1. Uvod
Čelik podliježe modernu infrastrukturu, od visokostojećih nebodera do preciznih hirurških alata.
Kao najprikladniji materijal na svijetu, Nudi neusporedivu kombinaciju snage, Formalnost, i isplativost.
U ovom članku, Upoređujemo dvije osnovne čelične porodice-ugljični čelik i legure čelične hemije, nekretnine, obrada, ekonomija, i aplikacije.
Do kraja, shvatićete kada ćete odabrati svaku vrstu za vrhunske performanse i vrijednost.
2. Šta je ugljenični čelik?
Carbon čelik ističe se kao jedna od najjednostavnijih i najčešće korištenih čeličnih porodica.
Po definiciji, Sastoji se od prvenstveno željeza (FE) legirani ugljikom (C), obično se kreće od 0.05 % do 1.00 % po težini.
Dok povećavate sadržaj ugljika, Snaga legure i raspršivanje tvrdoće, ali duktilnost i pad zavarivanja.
Štaviše, kontrolirani dodaci mangana (Do ~ 1.65 %), silicijum (0.15 %-0.30 %), fosfor (< 0.04 %), i sumpor (< 0.05 %) Pomozite za prefinjujte strukturu zrna, Poboljšati ublažavanje, i poboljšati obradu.
Vrste ugljičnog čelika
Inženjeri klasificiraju ugljični čelik u četiri glavne kategorije na bazi procenta ugljika. Svaka kategorija služi izrazitu ulogu, od fleksibilnih žičanih oblika za nošenje otpornih na nošenje:
| Kategorija | C Sadržaj | Ključne osobine | Uobičajena upotreba |
|---|---|---|---|
| Nisko-ugljik (Blaga) | 0.05 %-0.30 % | Izvrsna duktilnost; Lako za zavarivanje i obrazac | Automobilski paneli, Strukturni oblici, ograda |
| Srednja ugljika | 0.30 %-0,60 % | Uravnotežena čvrstoća i žilavost; toplotni | Zupčanici, osovine, osovine, Komponente mašina |
| Visoko ugljik | 0.60 %-1,00 % | Visoka tvrdoća nakon gašenja; niža duktilnost | Alati za rezanje, Springs, žice velike čvrstoće |
| Vrlo visok ugljen | 1.00 %-2.00 % | Izuzetna otpornost na habanje; krhka u prirodi | Specijalni noževi, Shiear sečiva, Dijelovi |
3. Šta je od legura čelika?
Legura čelika Povećava običan čelik od ugljika namjerno dodavanjem jednog ili više legiranih elemenata,
poput hrom, nikl, molibdenum, vanadijum, Tungsten, ili boron, Da biste postigli svojstva koja samo sadržaj ugljika ne može dostaviti.
Ovi strateški dodaci pročišćavaju mikrostrukturu čelika, Poboljšajte mehaničke performanse, i poboljšati otpor na toplinu, nositi, i korozija.
Hemijski sastav i mikrostruktura
Svaki legirani element doprinosi izrazitim koristima:
- Hrom (0.5-2 %) promovira formiranje tvrdog hromira karbida i tanko, Sloj za pričvršćivanje oksida, Povećavanje otpornosti na habanje i zaštitu od korozije.
- Nikl (1-5 %) Stabilizira fazu austenita na sobnoj temperaturi, dramatično povećavajući žilavost - posebno u okruženjima sa niskim temperaturama.
- Molibdenum (0.2-0.6 %) povećava snagu puzanja i održava tvrdoću po povišenim temperaturama uzdržavanje rasta zrna.
- Vanadijum (0.1-0.3 %) Rafinira veličina zrna prethodne austenite, isporučujući veću snagu prinosa i vrhunskog života umora.
- Tungsten (do 2 %) i Boron (0.0005-0.003 %) Daljnje poboljšanje tvrdoće visoke temperature i ublaživosti dubokog dijela, respektivno.
