1. Uvod
Čelični podupirući modernu infrastrukturu, Od uzdizanja nebodera do preciznih kirurških alata.
Kao najprivlačniji materijal na svijetu, Nudi neusporedivu kombinaciju snage, Oblikovanje, i isplativost.
U ovom članku, Usporedimo dvije temeljne čelične obitelji - karbonski čelik i legura - across kemiju, svojstva, obrada, ekonomija, i aplikacije.
Na kraju, Shvatit ćete kada odabrati svaku vrstu za vrhunske performanse i vrijednost.
2. Što je ugljični čelik?
Ugljični čelik Izdvaja se kao jedna od najjednostavnijih i najčešće korištenih čeličnih obitelji.
Po definiciji, sastoji se prije svega od željeza (FE) leguran ugljikom (C), obično se kreće od 0.05 % do 1.00 % težina.
Kako povećavate sadržaj ugljika, Povećavanje snage i tvrdoće legure - ali duktilnost i pad zavarivanja.
Štoviše, Kontrolirani dodaci mangana (do ~ 1,65 %), silicij (0.15 %–0.30 %), fosfor (< 0.04 %), i sumpor (< 0.05 %) Pomozite u pročišćavanju strukture zrna, Poboljšajte stvrdljivost, i poboljšati strojnost.
Vrste ugljičnog čelika
Inženjeri klasificiraju ugljikove čelika u četiri glavne kategorije na temelju postotka ugljika. Svaka kategorija služi izrazitoj ulozi, od fleksibilnih žičanih oblika do noževa otpornih na habanje:
| Kategorija | C sadržaj | Ključne osobine | Uobičajene uporabe |
|---|---|---|---|
| Ugljik (Blag) | 0.05 %–0.30 % | Izvrsna duktilnost; lako zavariti i formirati | Automobilski paneli, strukturni oblici, mačevanje |
| Srednjeg ugljika | 0.30 %–0.60 % | Uravnotežena snaga i žilavost; toplinski tretiran | Zupčanici, osovina, osovine, komponente strojeva |
| Visoko ugljik | 0.60 %–1,00 % | Visoka tvrdoća nakon gašenja; niža duktilnost | Alati za rezanje, izvori, žice visoke snage |
| Vrlo visoki ugljik | 1.00 %–2.00 % | Izuzetna otpornost na habanje; Krhta u prirodi | Specijalni noževi, oštrice, lijevani dijelovi |
3. Što je legiranje čelika?
Legirani čelik Podiže obični ugljični čelik namjerno dodavanjem jednog ili više legirajućih elemenata,
poput kroma, nikla, molibden, vanadijum, volfram, ili bor, Da bi se postigla svojstva koja sam sadržaj ugljika ne može isporučiti.
Ovi strateški dodaci usavršavaju mikrostrukturu čelika, Poboljšajte mehaničke performanse, i poboljšati otpornost na toplinu, nositi, i korozija.
Kemijski sastav i mikrostruktura
Svaki legirajući element doprinosi različitim prednostima:
- Krom (0.5–2 %) promiče stvaranje tvrdog kroma i tanke, adhezivni oksidni sloj, Povećavanje otpornosti na habanje i zaštitu od korozije.
- Nikla (1–5 %) stabilizira fazu austenita na sobnoj temperaturi, Dramatično povećana žilavost-posebno u okruženjima s niskim temperaturama.
- Molibden (0.2–0.6 %) Povećava čvrstoću puzanja i održava tvrdoću na povišenim temperaturama ograničavajući rast zrna.
- Vanadijum (0.1–0.3 %) Usavršava prethodno-austenit veličinu zrna, Pružanje veće snage prinosa i superiorni život umora.
- Volfram (do 2 %) i Bor (0.0005–0,003 %) Nadalje poboljšati tvrdoću i učvršćivanje u dubokom presjeku, odnosno.
