Углеродная сталь: свойства и основные применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Обычная углеродная сталь - это основная категория стали, характеризующаяся в первую очередь своим содержанием углерода, которое обычно варьируется от 0,05% до 2,0%. Эта классификация охватывает различные подкатегории, включая низкоуглеродные, среднеуглеродные и высокоуглеродные стали, каждая из которых определяется своими специфическими процентами углерода и соответствующими свойствами. Основным легирующим элементом в обычной углеродной стали является сам углерод, который значительно влияет на ее механические свойства, твердость и пластичность.
Всеобъемлющий обзор
Обычная углеродная сталь классифицируется на основе содержания углерода на три основные категории:
- Низкоуглеродная сталь: Содержит примерно 0,05% до 0,25% углерода. Известна отличной пластичностью и свариваемостью, что делает ее подходящей для применения, требующего обширной формовки и обработки.
- Среднеуглеродная сталь: Содержит около 0,25% до 0,60% углерода. Этот тип обеспечивает баланс между прочностью и пластичностью, что делает его идеальным для применения, такого как автомобильные компоненты и детали машин.
- Высокоуглеродная сталь: Содержит 0,60% до 2,0% углерода. Характеризуется высокой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью, что делает ее подходящей для резательных инструментов и пружин.
Значительные характеристики обычной углеродной стали включают в себя:
- Прочность: Более высокое содержание углерода увеличивает прочность на разрыв.
- Пластичность: Более низкое содержание углерода улучшает пластичность, позволяя легче формовать и обрабатывать.
- Свариваемость: Обычно хорошая, но может зависеть от содержания углерода и термической обработки.
Преимущества:
- Экономичность и широкая доступность.
- Разнообразие для различных применений благодаря диапазону содержания углерода.
- Хорошие механические свойства могут быть настроены с помощью термической обработки.
Ограничения:
- Подвержена коррозии без защитных покрытий.
- Более высокоуглеродные стали могут быть хрупкими и менее пластичными.
- Ограниченное сопротивление высоким температурам по сравнению с легированными сталями.
Исторически обычная углеродная сталь была краеугольным камнем сталелитейной промышленности, служа основой для многих инженерных приложений благодаря своей доступности и легкости изготовления.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Класс | Страна/Регион происхождения | Заметки/Комментарии |
|---|---|---|---|
| UNS | G10100 | США | Низкоуглеродная сталь |
| AISI/SAE | 1010 | США | Ближайший эквивалент UNS G10100 |
| ASTM | A36 | США | Структурная сталь с низким содержанием углерода |
| EN | S235JR | Европа | Сравнима с A36, с небольшими составными отличиями |
| DIN | St37-2 | Германия | Похожа на S235JR, используется в строительных приложениях |
| JIS | SS400 | Япония | Эквивалент S235JR, широко используется в строительстве |
| GB | Q235 | Китай | Похожа на A36, широко используется в строительстве |
Заметки в таблице подчеркивают, что хотя эти классы могут считаться эквивалентными, тонкие различия в составе и механических свойствах могут влиять на их производительность в конкретных приложениях. Например, сталь A36 имеет заданную предел прочности, в то время как S235JR имеет немного другой химический состав, что может повлиять на свариваемость.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (Символ и название) | Диапазон процентов (%) |
|---|---|
| C (Углерод) | 0.05 - 2.0 |
| Mn (Марганец) | 0.30 - 1.65 |
| Si (Кремний) | 0.10 - 0.40 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.04 |
| S (Сера) | ≤ 0.05 |
Основная роль ключевых легирующих элементов в обычной углеродной стали включает в себя:
- Углерод (C): Увеличивает твердость и прочность, но уменьшает пластичность.
- Марганец (Mn): Улучшает закаливаемость и прочность, а также улучшает прочность стали.
- Кремний (Si): Действует как декарбонизатор в процессе производства стали и может улучшать прочность.
- Фосфор (P): В небольших количествах может улучшать обрабатываемость, но при более высоких концентрациях может привести к хрупкости.