Vrste legure čelika
Dok kombinacije mogu se široko varirati, Pet najčešćih grupa od legura uključuju:
| Legura porodica | Ključni elementi | Primarne beneficije | Primjer koristi |
|---|---|---|---|
| Steels niskog legura | CR, U, Mo (Ukupno ≤ 5 %) | Uravnotežena čvrstoća, umjerena žilavost, Poboljšana otvrdnjavanja | Automobilska šasija, Strukturne grede |
| Visoko-legurski čelici | CR, U, Mo, V, W (ukupno > 5 %) | Izuzetna snaga i korozija / otpornost na toplinu | Oštrice turbine, Dijelovi nuklearnih reaktora |
| Alatni čelici | CR, Mo, W, V, C (C do ~ 2 %) | Vrlo velika tvrdoća, otpornost na habanje, Stabilnost dimenzija | Alati za rezanje, udarci, umire |
| Nerđajući čelici | ≥ 10.5 % CR, Plus NI, Mo, N | Izvanredan otpor korozije, Formalnost | Medicinski instrumenti, oprema za preradu hrane |
| Madar čelici | U (15-25 %), Co, Mo, Od, Al (niska c) | Ultra visoka čvrstoća sa izvrsnom žilavošću | Aerospace Strukturne komponente, alat |
4. Dekodiranje četverocifrenog sistema oznake čelika AISI
Prije razlikovanja između čelika od ugljika i legure, Važno je razumjeti njihovu konvenciju o imenovanju.
U četveroznamenkasti AISI (Američki institut za gvožđe i čelik) sistem, Prve dvije znamenke identificiraju čeličnu porodicu, Dok konačne dvije znamenke određuju nominalni sadržaj ugljika (u stotinu od posto, do 1.00 %).
Na primjer, Prefiks "10" određuje lične karbonske čelike, sa 1018 koji sadrže 0.18 % ugljik i 1045 koji sadrže 0.45 %.
Isto tako, 4140-Dobroite svoje prefikse "41" - takođe označava 0.40 % ugljik, ali kao dio porodice legure hromih-molibdena.
Sve ocjene serije "10" uključuju male količine mangana, fosfor, i silicijum za prebivalitsku strukturu žitarica i poboljšanje čvrstoće.
Povremeno, pojavljuju se sufiks slova: L Označava dodanu vodstvo za vrhunsku obradu, i B signalizira buntovni dodatak koji poboljšava ublažavanje u dubljim dijelovima.
Dekodiranjem ovih prefiksa, cifre, i slova, Možete predvidjeti osnovnu hemiju čelika - i tako zaključiti njegovu tvrdoću, zatezna čvrstoća, i pogodnost za toplotnu obradu.
Ispod je kompletna četverocifrena tablica AISI / SAE, Pokazuje i obične pod-serije ugljika (10xx-15xx) i glavne serije od legure (2xxx-9xxx).
Posljednje dvije znamenke uvijek daju nominalni sadržaj C u stotincima od posto (e.g. "18" → 0.18 %C).
| Serija | Primarni legirani element(s) | Karbonski raspon (%C) | Ključne karakteristike / Bilješke |
|---|---|---|---|
| 10xx | Običan ugljen (C + MN, Str, I) | 0.06 - 0.60 | Hladno nacrtan & Vruće valjane karbonske čelike (e.g. 1018, 1045) |
| 11xx | Resulfurizirani ugljik (dodaje s) | 0.06 - 0.60 | Bolja obradivost (e.g. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfuriziran + repoforizirani ugljik (S + P) | 0.06 - 0.60 | Očvršćivanje uljem, Dobra obrada (e.g. 1215) |
| 15xx | Carbon visoke mangane (dodaje ~ 1.00 % MN) | 0.20 - 0.50 | Poboljšana snaga & obratnost (e.g. 1541) |
| 15BXX | Visoki mn + boron (B ~ 0.0005-0.003 %) | 0.20 - 0.50 | Poboljšana otvrdnjavanja |
2xxx |
Nikel čelici (Na 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Tough, Performanse niskog temp (e.g. 2024) |
| 3xxx | Nikel-hrom čelik (U + CR) | 0.06 - 0.60 | Otpor u toplotu & visoka čvrstoća (e.g. 3090) |
| 4xxx | Molibden čelici (Mo 0.2-0.5 %) | 0.06 - 0.60 | Snaga visoke temperature, Otpornost na koroziju (e.g. 4042) |
| 41xx | Chromium-molibden čelici (CR + Mo) | 0.06 - 0.60 | Dobra ublažavanja & otpornost na habanje (e.g. 4140, 4130) |
| 43xx | Chromium čelici (CR 0.5-1.5 %) | 0.06 - 0.60 | Visoka čvrstoća, neki otpor korozije (e.g. 4310) |
5xxx |
Chromium čelici (viši cr od 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Zračni čekići za očvršćivanje (e.g. 5140) |
| 6xxx | Chromium-vanadijum čelici (CR + V) | 0.06 - 0.60 | Proljeće & Dijelovi visokog stresa (e.g. 6150) |
| 7xxx | Volfram čelici (W 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Brza brzina & Hot-Radni alatni čelici (e.g. 7XXX HSS serija) |
| 8xxx | Nickel-hrom-molibden (AT + CR + I) | 0.06 - 0.60 | Ultra visoka čvrstoća & žilavost (e.g. 815M40) |
| 9xxx | Silicijumski-manganski čelici (I + MN) | 0.06 - 0.60 | Proljeće čelici, Visok život umora (e.g. 9260) |
Sufiks slova
- L: dodano olovo za poboljšanu obradu (e.g. 1215L)
- B: Dodan Boron za ublažavanje (e.g. 8640B)
- H: Posebni zahtjevi za ublažavanju (e.g. 4140H)
5. Mehanička svojstva legure čelika VS. Carbon čelik
Mehanički performanse Pokreće Izbor materijala, a legura vs ugljični čelik značajno se razlikuje u ključnim mjernim mjerilima.
