Умеренно углеродистая сталь: свойства и ключевые применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Среднеуглеродистая сталь, часто называемая средней сталью, классифицируется как тип углеродной стали, содержащей содержание углерода, обычно варьирующее от 0,3% до 0,6%. Этот сорт стали в основном характеризуется балансом прочности, пластичности и износостойкости, что делает ее подходящей для широкого спектра инженерных приложений. Основным легирующим элементом в среднеуглеродистой стали является углерод, который значительно влияет на ее механические свойства и общую производительность.
Всеобъемлющий обзор
Среднеуглеродистая сталь широко известна своей универсальностью и часто используется в приложениях, требующих сочетания прочности и жесткости. Наличие углерода повышает твердость и прочность стали, в то время как умеренное содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость и обрабатываемость. Этот сорт стали часто используется в производстве автомобильных компонентов, машин и конструкций.
Преимущества среднеуглеродистой стали:
- Прочность и жесткость: Содержание углерода обеспечивает отличную прочность на растяжение и ударную прочность.
- Износостойкость: Подходит для приложений, которые требуют устойчивости к абразивному износу.
- Экономическая эффективность: Обычно более доступна, чем высоколегированные стали, при этом предлагая хорошую производительность.
Ограничения среднеуглеродистой стали:
- Устойчивость к коррозии: Среднеуглеродистая сталь более подвержена коррозии по сравнению с нержавеющими сталями.
- Хрупкость при высоких температурах: Может стать хрупкой, если не подвергнута правильной термообработке.
- Ограниченная пластичность: Хотя она обладает большей пластичностью, чем сталями с высоким содержанием углерода, она может не подходить для приложений, требующих значительной деформации.
Исторически среднеуглеродистая сталь сыграла важную роль в промышленном развитии, особенно в период роста автомобильной и производственной отраслей. Ее баланс свойств сделал ее основным материалом в различных инженерных областях.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/класс | Страна/регион происхождения | Заметки/примечания |
|---|---|---|---|
| UNS | G10400 | США | Ближайший эквивалент AISI 1040 |
| AISI/SAE | 1040 | США | Широко используется для валов и шестерен |
| ASTM | A36 | США | Структурная сталь с более низким содержанием углерода |
| EN | C40E | Европа | Незначительные составные отличия |
| DIN | C45 | Германия | Похожие свойства, немного более высокое содержание углерода |
| JIS | S45C | Япония | Сравнимый с AISI 1045 |
| GB | Q345B | Китай | Структурная сталь с аналогичными приложениями |
В таблице выше представлены различные стандарты и эквиваленты среднеуглеродистой стали. Особенно стоит отметить, что хотя такие классы, как AISI 1040 и DIN C45, часто считаются эквивалентами, они могут проявлять тонкие отличия в составе и механических свойствах, которые могут повлиять на производительность в специфических приложениях.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (символ и название) | Процентный диапазон (%) |
|---|---|
| C (углерод) | 0.3 - 0.6 |
| Mn (марганец) | 0.6 - 1.65 |
| Si (кремний) | 0.15 - 0.4 |
| P (фосфор) | ≤ 0.04 |
| S (сера) | ≤ 0.05 |
Основными легирующими элементами в среднеуглеродистой стали являются углерод и марганец. Углерод важен для повышения твердости и прочности, в то время как марганец улучшает закаливаемость и прочность на растяжение. Кремний служит в качестве дезоксиданта во время производства стали, а фосфор и сера контролируются, чтобы минимизировать их пагубное влияние на пластичность и жесткость.