Механические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (метрическая система) | Типичное значение/Диапазон (дюймовая система) | Справочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Прочность на разрыв | Отжженная | Температура комнаты | 370 - 700 МПа | 54 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Предел прочности (0.2% сдвиг) | Отжженная | Температура комнаты | 250 - 450 МПа | 36 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отжженная | Температура комнаты | 20 - 40% | 20 - 40% | ASTM E8 |
| Твердость (Бринелля) | Отжженная | Температура комнаты | 120 - 200 HB | 120 - 200 HB | ASTM E10 |
| Ударная прочность | В со сквозным вырезом Шарпи | -20 °C | 20 - 40 Дж | 15 - 30 фут-фунтов | ASTM E23 |
Сочетание этих механических свойств делает обычную углеродную сталь подходящей для различных применений, особенно там, где требуются умеренная прочность и пластичность. Например, низкоуглеродные стали часто используются в автомобильных кузовных панелях, в то время как среднеуглеродные стали предпочтительнее для структурных компонентов благодаря их балансу прочности и обрабатываемости.
Физические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Значение (метрическая система) | Значение (дюймовая система) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Температура комнаты | 7.85 г/см³ | 0.284 фунта/дюйм³ |
| Температура плавления/диапазон | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Температура комнаты | 50 Вт/м·К | 29 BTU·дюйм/(ч·фут²·°F) |
| Удельная теплоемкость | Температура комнаты | 0.49 кДж/кг·К | 0.12 BTU/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Температура комнаты | 0.0000017 Ω·м | 0.0000017 Ω·фут |
| Коэффициент теплового расширения | Температура комнаты | 11.0 x 10⁻⁶ /°C | 6.1 x 10⁻⁶ /°F |
Ключевые физические свойства, такие как плотность и температура плавления, имеют решающее значение для приложений, связанных с высокотемпературными условиями. Теплопроводность обычной углеродной стали делает ее подходящей для приложений, в которых необходима диссипация тепла, в то время как ее удельная теплоемкость указывает на то, как она будет реагировать на изменения температуры в ходе обработки.
Коррозионная стойкость
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C) | Рейтинг стойкости | Заметки |
|---|---|---|---|---|
| Атмосфера | Разное | Окружающая | Удовлетворительная | Подвержена ржавчине |
| Хлориды | Разное | Окружающая | Плохая | Риск коррозии точечной |
| Кислоты | Разное | Окружающая | Не рекомендовано | Сильно подвержена |
| Щелочи | Разное | Окружающая | Удовлетворительная | Умеренное сопротивление |
| Органические растворители | Разное | Окружающая | Хорошая | Как правило, устойчива |
Обычная углеродная сталь обладает ограниченной коррозионной стойкостью, особенно в условиях высокой влажности или воздействия хлоридов. Она подвержена ржавчине при воздействии влаги и требует защитных покрытий или оцинковки для применения на открытом воздухе. В сравнении с нержавеющими сталями, которые содержат хром для повышения коррозионной стойкости, обычная углеродная сталь значительно менее прочна в коррозионных условиях.
Теплостойкость
| Свойство/ограничение | Температура (°C) | Температура (°F) | Заметки |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывного использования | 400 °C | 752 °F | За пределами этого происходит окисление |
| Максимальная температура прерывистого использования | 500 °C | 932 °F | Только кратковременное воздействие |
| Температура отслоения | 600 °C | 1112 °F | Риск отслоения выше этой температуры |
| Рассмотрения прочности на вытягивание начинаются приблизительно при | 400 °C | 752 °F | При повышенных температурах может произойти ползучесть |
При повышенных температурах обычная углеродная сталь может подвергаться окислению и отслоению, что может угрожать ее структурной целостности. Максимальная температура непрерывного использования критична для приложений, связанных с теплом, так как превышение этого предела может привести к значительному ухудшению свойств материала.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый сварочный металл (классификация AWS) | Типичный защитный газ/флюс | Заметки |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Аргон/CO2 | Хороший для тонких секций |
| TIG | ER70S-2 | Аргон | Отлично для точной работы |
| Электродная сварка | E7018 | Не применимо | Подходит для работ на открытом воздухе |
Обычная углеродная сталь обычно считается хорошо свариваемой, особенно в диапазоне низкого углерода. Предварительный подогрев может быть необходим для более толстых секций, чтобы предотвратить трещины. После сварки термическая обработка может улучшить прочность области сварки.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | [Обычная углеродная сталь] | [AISI 1212] | Заметки/Советы |
|---|---|---|---|
| Относительный индекс обрабатываемости | 100 | 150 | AISI 1212 легче обрабатывать |
| Типичная скорость резания (токарная обработка) | 30 м/мин | 50 м/мин | Больше скорости для AISI 1212 |
Обычная углеродная сталь предлагает разумную обрабатываемость, особенно в низкоуглеродных классах. Однако более высокое содержание углерода может привести к увеличенному износу инструмента и снижению скоростей резания.