Zatezna čvrstoća, Snaga prinosa, i duktilnost
- Carbon čelik: Ocjene niskog ugljenika (e.g. Aisi 1018) Izložite zatezne jake oko 400-550 MPa i prinose snage u blizini 250-350 MPa, s izduženjem u pauzi 20-30 %.
Srednje ugljični čelici (e.g. 1045) Gurnite zatezna čvrstoća na 600-800 MPa i prinos na 350-550 MPa, Ipak, duktilnost pada na ~ 15 %. - Legura čelika: Suprotno tome, a 4340 legura čelika, ugašen i kaljeno, postiže zatezne snage 1 100-1 400 MPA i jačina prinosa od 950-1 150 MPa, Dok održavate 12-18 % izduženje.
Samim tim, Legura čelika isporučuju do dvostruku čvrstoću ugljičnih čelika bez žrtvovanja prekomjerne duktilnosti.
Štaviše, Strateški dodaci - kao što su nikl ili vanadijum-daljni pomiješan ponašanje.
Na primjer, a 2 % Ni low-legura pojačava prinos testiranog na udarce od ~ 10 % u poređenju sa sličnim CR-MO čelikom.
Otpornost na tvrdoću i habanje
- Carbon čelik: Toplinski tretirani čelici sa visokim ugljikom mogu doći do 60 HRC (Rockwell tvrdoća c), Nudeći dobru otpornost na habanje noževima i oprugama.
Međutim, Kako ugljen prelazi 0.8 %, Formabilnost pati i puknu rizik tokom ustanka. - Legura čelika: Alatni čelici (e.g. D2 sa ~ 12 % CR, 1.5 % C) Pričvrstite 62-64 HRC sa odličnim zadržavanjem ivica.
U međuvremenu, Vruće radne radne ocjene volframa (H13) Dostavite 48-52 HRC zajedno sa crvenim tvrdoćom do 600 ° C.
Pored toga, Legura čelika često ugrađuju tvrde karbide (CR, V, ili w) koja odupiru abraziju daleko bolje od cementita u ugljičnom čeliku.
Samim tim, Vidjet ćete legure ojačane karbidom traju 2-3 × duže u kalupima sa visokim nošenjem i umire.
Čvrstoća i otpornost na udarce
- Carbon čelik: Niski ugljični čelici lako apsorbiraju udar, Davanje najpravitih V-nosačkih vrijednosti od 80-120 j na sobnoj temperaturi.
Još, Kako se ugljikovodi gore 0.6 %, žilavost u nastavku 20 J, Pravljenje krhkog loma vjerovatnije. - Legura čelika: Legure nikla (e.g. 8640 sa 2 % U) Održavajte najcrve vrijednosti iznad 50 J Čak i na -40 ° C.
Štaviše, Mikroalloyed vanadijum čelici pružaju visoku žilavost loma (K_ic > 80 MPa · √m) Rafiniranjem zrna.
Performanse umora i otpornost na puzanje
- Umor: Legura čelika obično pokazuju ograničenja umora oko 50-60 % vrhunske zatezne čvrstoće, u poređenju sa ~ 40 % za karbonske čelike.
Na primjer, ugašen i kaljeno 4140 Legura ima granicu izdržljivosti u blizini 650 MPa, dok 1045 lebde na 320 MPa. - Puzanje: Na povišenim temperaturama (> 300 ° C), ugljični čelici brzo se pucaju, Ograničavanje upotrebe u dijelovima izloženih topline.
Obrnuto, CR-MO i NI-CR-MO Legure održavaju stres od 200-300 MPa za hiljade sati i 550 ° C, Zahvaljujući stabilnim mrežama karbida koje ometaju klizanje graničnog zrna.
