Что такое углеродистая сталь?

Углеродистая сталь — типы, химические и физические свойства, применение

Углеродистая сталь по существу представляет собой железо с различным содержанием углерода в качестве основного легирующего элемента.

Углеродистая сталь является одним из наиболее широко используемых производственных материалов из-за ее формуемости, свариваемости, прочности и способности подвергаться термической обработке для точного изменения ее механических свойств.

Помимо углерода, в большинстве сплавов содержится дополнительное количество марганца. Сера и фосфор также присутствуют, однако они обычно нежелательны и рассматриваются как примеси.

В этой статье будет описано, что такое углеродистая сталь, различные типы углеродистой стали, их преимущества, недостатки и физические свойства. Также будут рассмотрены максимальные рабочие температуры и температуры плавления углеродистой стали.

Что такое углеродистая сталь?

Углеродистая сталь представляет собой серию сплавов железа, основным легирующим элементом которых является углерод.

Углеродистые стали широко используются почти во всех отраслях промышленности и обычно делятся на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

Содержание углерода оказывает сильное влияние на механические свойства стали. По мере увеличения содержания углерода сталь, как правило, будет иметь более высокую прочность и более низкую пластичность.

Средне- и высокоуглеродистая сталь легко подвергается термообработке, что позволяет еще больше улучшить ее механические свойства.

Компоненты углеродистой стали

Углеродистая сталь состоит из железа, легированного небольшим количеством углерода (обычно ниже 1 %, хотя может достигать 2 %), марганца и кремния, а сера и фосфор присутствуют в основном в виде примесей.

Каждый элемент, добавленный в простую углеродистую сталь, играет определенную роль в конечных свойствах. Например, марганец добавляется в первую очередь для десульфурации стали.

Однако его можно добавлять в несколько больших количествах, до 1 %, в качестве замещающего растворенного вещества, помогающего укрепить сталь.

Кремний, с другой стороны, добавляется в основном в качестве раскислителя и в основном присутствует в качестве остаточного элемента, хотя его можно добавлять в небольших количествах для усиления.

Типы углеродистых сталей

Простые углеродистые стали часто классифицируют как стали с низким, средним или высоким содержанием углерода в зависимости от процентного содержания углерода в сплаве.

Точные уровни углерода для этих трех категорий не являются общепризнанными, и разные организации, выпускающие стандарты, определяют немного разные границы категорий. Тем не менее, в этой статье мы будем придерживаться разделов, определенных ASM International:

  1. Низкоуглеродистая сталь: Низкоуглеродистой сталью считается любая сталь с содержанием углерода менее 0,2 %. Низкоуглеродистая сталь, также называемая мягкой сталью, является одной из наиболее распространенных марок углеродистой стали. Этот сорт не может подвергаться термической обработке и может быть закален только холодной обработкой. Низкоуглеродистая сталь легко сваривается. Он очень пластичен, что может затруднить его обработку из-за истирания (вид износа, вызванный сцеплением между поверхностями скольжения) и образования длинной стружки. Добавление небольшого контролируемого количества серы может повысить обрабатываемость.
  2. Среднеуглеродистая сталь: Среднеуглеродистая сталь относится к стали с содержанием углерода от 0,2 до 0,5 %. Среднеуглеродистая сталь имеет хороший баланс между прочностью, пластичностью и износостойкостью. Этот сорт может подвергаться термической обработке для придания дополнительной прочности. Чем выше содержание углерода, тем лучше сплав поддается термообработке. Его также можно сварить. Однако для предотвращения образования хрупкого мартенсита в зоне термического влияния среднеуглеродистых сталей требуются специальные процедуры сварки перед и после нагрева.
  3. Высокоуглеродистая сталь: Высокоуглеродистая сталь относится к стали с содержанием углерода более 0,5 %, но менее 1 %. Высокоуглеродистая сталь, тип инструментальной стали, имеет самый высокий уровень содержания углерода. Это означает, что она имеет самую высокую прочность и твердость среди простых углеродистых сталей. Однако эти свойства достигаются за счет повышенной хрупкости. Высокоуглеродистые стали плохо поддаются сварке из-за их склонности к образованию большого количества хрупкого мартенсита в зоне термического влияния сварного шва, что увеличивает вероятность образования трещин в сварном шве.