Vrste legurnog čelika
Dok se kombinacije mogu uvelike razlikovati, Pet najčešćih skupina od legura uključuje:
| Obitelj legura | Ključni elementi | Primarne koristi | Primjer koristi |
|---|---|---|---|
| Nisko-legura čelika | CR, U, Mokar (Ukupno ≤ 5 %) | Uravnotežena snaga, umjerena žilavost, Poboljšana otvrdnjava | Automobilska šasija, strukturne grede |
| Čelini visokih legura | CR, U, Mokar, V, W (ukupno > 5 %) | Izuzetna čvrstoća i korozija/otpornost na toplinu | Turbinske lopatice, dijelovi nuklearnog reaktora |
| Alatni čelici | CR, Mokar, W, V, C (C do ~ 2 %) | Vrlo visoka tvrdoća, nositi otpor, dimenzijska stabilnost | Alati za rezanje, udarci rukama, umiroviti |
| Nehrđajući čelici | ≥ 10.5 % CR, plus ni, Mokar, N | Izvanredna otpornost na koroziju, Oblikovanje | Medicinski instrumenti, oprema za obradu hrane |
| Maragira | U (15–25 %), Co, Mokar, Od, Al (nizak c) | Ultra-visoka snaga s izvrsnom žilavošću | Zrakoplovne strukturne komponente, alati |
4. Dekodiranje četveroznamenkastih sustava oznake čelika AISI
Prije razlikovanja ugljika i legura, Važno je razumjeti njihovu konvenciju o imenovanju.
U četveroznamenkasti AISI (Američki institut za željezo i čelik) sistem, Prve dvije znamenke identificiraju čeličnu obitelj, Dok posljednje dvije znamenke određuju nominalni sadržaj ugljika (u stotini posto, do 1.00 %).
Na primjer, "10" prefiks označava obične ugljikove čelika, s 1018 koji sadrži 0.18 % ugljik i 1045 koji sadrži 0.45 %.
Također, 4140—Spitujte njegov "41" prefiks - također označava 0.40 % ugljik, Ali kao dio obitelji od fromium-molibdena.
Sve ocjene „10“ serije uključuju male količine mangana, fosfor, i silicij za pročišćavanje strukture zrna i poboljšati snagu.
Povremeno, Pojavljuju se sufiks slova: L označava dodano olovo za vrhunsku obradu, i B signalizira dodatak borona koji povećava otvrdljivost u dubljim dijelovima.
Dekodiranjem ovih prefiksa, znamenke, I slova, Možete predvidjeti osnovnu kemiju čelika - i tako zaključiti njegovu tvrdoću, zatečna čvrstoća, i prikladnost za toplinsku obradu.
Ispod je kompletna četveroznamenkasti AISI/SAE brojevi za numeriranje, pokazujući obje podređene serije s običnim ugljikom (10xx - 15xx) i glavna serija čelika od legura (2xxx - 9xxx).
Posljednje dvije znamenke uvijek daju nominalni sadržaj C u stotini posto (npr.. "18" → 0.18 %C).
| Niz | Primarni legirajući element(s) | Ugljik (%C) | Ključne karakteristike / Bilješke |
|---|---|---|---|
| 10xx | Običan ugljik (C + MN, P, I) | 0.06 - 0.60 | Hladno crtana & Toplo valjani ugljični čelici (npr.. 1018, 1045) |
| 11xx | Restaumirani ugljik (Dodaje s) | 0.06 - 0.60 | Bolja obradivost (npr.. 1117, 1144) |
| 12xx | Režufoniran + refosfornizirani ugljik (S+P) | 0.06 - 0.60 | Nafta, Dobra obradivost (npr.. 1215) |
| 15xx | Visoko-manganski ugljik (dodaje ~ 1,00 % MN) | 0.20 - 0.50 | Poboljšana snaga & obradivost (npr.. 1541) |
| 15Bxx | Visoki MN + bor (B ~ 0,0005–0,003 %) | 0.20 - 0.50 | Pojačana otvrdnjava |
2xxx |
Čelici nikla (Na 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Tvrd, Performanse niskog temp (npr.. 2024) |
| 3xxx | Nikl-kromijski čelici (U + CR) | 0.06 - 0.60 | Otporan na toplinu & visoka čvrstoća (npr.. 3090) |
| 4xxx | Čelici molibdena (MO 0,2–0,5 %) | 0.06 - 0.60 | Snaga visoke temp, otpor korozije (npr.. 4042) |
| 41xx | Kromium-molibdenski čelici (CR + Mokar) | 0.06 - 0.60 | Dobra stvrdljivost & nositi otpor (npr.. 4140, 4130) |
| 43xx | Kromirani čelici (Cr 0,5–1,5 %) | 0.06 - 0.60 | Visoka snaga, neki otpor korozije (npr.. 4310) |
5xxx |
Kromirani čelici (viši Cr od 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Alat za otvrdnjavanje zraka (npr.. 5140) |
| 6xxx | Krom-vanadijski čelici (CR + V) | 0.06 - 0.60 | Proljeće & Dijelovi visokog stresa (npr.. 6150) |
| 7xxx | Volfrom (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | Brza brzina & Alatni čeli s vrućim radom (npr.. 7XXX HSS serija) |
| 8xxx | Nikl-kromium-molibden (At + cr + i) | 0.06 - 0.60 | Ultra visoka čvrstoća & žilavost (npr.. 815M40) |
| 9xxx | Silikonski-mangan-čelici (I + MN) | 0.06 - 0.60 | Proljetni čelici, Život velikog umora (npr.. 9260) |
Sufiks slova
- L: Dodano olovo za poboljšanu obradivost (npr.. 1215L)
- B: Dodani bor za otvrdljivost (npr.. 8640B)
- H: Posebni zahtjevi za otvrdbom (npr.. 4140H)
5. Mehanička svojstva legurnog čelika vs. Ugljični čelik
Mehanički izvedba pokreće odabir materijala, i legura protiv ugljičnog čelika značajno se razilaze u ključnim mjernim podacima.