Poređenje tabele
| Nekretnina | Carbon čelik | Legura čelika |
|---|---|---|
| Zatezna čvrstoća | 400 - 550 MPa (Low-C); 600 - 800 MPa (MED-C) | 1 100 - 1 400 MPa (e.g. 4340 Qt) |
| Snaga prinosa | 250 - 350 MPa (Low-C); 350 - 550 MPa (MED-C) | 950 - 1 150 MPa (e.g. 4340 Qt) |
| Duktilnost (Izduženje na pauzi) | 20 - 30 % (Low-C); ~ 15 % (MED-C) | 12 - 18 % (4340 Qt); varira od legiranih elemenata |
| Tvrdoća (HRC nakon termičke obrade) | Do ~ 60 HRC (High-C); Rizik od pukotina iznad ~ 0.8 % C | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); održava se na povišenim temperaturama |
Charpy udar (20 ° C) |
80 - 120 J (Low-C); < 20 J (High-C) | ≥ 50 J AT -40 ° C (Ni-ležajevi); K_ic > 80 MPa · √m (V-Microalloyed čelici) |
| Ograničenje umora | ~ 40 % uts (e.g. ~ 320 MPa za 1045) | ~ 50 - 60 % uts (e.g. ~ 650 MPa za ugašeno i kaljeno 4140) |
| Otpornost na puzanje (u > 300 ° C) | Loš; Rabljena rabljena deformacija Koristite | Dobro; CR-MO i NI-CR-MO Legure održavaju 200 - 300 MPA stres preko hiljada sati na ~ 550 ° C |
| Otpornost na habanje | Ovise o cementitu; umjeren | Odlično zbog tvrdog cr, V, ili w karbide; traje 2 - 3 × duže u kalupima i umire |
Qt = ugašen i kaljeno
6. Otpornost na koroziju i okoliš
- Carbon čelik lako oksidira, Sa tipičnim stopama korozije od 0,1-0,5 mm / godišnje u ambijentalnim uvjetima.
- Legura čelika sa ≥ 12 % CR formira pasivni film, Smanjenje brzine korozije na < 0.01 mm / godina u mnogim okruženjima.
Štaviše, Dodaci nikla i molibdena borbeni pitting u medijima bogate hloridom. Iako premazi (pocinčavanje, epoksi) Pomozite ugljičnom čeliku, dodaju ponavljajuće troškove održavanja.
U kontrastu, Nerđajući i vremenske legure čelici isporučuju dugoročnu zaštitu samo putem metalurgije.
7. Toplinsko obradu i izrada legure čelika VS. Carbon čelik
- Carbon čelik Toplinski tretmani - žarenje, normalizacija, utapati & Tvrdoća i žilavost kontrole temperamenta. Na primjer, 1045 Čelik gadan u ulju postiže ~ 55 HRC.
- Legura čelika često podvrgava liječenje otopina (npr., 17-4PH nehrđajući) ili otvrdnjavanje starosti (npr., Na superalloys sa sjedištem u Nisu) za otključavanje vršnih svojstava.
Pored toga, Pad zavarivosti i formebilnosti kao legura.
Na primjer, običan ugljen 1018 zavarivanje lako sa zajedničkim elektrodama, budući da je austenitni nehrđajući 304l zahtijeva specijalizirano punilo i zagrijavanje.
Samim tim, TRABIRATORI PLAN STRIKTER KONTROLE I POSLEDNJI TRETMANI ZA GRADE VISOKOG.
8. Trošak i ekonomska razmatranja
| Faktor troškova | Carbon čelik | Legura čelika |
|---|---|---|
| Sirovina | $500 - $700 po tonu | $1,000 - $3,000 po tonu (ovisno o legurima) |
| Energija & Obrada | Umjeren (Jednostavniji topljenje & rafinirati) | Visoko (Vakuum tretmani, Precizne kompozicije) |
| Toplotni tretman | $50 - $200 po tonu | $200 - $800 po tonu (Kompleksni ciklusi) |
| Održavanje & Životni vijek | Periodični popravak povraćaj ili koroziju | Minimalno za nehrđajuće i vremenske poteze |
| Ukupni trošak vlasništva (TCO) | Donji uspon; viši održavanje | Veća investicija; Niži životni troškovi |