Механические свойства
| Свойство | Условие/температура | Температура испытания | Типичное значение/диапазон (метрическая) | Типичное значение/диапазон (имперская) | Ссылочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Отожженная | Температура окружающей среды | 400 - 700 МПа | 58 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Предельная прочность (0.2% сдвиг) | Отожженная | Температура окружающей среды | 250 - 450 МПа | 36 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отожженная | Температура окружающей среды | 15 - 25% | 15 - 25% | ASTM E8 |
| Твердость (Бринелль) | Отожженная | Температура окружающей среды | 150 - 250 HB | 150 - 250 HB | ASTM E10 |
| Ударная прочность | Charpy V-образная выемка | -20°C | 20 - 50 Дж | 15 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
Механические свойства среднеуглеродистой стали делают ее подходящей для приложений, требующих высокой прочности и жесткости. Сочетание прочности на растяжение и предельной прочности позволяет эффективно функционировать под механическими нагрузками, в то время как процент удлинения указывает на хорошую пластичность, позволяя материалу деформироваться без разрушения.
Физические свойства
| Свойство | Условие/температура | Значение (метрическое) | Значение (имперское) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Температура окружающей среды | 7.85 г/см³ | 0.284 lb/in³ |
| Температура плавления | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Температура окружающей среды | 50 Вт/м·К | 34.5 BTU·in/(ч·ф²·°F) |
| Удельная теплоемкость | Температура окружающей среды | 0.46 кДж/кг·К | 0.11 BTU/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Температура окружающей среды | 0.0000017 Ω·м | 0.0000017 Ω·дюйм |
Плотность среднеуглеродистой стали способствует ее общему весу и структурной целостности, в то время как температура плавления указывает на ее пригодность для высокотемпературных приложений. Теплопроводность и удельная теплоемкость важны для приложений, связанных с теплопередачей, например, в автомобильных компонентах.
Сопротивление к коррозии
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Рейтинг устойчивости | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Атмосферная | Разное | Окружения | Умеренное | Подвержена ржавчине |
| Хлориды | Разное | Окружения | Плохое | Риск глубинной коррозии |
| Кислоты | Разное | Окружения | Плохое | Не рекомендуется |
| Щелочные | Разное | Окружения | Умеренное | Умеренное сопротивление |
Среднеуглеродистая сталь демонстрирует умеренное сопротивление коррозии, особенно в атмосферных условиях. Однако, она подвержена ржавлению и глубинной коррозии в средах, богатых хлоридами, таких как прибрежные районы или соли для растопки. По сравнению с нержавеющими сталями, среднеуглеродистая сталь требует защитных покрытий или обработки в коррозионных средах для повышения ее долговечности.
По сравнению с такими сортами, как нержавеющая сталь AISI 304, которая обладает отличным сопротивлением к коррозии, среднеуглеродистая сталь менее подходит для приложений, подверженных воздействию жестких условий. Однако она может превосходить низкоуглеродистые стали с точки зрения износостойкости и прочности.
Устойчивость к нагреву
| Свойство/предел | Температура (°C) | Температура (°F) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывного использования | 400 °C | 752 °F | Подходит для умеренных температур |
| Максимальная температура прерывистого использования | 500 °C | 932 °F | Только кратковременное воздействие |
| Температура, при которой начинает образовываться окалина | 600 °C | 1112 °F | Риск окисления выше этой температуры |
| Предел прочности при ползучести начинается примерно при | 400 °C | 752 °F | Потенциал деформации |
Среднеуглеродистая сталь может выдерживать умеренные температуры, что делает ее подходящей для приложений, таких как автомобильные компоненты и машины. Однако при повышенных температурах она может подвергаться окислению и утрате механических свойств, что требует тщательного рассмотрения при проектировании и применении.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый filler metal (классификация AWS) | Типичний защитный газ/флюс | Примечания |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Аргон + CO2 | Хорошая спайка и проникновение |
| TIG | ER70S-2 | Аргон | Чистая сварка, требует предварительного нагрева |
| Электродуговая | E7018 | N/A | Подходит для более толстых сечений |
Среднеуглеродистая сталь в целом свариваема, однако предварительный нагрев может потребоваться для предотвращения трещин, особенно в более толстых участках. Термообработка после сварки может улучшить свойства области сварки, снизив остаточные напряжения и улучшив жесткость.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | Среднеуглеродистая сталь | AISI 1212 | Заметки/советы |
|---|---|---|---|
| Индекс относительной обрабатываемости | 70 | 100 | Хорошая обрабатываемость, но тверже, чем низкоуглеродистые стали |
| Типичная скорость резки (обточка) | 30-50 м/мин | 60-80 м/мин | Используйте инструменты из быстрорежущей стали |
Среднеуглеродистая сталь предлагает хорошую обрабатываемость, хотя она сложнее в обработке, чем низкоуглеродистые стали. Оптимальные скорости резки и инструменты должны быть выбраны для достижения желаемых поверхностных отделок и допусков.