Zatečna čvrstoća, Snaga popuštanja, i duktilnost
- Ugljični čelik: Ocjene s niskim udjelom ugljika (npr.. Aisi 1018) Pokažite vlačne jačine oko 400–550 MPa i čvrstoće prinosa u blizini 250–350 MPa, s izduženjem na pauzi od 20–30 %.
Čelici srednjeg ugljika (npr.. 1045) Gurnite zateznu čvrstoću na 600–800 MPa i popunite na 350–550 MPa, Ipak duktilnost pada na ~ 15 %. - Čelik: Za razliku od, a 4340 čelik, ugašen i ublažen, postiže zatezne snage 1 100–1 400 MPA i čvrstoća prinosa od 950–1 150 MPA, zadržavajući 12-18 % produženje.
Stoga, Alloy čelici isporučuju se do dvostruko veće snage ugljikovih čelika bez žrtvovanja prekomjerne duktilnosti.
Štoviše, Strateški dodaci - poput nikla ili vanadijuma - u ponašanju u prinosu u prikladu.
Na primjer, a 2 % NI niska razina razreda povećava prinos testirani utjecaj za ~ 10 % u usporedbi sa sličnim Cr-Mo čelikom.
Tvrdoća i otpornost na habanje
- Ugljični čelik: Toplinski tretirani čelici visokog ugljika mogu doći do 60 Hrc (Rockwell Tvrdoća c), Nudeći dobru otpornost na habanje za oštrice i opruge.
Međutim, Kako ugljik premašuje 0.8 %, Emploability pati i pucajući rizik tijekom gašenja porasta. - Čelik: Alatni čelici (npr.. D2 s ~ 12 % CR, 1.5 % C) postići 62–64 HRC s izvrsnim zadržavanjem ruba.
U međuvremenu, Volfram-legura (H13) isporučiti 48–52 HRC zajedno s crvenom tvrdom do 600 ° C.
Uz to, leguri čelika često ugrađuju tvrde karbide (CR, V, ili w) koji se odupiru abraziji daleko bolje od cementa u ugljičnom čeliku.
Stoga, Vidjet ćete legure ojačane karbidom traju 2–3 × duže u kalupima s visokim odjećom i umire.
Žilavost i otpornost na udarce
- Ugljični čelik: Čelici s niskim udjelom ugljika lako apsorbiraju utjecaj, Donošenje vrijednosti charpy v-netch od 80–120 j na sobnoj temperaturi.
Još, Kako se ugljik penje gore 0.6 %, Čvrstoća se slijeva ispod 20 J, čineći krhki prijelom vjerojatnijim. - Čelik: Legure koje nose nikal (npr.. 8640 s 2 % U) Održavajte gornje vrijednosti charpy 50 J čak i na –40 ° C.
Štoviše, Mikrolistirani vanadijski čelici isporučuju veliku žilavost prijeloma (K_ic > 80 MPA · √m) Očinivanjem veličine zrna.
Performanse umor i otpornost na puzanje
- Umor: Leguri čelika obično pokazuju granice umora oko 50–60 % krajnje zatezne čvrstoće, u usporedbi s ~ 40 % za ugljične čelike.
Na primjer, ugašen 4140 legura ima ograničenje izdržljivosti u blizini 650 MPA, dok 1045 lebdi na 320 MPA. - Puzati: Pri povišenim temperaturama (> 300 ° C), Ugljični čelici brzo puze, Ograničavajuća upotreba u dijelovima izloženim toplinom.
Obrnuto, Cr-Mo i Ni-Cr-Mo leguri održavaju stres od 200–300 MPa tijekom tisuća sati i 550 ° C, Zahvaljujući stabilnim mrežama karbida koje sprečavaju klizanje granice zrna.