9. Primjene legure vs ugljični čelik
Aplikacije za karbonski čelik
- Izgradnja: Strukturne grede, Ojačavajuća barova
- Automobilski: Okviri, Paneli za tijelo
- Cjevovodi & Plodovi pod pritiskom: Ulja, voda, Transport gasa
- Generalni inženjering: Dijelovi mašina, Poljoprivredna oprema
Primjene od legure čelika
- Vazdušni prostor: Sredstvo za slijetanje, Diskovi turbine
- Ulja & Plin: Bušilice, Podpcesne ventile
- Generacija energije: Cijevi kotla, Komponente nuklearne reaktore
- Visoka temperatura okruženja: Dijelovi peći, Izmjenjivači topline
10. Koje su razlike između legure čelika vs ugljičnog čelika?
| Dimenzija | Carbon čelik | Legura čelika |
|---|---|---|
| Hemijski sastav | FE + 0.05-1.0 % C; Tragovi MN-a, I, Str, S | FE + C + ≥ 0.5 % Strateški elementi (CR, U, Mo, V, W, B, itd.) |
| Sadržaj ugljika | 0.05-2.0 % | Obično 0,1-1,0 %, ali varira od razreda |
| Primarni legirani elementi | Nijedan (izvan tragova) | CR, U, Mo, V, W, B - Svaka prilagođena tvrdoću, žilavost, korozija ili visoka čvrstoća |
| Zatezna čvrstoća | 400-800 MPa (niska- do visokog c) | 900-1 400 MPa (niska- do ugašenog & kaljeno) |
| Snaga prinosa | 250-550 MPa | 800-1 200 MPa |
| Izduženje (Duktilnost) | 20-30 % (Low-C); ~ 10-15 % (High-C) | 10-20 %, ovisno o mješavini legure |
| Tvrdoća (HRC) | ≤ 60 HRC (High-C ocjene) | 48-64 HRC (alatni čelici do 65 HRC; Tople radne ocjene ~ 50 HRC) |
Otpornost na habanje |
Umjeren (zasnovan na cementitu) | Visoko (HARD CARBIDS CR, V, W); 2-3 × Duži život u abraziji |
| Stopa korozije | 0.1-0,5 mm / yr neugodan | < 0.01 mm / yr za nehrđajuće / vremenske prilike; 0.02-0,1 mm / god za nisko-legura |
| Toplotna provodljivost | 45-60 W / m · K | 20-50 w / m · K (CR / NI legure niže; Mo / W legure viši) |
| Termička ekspanzija | 11-13 × 10⁻⁶ / k | 10-17 × 10⁻⁶ / K (nehrđajući ≈ 17; CR-MO ≈ 11; Djeca ≈ ≈ 13) |
| Električna otpornost | 10-15 μω · cm | 20-100 μω · cm (nehrđajući ~ 70; diže se sa legurom) |
| Magnetska propusnost | Visoko (≈ 200-1 000) | Varijabla: nisko u austeniti (~ 1-2), Visoko u feritnim / martenzitnim razredima |
| Toplotni tretman | Jednostavan: žaljenje, normalizovati, utapati & teme | Kompleksan: rješenje poslastica, Ovrtanje starosti, Precizne stope utapanja, Posebni termički tretmani za zavarivanje |
Izmišljotina |
Odlična formabilnost, zavarljivost, obratnost | Izazovnije kao legura za izdvajanje - zahtijeva čvršće kontrole i specijalizirani potrošni materijal |
| Gustina | ≈ 7.85 g / cm³ | 7.7-8,1 g / cm³ (malo varira s legiranim elementima) |
| Maksimalna temp usluga. | ≤ 300 ° C (iznad kojeg se ubrzava / skaliranje ubrzava) | 400-600 ° C (CR-MO); 700-1 000 ° C (Na superalloys sa sjedištem u Nisu) |
| Trošak (USD / tona) | $500- 700 dolara | $1 000- 3 dolara 000 (Ovisno o legiranoj složenosti) |
| Tipične aplikacije | Strukturne grede, Automobilski okviri, cjevovodi, Opći inženjerski dijelovi | Aerospace komponente, ulja & plinski ventili, Turbine elektrane, Alat za visoke performanse, medicinski |
11. Zaključak
Ukratko, Legura čelika VS. Carbon čelik svaki zauzima vitalne niše.
Carbon čelik nudi pristupačnost, Jednostavnost izrade, i adekvatne performanse za svakodnevne strukturne i mehaničke upotrebe.
Obrnuto, Legura čelika - sa svojim poboljšanim svojstvima otpornosti na mehaničku i koroziju - odgovara na zahtjeve zrakoplovnog prostora, energija, i ostale industrije visokog udjela.
Procjenom šminkanja hemikalija, Mehanički zahtevi, Mogućnosti izrade, i ekonomski faktori, Inženjeri mogu odabrati optimalni čelični stupanj koji birači trošak, trajnost, i performanse.