Свойства углеродистой стали

Углеродистая сталь — это общий термин, используемый для описания различных составов стали. Механические свойства определенного сорта из каждой категории углеродистой стали (холоднокатаная углеродистая сталь) перечислены в Таблице 1 ниже с использованием правил нумерации AISI:

Таблица 1: Механические свойства углеродистой стали
Низкоуглеродистый (AISI 1020) Средний углерод (AISI 1040) Высокоуглеродистый (AISI 1095)

Модуль упругости (ГПа)

186

200

205

Твердость по Бринеллю

121

201

293

Предел текучести (МПа)

350

415

570

Предельная прочность на растяжение (МПа)

420

620

965

Относительное удлинение при разрыве (%)

15

25

9

Модуль сдвига (ГПа)

72

80

80

Применение углеродистой стали

Применение углеродистой стали практически безгранично. Каждая отрасль, от автомобилестроения до потребительских товаров, в той или иной форме использует детали из углеродистой стали. Некоторые известные примеры применения углеродистой стали перечислены ниже:

  1. Валы
  2. Кабели
  3. Структурные члены
  4. Проволока
  5. Шарикоподшипники
  6. Судостроение
  7. Трубопровод
  8. Пружины
  9. Сосуды под давлением
  10. Шкивы
  11. Шестерни
  12. Режущие инструменты
  13. Крепеж

Насколько прочна углеродистая сталь?

Прочность углеродистой стали зависит от содержания в ней углерода, уровня добавок Mn и Si, которые могут быть твердорастворными упрочнителями, а также проводимой с ней термической обработки.

Чем выше содержание углерода, тем выше его прочность. По этой причине высокоуглеродистая сталь имеет самую высокую прочность.

Высокоуглеродистая сталь обычно используется для резки или формовки инструментов из-за ее прочности и твердости. Однако высокоуглеродистая сталь хрупка и может треснуть и сломаться при воздействии ударных нагрузок.

Преимущества углеродистой стали

Углеродистая сталь является одной из наиболее широко используемых сталей благодаря целому ряду преимуществ, перечисленных ниже:

  1. Низкая стоимость : углеродистая сталь состоит из дешевого железа и углерода, что делает углеродистую сталь значительно дешевле, чем, например, легированная сталь. В легированной стали используются более дорогие элементы, такие как никель и хром.
  2. Термическая обработка: свойства среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей могут быть значительно улучшены за счет различных режимов термообработки. Термическая обработка может повысить предел прочности при растяжении, износостойкость, пластичность или твердость.
  3. Свариваемость: Углеродистые стали, особенно низкоуглеродистые стали, легко поддаются сварке. Свариваемость может быть дополнительно улучшена за счет использования марок стали с более низким содержанием углерода и соблюдения соответствующих процедур (предварительный нагрев, термическая обработка для снятия напряжения и т. д.) для свариваемой марки стали.

Недостатки углеродистой стали

Несмотря на преобладание углеродистой стали, все еще существуют некоторые недостатки, которые необходимо учитывать перед использованием углеродистой стали, перечисленные ниже:

  1. Плохая коррозионная стойкость: углеродистые стали имеют плохую коррозионную стойкость и должны быть обработаны для придания коррозионной стойкости. Эти виды обработки поверхности обычно представляют собой покраску и горячее цинкование.
  2. Плохая формуемость: высокоуглеродистая сталь прочная, но хрупкая. Его пониженная пластичность затрудняет формование этой марки углеродистой стали.
  3. Не поддается термической обработке (низкоуглеродистые стали): низкоуглеродистая сталь легко формуется, но не может быть упрочнена термической обработкой. Однако его можно подвергнуть холодной обработке для улучшения его свойств.

Максимальная рабочая температура углеродистой стали

Углеродистые стали обычно имеют максимальную рабочую температуру 427 ° C. Выше этой температуры углеродистые стали испытывают значительное снижение прочности из-за охрупчивания, вызванного графитизацией карбидов в стали.

Скорость коррозии также увеличивается с температурой, поэтому углеродистые стали, подвергающиеся воздействию агрессивных сред при повышенных температурах, обычно имеют низкую максимальную рабочую температуру.

Температура плавления углеродистой стали

В таблице 2 ниже приведены температуры солидуса (начала плавления) и температуры ликвидуса (окончания плавления) для трех распространенных марок углеродистых сталей:

Таблица 2: Температура плавления углеродистой стали
Низкоуглеродистый (AISI 1020) Средний углерод (AISI 1040) Высокоуглеродистый (AISI 1095)

Солидус (°C)

1420

1420

1410

Ликвидус (°C)

1460

1460

1450

Углеродистая сталь лучше мягкой стали?

Мягкая сталь — это подкатегория углеродистой стали, особенно низкоуглеродистой стали. При оценке того, лучше ли одна сталь другой, всегда следует учитывать область применения.

Лучшая сталь всегда та, которая может удовлетворить все требования к продукту при наименьших затратах. В некоторых случаях лучшим материалом будет мягкая (низкоуглеродистая) сталь.

Для применений, требующих более высокой прочности или других специальных свойств, лучше подходят стали с более высоким содержанием углерода.

В чем разница между углеродистой сталью и мягкой сталью?

Нет никакой разницы между углеродистой сталью и мягкой сталью. Мягкая сталь — это разговорное название, используемое для обозначения низкоуглеродистой стали. Мягкая сталь — это просто тип углеродистой стали.

В этой статье представлена ​​углеродистая сталь, объясняется, что это такое, и обсуждаются различные способы ее использования.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

шестнадцать + 1 =

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: