Свойства легированного сталей и основные области применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Легированная сталь — это категория стали, легированной различными элементами для улучшения ее механических свойств и рабочей характеристики. В отличие от углеродной стали, которая в основном полагается на углерод как основной легирующий элемент, легированная сталь включает в себя различные другие элементы, такие как хром, никель, молибден, ванадий и марганец. Эти легирующие элементы значительно влияют на твердость, прочность, пластичность и коррозионную стойкость стали.
Обширный обзор
Легированные стали можно классифицировать на несколько категорий в зависимости от их содержания углерода и типов используемых легирующих элементов. Обычно они делятся на легированные стали с низким содержанием легирующих элементов (менее 5%) и легированные стали с высоким содержанием легирующих элементов (более 5%). Основные легирующие элементы и их эффекты включают:
- Хром (Cr): Увеличивает твердость, прочность на растяжение и коррозионную стойкость.
- Никель (Ni): Улучшает прочность и стойкость к ударам, особенно при низких температурах.
- Молибден (Mo): Улучшает закаливаемость и сопротивление износу и коррозии.
- Ванадий (V): Увеличивает прочность и прочность, уточняя структуру зерен.
Наиболее значительные характеристики легированной стали включают высокую прочность на растяжение, улучшенную прочность и повышенную стойкость к износу. Эти свойства делают легированные стали подходящими для широкого спектра применений, от автомобильных компонентов до структурных балок в зданиях.
Преимущества легированной стали:
- Высокое соотношение прочности к весу
- Отличная стойкость к износу
- Повышенная прочность и пластичность
- Улучшенная закаливаемость и реакция на термическую обработку
Недостатки легированной стали:
- Более высокая стоимость по сравнению с углеродными сталями
- Более сложные процессы производства
- Потенциальное снижение свариваемости в зависимости от состава
Легированные стали занимают значительную позицию на рынке благодаря своей универсальности и производительности в требовательных применениях. Исторически развитие легированных сталей способствовало достижениям в различных отраслях, включая аэрокосмическую, автомобильную и строительную.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Класс | Страна/Регион происхождения | Заметки/Примечания |
|---|---|---|---|
| UNS | G41300 | США | Ближайший эквивалент AISI 4130 |
| AISI/SAE | 4130 | США | Широко используется в аэрокосмических приложениях |
| ASTM | A519 | США | Стандартная спецификация для бесшовных труб механической конструкции из углеродной и легированной стали |
| EN | 34CrMo4 | Европа | Похожие на AISI 4130 с небольшими разностями в составе |
| DIN | 1.7220 | Германия | Эквивалент AISI 4130, используется в высокопрочных применениях |
| JIS | SCM430 | Япония | Схожие свойства, часто используется в автомобильных приложениях |
| GB | 30CrMo | Китай | Сравнимо с AISI 4130, используется в машинах |
Различия между этими эквивалентными классами могут повлиять на выбор в зависимости от специфических механических свойств, реагирования на термическую обработку и доступности в разных регионах. Например, хотя AISI 4130 и EN 34CrMo4 схожи, последняя может иметь более строгие требования для определенных применений в Европе.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (Символ и название) | Диапазон процентов (%) |
|---|---|
| C (Углерод) | 0.28 - 0.33 |
| Cr (Хром) | 0.8 - 1.1 |
| Mo (Молибден) | 0.15 - 0.25 |
| Mn (Марганец) | 0.4 - 0.6 |
| Si (Кремний) | 0.15 - 0.4 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.035 |
| S (Сера) | ≤ 0.04 |
Основная роль ключевых легирующих элементов в легированной стали включает:
- Углерод: Влияет на твердость и прочность; более высокое содержание углерода, как правило, увеличивает прочность, но снижает пластичность.
- Хром: Повышает коррозионную стойкость и закаливаемость, делая сталь пригодной для высоконагруженных применений.
- Молибден: Улучшает прочность при высоких температурах и стойкость к размягчению, особенно в условиях термической обработки.
Механические свойства
| Свойство | Состояние/Температура | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (метрические единицы - СИ) | Типичное значение/Диапазон (имперские единицы) | Справочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Отожженная | Комнатная температура | 620 - 850 МПа | 90 - 123 ksi | ASTM E8 |
| Предел текучести (0.2% смещение) | Отожженная | Комнатная температура | 350 - 500 МПа | 51 - 73 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отожженная | Комнатная температура | 20 - 25% | 20 - 25% | ASTM E8 |
| Твердость | Отожженная | Комнатная температура | 197 - 229 HB | 95 - 103 HB | ASTM E10 |
| Ударная прочность | Закаленная и отожженная | -20°C | 27 Дж | 20 фут-фунт | ASTM E23 |
Комбинация этих механических свойств делает легированную сталь особенно пригодной для применения, требующего высокой прочности и прочности, таких как производство шестерен, валов и конструктивных компонентов. Способность подвергаться термической обработке дополнительно улучшает ее производительность в жестких условиях.
Физические свойства
| Свойство | Состояние/Температура | Значение (метрические единицы - СИ) | Значение (имперские единицы) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Комнатная температура | 7.85 г/см³ | 0.284 фунт/дюйм³ |
| Температура/Диапазон плавления | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Комнатная температура | 45 Вт/м·К | 31 BTU·дюйм/(ч·фут²·°F) |
| Удельная теплоемкость | Комнатная температура | 0.49 кДж/кг·К | 0.12 BTU/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Комнатная температура | 0.0000017 Ω·м | 0.0000017 Ω·дюйм |
Ключевые физические свойства, такие как плотность и температура плавления, имеют решающее значение для приложений, связанных с высокими температурами. Теплопроводность указывает, насколько хорошо материал может рассеивать тепло, что необходимо в таких приложениях, как компоненты двигателей.
