Свойства легированного сталей и основные области применения

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.

Вернуться к блогу

Комментировать