Формуемость
Среднеуглеродистая сталь проявляет умеренные формуемые свойства. Ее можно формовать холодным или горячим способом, но нужно остерегаться чрезмерного упрочнения. Минимальный радиус изгиба следует учитывать во время формовки для предотвращения трещин.
Термообработка
| Процесс обработки | Диапазон температуры (°C/°F) | Типичное время отлежки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F | 1 - 2 часа | Воздух или печь | Смягчение, улучшенная пластичность |
| Закалка | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 минут | Вода или масло | Закаливание, увеличение прочности |
| Упругость | 400 - 600 °C / 752 - 1112 °F | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости, улучшение жесткости |
Процессы термообработки, такие как отжиг, закалка и упругость, необходимы для оптимизации механических свойств среднеуглеродистой стали. Эти обработки изменяют микроструктуру, повышая твердость и прочность, одновременно уравновешивая пластичность.
Типичные приложения и конечные использования
| Отрасль/сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом применении | Причина выбора |
|---|---|---|---|
| Автомобильная | Шестерни и валы | Высокая прочность, износостойкость | Необходимы для долговечности и производительности |
| Строительство | Структурные балки | Прочность, жесткость | Поддерживают тяжелые нагрузки в конструкциях |
| Механика | Коленчатые валы | Жесткость, усталостная стойкость | Устойчивы к циклическим нагрузкам |
Среднеуглеродистая сталь обычно используется в автомобильной, строительной и механической отраслях благодаря своим благоприятным механическим свойствам. Ее прочность и жесткость делают ее идеальной для компонентов, испытывающих значительные нагрузки и износ.
Важные аспекты, критерии выбора и дополнительные сведения
| Особенность/свойство | Среднеуглеродистая сталь | AISI 4140 | AISI 1018 | Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Умеренная прочность | Высокая прочность | Низкая прочность | 4140 предлагает большую прочность, но стоит дороже |
| Ключевой аспект коррозии | Умеренное сопротивление | Хорошее сопротивление | Плохое сопротивление | 4140 лучше подходит для коррозийных сред |
| Свариваемость | Хорошая | Умеренная | Отличная | 1018 легче сваривать |
| Обрабатываемость | Умеренная | Умеренная | Отличная | 1018 легче обрабатывается |
| Формуемость | Умеренная | Плохая | Хорошая | 1018 более формуемый |
| Приблизительная относительная стоимость | Умеренная | Выше | Ниже | Критерии стоимости могут повлиять на выбор |
| Типич availability | Широко доступна | Менее распространена | Широко доступна | 1018 чаще в наличии |
При выборе среднеуглеродистой стали следует учитывать механические свойства, коррозионную стойкость, свариваемость и стоимость. Хотя она предлагает баланс прочности и пластичности, такие альтернативы, как AISI 4140, могут быть предпочтительнее для приложений, требующих более высокой прочности, хотя и по более высокой цене. Напротив, AISI 1018 может быть выбран для приложений, где важны легкость обработки и сварки.
В заключение, среднеуглеродистая сталь является универсальным материалом, который играет значительную роль в различных инженерных приложениях. Ее баланс свойств делает ее популярным выбором, но внимательное consideration of its limitations and alternatives is essential for optimal performance in specific applications.