Формуемость
Обычная углеродная сталь демонстрирует хорошую формуемость, особенно в диапазоне низкого углерода. Она может быть легко холодноформлена в различные формы, а горячая формовка также возможна при повышенных температурах. Эффект упрочнения при работе следует учитывать в процессе формовки, так как он может увеличить прочность материала, но может также привести к трещинам, если не управлять им должным образом.
Термическая обработка
| Процесс обработки | Температурный диапазон (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F | 1 - 2 часа | Воздух или вода | Улучшить пластичность и снизить твердость |
| Закалка | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 минут | Вода или масло | Увеличить твердость |
| Отпуск | 400 - 700 °C / 752 - 1292 °F | 1 час | Воздух | Снизить хрупкость и улучшить прочность |
Процессы термической обработки значительно изменяют микроструктуру обычной углеродной стали, влияя на ее механические свойства. Например, закалка увеличивает твердость, но может привести к хрупкости, что может быть смягчено отпуском.
Типичные применения и конечные использования
| Отрасль/Сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом применении | Причина выбора |
|---|---|---|---|
| Автомобильная | Кузовные панели | Хорошая формуемость, свариваемость | Экономичность, легкость в формовке |
| Строительство | Структурные балки | Высокая прочность, хорошая свариваемость | Необходима для несущих конструкций |
| Производство | Детали машин | Баланс прочности и пластичности | Разнообразие для различных компонентов |
| Инструменты | Ручные инструменты | Высокая твердость (в вариантах с высоким углеродом) | Долговечность и износостойкость |
Другие применения включают в себя:
- Трубы и трубки: Используются в сантехнике и строительных приложениях.
- Крепежи: Болты, гайки и винты благодаря хорошей прочности.
- Сельскохозяйственное оборудование: Компоненты, требующие прочности и износостойкости.
Обычная углеродная сталь выбирается для этих применений благодаря своей доступности, экономичности и способности настраиваться с помощью термической обработки и дальнейшей обработки.
Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие идеи
| Особенность/Свойство | [Обычная углеродная сталь] | [AISI 4140] | [Нержавеющая сталь 304] | Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Умеренная прочность | Высокая прочность | Умеренная прочность | AISI 4140 предлагает более высокую прочность, но по более высокой цене |
| Ключевой аспект коррозии | Плохая | Удовлетворительная | Отличная | Нержавеющая сталь превосходит в коррозионных условиях |
| Свариваемость | Хорошая | Удовлетворительная | Хорошая | Обычная углеродная сталь легче сваривается, чем AISI 4140 |
| Обрабатываемость | Умеренная | Удовлетворительная | Хорошая | Обычная углеродная сталь легче обрабатывается, чем AISI 4140 |
| Формуемость | Хорошая | Удовлетворительная | Хорошая | Обычная углеродная сталь более формуемая, чем AISI 4140 |
| Приблизительная относительная стоимость | Низкая | Средняя | Высокая | Обычная углеродная сталь является наиболее экономически эффективным вариантом |
| Типичная доступность | Высокая | Средняя | Высокая | Широко доступна в различных формах |
При выборе обычной углеродной стали следует учитывать экономическую эффективность, доступность и конкретные механические свойства, необходимые для применения. Ее универсальность делает ее подходящей для широкого спектра применения, но ее подверженность коррозии требует защитных мер в определенных условиях.
В заключение, обычная углеродная сталь остается основным материалом в инженерии и производстве, предлагая баланс свойств, которые можно настроить для удовлетворения разнообразных потребностей приложения.