Tablica za usporedbu
| Vlasništvo | Ugljični čelik | Čelik |
|---|---|---|
| Zatečna čvrstoća | 400 - 550 MPA (nisko-c); 600 - 800 MPA (Med-c) | 1 100 - 1 400 MPA (npr.. 4340 Qt) |
| Snaga popuštanja | 250 - 350 MPA (nisko-c); 350 - 550 MPA (Med-c) | 950 - 1 150 MPA (npr.. 4340 Qt) |
| Duktilnost (Izduženje na pauzi) | 20 - 30 % (nisko-c); ~ 15 % (Med-c) | 12 - 18 % (4340 Qt); varira od legirajućih elemenata |
| Tvrdoća (HRC nakon toplinske obrade) | Do ~ 60 sati (visoko-c); Rizik od ugašenja pukotina iznad ~ 0,8 % C | 48 - 52 Hrc (H13); 62 - 64 Hrc (D2); održava se na povišenim temperaturama |
Charpy utjecaj (20 ° C) |
80 - 120 J (nisko-c); < 20 J (visoko-c) | ≥ 50 J na –40 ° C (NI noseći ocjene); K_ic > 80 MPA · √m (V-Mikrolelirani čelici) |
| Ograničenje zamora | ~ 40 % UTS (npr.. ~ 320 MPa za 1045) | ~ 50 - 60 % UTS (npr.. ~ 650 MPa za ugašeno i podložno 4140) |
| Otpornost na puzanje (na > 300 ° C) | Siromašan; Koriste brze ograničenja deformacije | Dobro; Cr-Mo i Ni-Cr-Mo legure održavaju 200 - 300 MPA stres tijekom tisuća sati na ~ 550 ° C |
| Nositi otpor | Ovisi o cementitu; umjeren | Izvrsno zbog tvrdog Cr, V, ili w karbidi; traje 2 - 3 × duže u kalupima i umiru |
Qt = ugašen i ublažen
6. Korozija i otpornost na okoliš
- Ugljični čelik oksidira, s tipičnim stopama korozije od 0,1–0,5 mm/godišnje u ambijentalnim uvjetima.
- Čelik s ≥ 12 % Cr tvori pasivirajući film, Smanjenje stope korozije na < 0.01 mm/godina u mnogim okruženjima.
Štoviše, Nikl i Molybden Adsudes Borbena borba u medijama bogatim kloridom. Iako premazi (galvanizirajući, epoksidan) Pomozite ugljičnim čelikom, Dodaju ponavljajuće troškove održavanja.
Za razliku od, Nehrđajući i vremenski vremenski legirani čelini pružaju dugoročnu zaštitu samo kroz metalurgiju.
7. Toplinska obrada i izrada legiranog čelika vs. Ugljični čelik
- Ugljični čelik Toplinski tretmani - ranjenje, normaliziranje, ugasiti & temperament - tvrdoća kontrole i žilavost. Na primjer, 1045 Čelik ugašen u ulju postiže ~ 55 HRC.
- Čelik Često se podvrgava liječenju otopine (Npr., 17-4PH nehrđajući) ili stvrdnjavanje starosti (Npr., NI sa sjedištem) za otključavanje vršnih svojstava.
Uz to, Zavarivost i formabilnost opadaju kako se povećava sadržaj legura.
Na primjer, običan ugljik 1018 Lako se zavara s uobičajenim elektrodama, Dok Austenitni nehrđajući 304L zahtijeva specijalizirano punilo i predgrijavanje.
Stoga, Proizvođači planiraju strože kontrole i tretmane nakon najave za visoke razine.
8. Trošak i ekonomska razmatranja
| Faktor troškova | Ugljični čelik | Čelik |
|---|---|---|
| Sirovina | $500 - $700 po tonu | $1,000 - $3,000 po tonu (Ovisno o legurama) |
| Energija & Obrada | Umjeren (jednostavnija talina & pročistiti) | Visok (tretmani vakuuma, precizne skladbe) |
| Toplotna obrada | $50 - $200 po tonu | $200 - $800 po tonu (Složeni ciklusi) |
| Održavanje & Životni ciklus | Periodično obnavljanje ili popravak korozije | Minimalno za čelike od nehrđajućih i vremenskih prilika |
| Ukupni troškovi vlasništva (Tco) | Niže unaprijed; veće održavanje | Veće ulaganje; niži troškovi životnog ciklusa |