Коррозионная стойкость
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Рейтинг устойчивости | Заметки |
|---|---|---|---|---|
| Хлориды | 3-5 | 25°C/77°F | Удовлетворительно | Риск точечной коррозии |
| Серная кислота | 10-20 | 60°C/140°F | Плохо | Подверженность СКК |
| Атмосферная | - | - | Хорошо | Как правило, устойчива |
Легированная сталь проявляет различную степень коррозионной стойкости в зависимости от окружающей среды. В условиях высокой концентрации хлоридов она может быть подвержена точечной коррозии, в то время как она проявляет плохую стойкость к сильным кислотам, таким как серная кислота. По сравнению с нержавеющими сталями легированные стали обычно имеют более низкую коррозионную стойкость, что делает их менее подходящими для сильно коррозионных условий.
Теплостойкость
| Свойство/Предел | Температура (°C) | Температура (°F) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывной эксплуатации | 400°C | 752°F | Подходит для высокотемпературных приложений |
| Максимальная температура прерывистой эксплуатации | 500°C | 932°F | Только кратковременное воздействие |
| Температура образования окалины | 600°C | 1112°F | Риск окисления при более высоких температурах |
При повышенных температурах легированная сталь сохраняет свою прочность и твердость, что делает ее подходящей для таких применений, как лопатки турбин и реакторы под давлением. Тем не менее, окисление может стать проблемой при превышении определенных температур, что требует защитных покрытий или тщательного выбора материалов.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS) | Типичный защитный газ/флюс | Заметки |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Аргон/CO2 | Хорошо для тонких сечений |
| TIG | ER80S-Ni | Аргон | Требует предварительного нагрева |
| Электродная сварка | E7018 | - | Подходит для сварки на месте |
Легированную сталь можно сваривать различными процессами, но часто рекомендуется предварительный нагрев, чтобы предотвратить трещины. Выбор порошкового металла имеет решающее значение для сохранения целостности сварки.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | [Легированная сталь] | AISI 1212 | Заметки/Советы |
|---|---|---|---|
| Индекс относительной обрабатываемости | 70 | 100 | Умеренная обрабатываемость |
| Типичная скорость резания (Токарная обработка) | 50 м/мин | 80 м/мин | Регулировать в зависимости от инструмента |
Обрабатываемость может значительно варьироваться в зависимости от конкретного состава легирующего элемента. Правильный инструмент и условия резания имеют решающее значение для достижения оптимальных результатов.
Формуемость
Легированная сталь обладает хорошей формуемостью, особенно в отожженном состоянии. Процессы холодной и горячей формовки обычно используются с учетом упрочнения и радиусов изгиба. Материал можно формировать в сложные формы, что делает его подходящим для различных applications.
Термическая обработка
| Процесс обработки | Диапазон температуры (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F | 1 - 2 часа | Воздух или вода | Смягчение, улучшенная пластичность |
| Закалка | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 минут | Масло или вода | Закалка, увеличение прочности |
| Отпуск | 400 - 600 °C / 752 - 1112 °F | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости, улучшение прочности |
Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру и свойства легированной стали. Например, закалка увеличивает твердость, в то время как отпуск снижает хрупкость, позволяя создать баланс между прочностью и пластичностью.
Типичные применения и конечные用途
| Отрасль/Сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом применении | Причина выбора (кратко) |
|---|---|---|---|
| Аэрокосмическая | Шасси самолетов | Высокая прочность, прочность | Критично для безопасности и производительности |
| Автомобильная | Валы приводов | Устойчивость к усталости, пластичность | Необходимо для долговечности |
| Строительство | Структурные балки | Нагрузка, свариваемость | Поддерживает тяжелые нагрузки |
| Нефть и газ | Буры | Сопротивление износу, прочность | Высокая производительность в жестких условиях |
Другие применения включают:
- Компоненты машин
- Резервуары под давлением
- Инструменты и штампы
Легированная сталь выбирается для этих приложений благодаря своим превосходным механическим свойствам, которые обеспечивают надежность и производительность при жестких условиях.
Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения
| Особенность/Свойство | [Легированная сталь] | [Альтернативный класс 1] | [Альтернативный класс 2] | Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Высокая прочность | Умеренная прочность | Высокая пластичность | Легированная сталь предлагает баланс между прочностью и прочностью |
| Ключевой аспект коррозии | Удовлетворительно | Отлично | Хорошо | Легированная сталь менее устойчива, чем нержавеющая сталь |
| Свариваемость | Хорошо | Отлично | Удовлетворительно | Рекомендуется предварительный нагрев для легированнной стали |
| Обрабатываемость | Умеренно | Высоко | Низко | Легированная сталь требует осторожной обработки |
| Формуемость | Хорошо | Отлично | Умеренно | Легированная сталь может быть сформирована в сложные формы |
| Приблизительная относительная стоимость | Умеренная | Низкая | Высокая | Стоимость варьируется в зависимости от легирующих элементов |
| Типичная доступность | Общая | Общая | Редкая | Легированная сталь широко доступна |
При выборе легированной стали для конкретного применения необходимо учитывать такие факторы, как стоимость, доступность и конкретные механические и физические свойства. Компромиссы между прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью критичны для определения наиболее подходящего класса для данного применения. Кроме того, соображения безопасности, особенно в условиях сильных нагрузок, должны руководить выбором материала, чтобы обеспечить надежность и производительность.