горячее цинкование, электролитическое покрытие, конверсионные покрытия, органические покрытия (краски, порошковые покрытия) и герметизация в контролируемой среде. Выбор зависит от условий эксплуатации и стоимости жизненного цикла.
- PREN (Эквивалентный номер сопротивления к коррозии) не применим к обычным углеродным сталям; формула PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ имеет отношение к нержавеющим сплавам и не должна использоваться для оценки углеродных сталей 10xx.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость: SAE1010, с более низким содержанием углерода и более мягкой ферритной матрицей, легче сгибать, штамповать и холодно формовать с меньшим возвратом и меньшим риском трещин. SAE1020 менее формуемая и может потребовать больших радиусов изгиба или промежуточного отжига для серьезного формования.
- Обрабатываемость: Более высокое содержание углерода обычно улучшает срок службы инструмента до определенной степени, поскольку более твердые материалы обрабатываются иначе; однако, умеренно более высокая прочность и твердость 1020 могут увеличить силы резания и износ инструмента по сравнению с 1010. Для высокообъемной механической обработки инструменты и подачи должны быть оптимизированы для конкретного состояния продукта (отожженное против холоднотянутого).
- Обработка поверхности: Обе марки принимают стандартные операции отделки (шлифовка, полировка, покрытие). Цементация (карбюризация) является привлекательным вариантом, когда требуется твердая поверхность и пластичный сердечник; 1020 часто дает немного более прочный сердечник после обработки, чем 1010.
8. Типичные применения
| SAE1010 – Типичные применения | SAE1020 – Типичные применения |
|---|---|
| Холодноформованные детали, глубоко вытянутые компоненты, мелкие штамповки, проволочные изделия, заклепки и низкопрочные конструктивные детали, где необходимы высокая пластичность и формуемость | Валы, штифты, оси, шестерни (низкой нагрузки), крепежные элементы, шпильки, детали общего назначения, заготовки для цементации |
| Декоративные или окрашенные компоненты с ограниченной механической нагрузкой | Детали, требующие более высокой прочности или лучшей износостойкости в состоянии после механической обработки или после цементации |
| Собранные конструкции с обширной сваркой, где требуется максимальная свариваемость | Компоненты, которые будут подвергаться поверхностной закалке (карбюризации) для получения износостойкости с более прочным сердечником |
Обоснование выбора: - Выбирайте 1010, когда формование, холодная обрабатываемость или максимальная свариваемость в тонких сечениях являются приоритетными. Это минимизирует риск трещин и упрощает обработку. - Выбирайте 1020, когда прочность базового материала и износостойкость (или эффективность цементации) более важны, и приемлемы умеренные дополнительные усилия по механической обработке или контролю термообработки.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Обе марки являются товарными низкоуглеродистыми сталями и производятся в больших объемах. Различия в ценах минимальны и в основном обусловлены колебаниями рынка, а не внутренней стоимостью марки. SAE1020 может иметь небольшую надбавку в некоторых формах продукта из-за немного более высокого содержания углерода и обработки для более прочных форм продукта, но это не является значительным.
- Доступность: Обе марки широко доступны в горячекатаном, холоднокатаном, холоднотянутом, листовом, прутковом и рулонном виде. Региональное предложение зависит от продуктовых линий и стандартов завода; закупка должна указывать точные требования к химическому составу и механическим свойствам, чтобы избежать несоответствий.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное/относительное):
| Характеристика | SAE1010 | SAE1020 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная (самый низкий CE) | Очень хорошая (выше CE, чем у 1010; предварительный нагрев может быть рекомендован в некоторых случаях) |
| Баланс прочности и вязкости | Низкая прочность, высокая пластичность/вязкость | Высокая прочность, низкая пластичность (больше перлита) |
| Стоимость | Очень похожи; в целом товарные цены | Очень похожи; немного выше в некоторых формах поставки |
Рекомендации: - Выбирайте SAE1010, если: - Деталь требует обширного холодного формования, глубокого вытягивания или высоких уровней пластичности. - Простота сварки и минимизация риска закалки HAZ являются приоритетом. - Поверхностная твердость не требуется, или деталь будет соединена/отделана, а не подвергаться износу.
- Выбирайте SAE1020, если:
- Требуется более высокая прочность базового материала и износостойкость в состоянии после механической обработки.
- Деталь предназначена для цементации (карбюризации) или умеренной износостойкости с пластичным сердечником.
- Немного более высокая жесткость и сниженное удлинение приемлемы для конструкции.
Заключительная заметка: Выбор между SAE1010 и SAE1020 должен основываться на указанных механических свойствах в требуемой форме продукта и предполагаемом маршруте производства (формование, сварка, термообработка). Если допустимые пределы производительности узкие, запросите сертификаты завода с точным химическим составом и результатами механических испытаний и рассмотрите возможность пробной обработки для проверки поведения формования, сварки и отделки для выбранной марки.