9. Primjene legure protiv ugljičnog čelika
Primjena od ugljičnog čelika
- Konstrukcija: Strukturne grede, pojačane šipke
- Automobilizam: Okviri, ploče za tijelo
- Cjevovodi & Plovila za pritisak: Ulje, voda, transport plina
- Opći inženjering: Dijelovi strojeva, poljoprivredna oprema
Aplikacije od legiranja čelika
- Aerospace: Podvozje, turbinski diskovi
- Ulje & Plin: Bušilica, Podmorni ventili
- Stvaranje energije: Cijevi za kotlove, komponente nuklearnog reaktora
- Okruženja visoke temperature: Dijelovi peći, izmjenjivači topline
10. Koje su razlike između legiranog čelika u odnosu na ugljični čelik?
| Dimenzija | Ugljični čelik | Čelik |
|---|---|---|
| Kemijski sastav | FE + 0.05–1.0 % C; tragovi Mn, I, P, S | FE + C + ≥ 0.5 % Strateški elementi (CR, U, Mokar, V, W, B, itd.) |
| Udio ugljika | 0.05–2.0 % | Obično 0,1–1,0 %, ali varira od ocjene |
| Primarni legirajući elementi | Nijedan (Iza tragova) | CR, U, Mokar, V, W, B - svaki prilagođen tvrdoći, žilavost, korozija ili visoka T čvrstoća |
| Zatečna čvrstoća | 400–800 MPa (nizak- do visokog c) | 900–1 400 MPA (nizak- do visokog nivoa ugašenog & temperiran) |
| Snaga popuštanja | 250–550 MPa | 800–1 200 MPA |
| Produženje (Duktilnost) | 20–30 % (nisko-c); ~ 10–15 % (visoko-c) | 10–20 %, Ovisno o mješavini legura |
| Tvrdoća (Hrc) | ≤ 60 Hrc (visoke C ocjene) | 48–64 hrc (Alatni čelici do 65 Hrc; Vruće radne ocjene ~ 50 HRC) |
Nositi otpor |
Umjeren (sa sjedištem u cementitu) | Visok (Tvrdi karbidi Cr, V, W); 2–3 × duži život u abraziji |
| Stopa korozije | 0.1–0,5 mm/god bez približavanja | < 0.01 mm/yr za nehrđajuće/vremenske prilike; 0.02–0,1 mm/god za nisku leguru |
| Toplinska vodljivost | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Cr/Ni legure niže; Mo/W legure više) |
| Toplinsko širenje | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (nehrđajući ≈ 17; Cr-mo ≈ 11; Djeca ≈Ed 13) |
| Električni otpor | 10–15 µω · cm | 20–100 µω · cm (nehrđajuće ~ 70; uzdiže se sa sadržajem legura) |
| Magnetska propusnost | Visok (≈ 200–1 000) | Promjenljiv: nisko austenitski (~ 1–2), visok feritni/martenzitični razredi |
| Toplotna obrada | Jednostavan: ispeći, normalizirati, ugasiti & temperament | Kompleks: liječenje rješenja, doradan, Precizne stope gašenja, Posebni tretmani topline nakon navale |
Izrada |
Izvrsna oblikovanje, zavarivost, obradivost | Izazovniji kako se povećava sadržaj legura - tražite čvršće kontrole i specijalizirane potrošne materijale |
| Gustoća | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (lagano varira s legirajućim elementima) |
| Maksimalna temp. Service. | ≤ 300 ° C (iznad kojeg puzanje/skaliranje ubrzava) | 400–600 ° C (Cr-mo); 700–1 000 ° C (NI sa sjedištem) |
| Koštati (USD/ton) | $500- 700 dolara | $1 000- $ 3 000 (Ovisno o legiranju složenosti) |
| Tipične primjene | Strukturne grede, Automobilski okviri, cjevovodi, Opće inženjerski dijelovi | Zrakoplovne komponente, ulje & ventili za plin, turbine za biljke, alat visokih performansi, medicinski |
11. Zaključak
Ukratko, legura čelika vs. Ugljični čelik svaki zauzima vitalne niše.
Ugljični čelik nudi pristupačnost, Jednostavnost izrade, i adekvatne performanse za svakodnevnu strukturnu i mehaničku upotrebu.
Obrnuto, Legura čelika-s poboljšanim mehaničkim i korozijskim svojstvima-dodjeljuje zahtjeve zrakoplovstva, energija, i druge industrije visokih uloga.
Procjenom kemijskog make-up-a, mehanički zahtjevi, Mogućnosti izrade, i ekonomski čimbenici, Inženjeri mogu odabrati optimalnu čeličnu ocjenu koja uravnotežuje cijenu, izdržljivost, i performanse.
