1. Pengenalan
Keluli mendasari infrastruktur moden, dari pencakar langit yang menjulang tinggi ke alat pembedahan ketepatan.
Seperti bahan yang paling dikitar semula di dunia, ia menawarkan gabungan kekuatan yang tidak dapat ditandingi, Kebolehbaburan, dan keberkesanan kos.
Dalam artikel ini, Kami membandingkan dua keluarga keluli asas -keluli karbon dan aloi -keluli -meraih kimia, sifat, pemprosesan, Ekonomi, dan aplikasi.
Pada akhir, Anda akan memahami bila memilih setiap jenis untuk prestasi dan nilai puncak.
2. Apa itu keluli karbon?
Keluli karbon menonjol sebagai salah satu keluarga keluli yang paling mudah dan paling banyak digunakan.
Mengikut definisi, ia terdiri terutamanya daripada besi (Fe) Dikeluarkan dengan karbon (C), biasanya mulai dari 0.05 % ke 1.00 % mengikut berat badan.
Semasa anda meningkatkan kandungan karbon, Kekuatan dan kekerasan aloi kenaikan -tetapi kemuluran dan kemerosotan kebolehkalasan.
Selain itu, penambahan mangan yang terkawal (sehingga ~ 1.65 %), silikon (0.15 %-0.30 %), Fosforus (< 0.04 %), dan sulfur (< 0.05 %) bantu memperbaiki struktur bijirin, meningkatkan kebolehkerjaan, dan meningkatkan kebolehkerjaan.
Jenis keluli karbon
Jurutera mengklasifikasikan keluli karbon ke dalam empat kategori utama berdasarkan peratusan karbon. Setiap kategori berfungsi sebagai peranan yang berbeza, dari wireforms fleksibel hingga bilah tahan haus:
| Kategori | Kandungan c | Ciri -ciri utama | Kegunaan biasa |
|---|---|---|---|
| Karbon rendah (Ringan) | 0.05 %-0.30 % | Kemuluran yang sangat baik; senang dikimpal dan membentuk | Panel automotif, bentuk struktur, pagar |
| Karbon sederhana | 0.30 %-0.60 % | Kekuatan dan ketangguhan seimbang; Haba-dirawat | Gear, gandar, aci, Komponen jentera |
| Karbon tinggi | 0.60 %-1.00 % | Kekerasan tinggi selepas pelindapkejutan; Kemuluran yang lebih rendah | Alat pemotongan, mata air, Kabel kekuatan tinggi |
| Karbon yang sangat tinggi | 1.00 %-2.00 % | Rintangan haus yang luar biasa; rapuh dalam alam | Pisau khusus, bilah ricih, Bahagian Cast |
3. Apa itu keluli aloi?
Keluli aloi Meningkatkan keluli karbon biasa dengan sengaja menambahkan satu atau lebih elemen aloi,
seperti kromium, nikel, Molybdenum, Vanadium, tungsten, atau boron, untuk mencapai sifat yang tidak dapat disampaikan oleh kandungan karbon sahaja.
Penambahan strategik ini memperbaiki mikrostruktur keluli, Meningkatkan prestasi mekanikal, dan meningkatkan ketahanan terhadap panas, Pakai, dan kakisan.
Komposisi kimia dan struktur mikro
Setiap elemen aloi menyumbang manfaat yang berbeza:
- Chromium (0.5-2 %) menggalakkan pembentukan karbida kromium keras dan nipis, Lapisan oksida yang berpegang teguh, meningkatkan rintangan haus dan perlindungan kakisan.
- Nikel (1-5 %) menstabilkan fasa austenit pada suhu bilik, Meningkatkan ketangguhan secara dramatik-terutamanya dalam persekitaran suhu rendah.
- Molybdenum (0.2-0.6 %) Meningkatkan kekuatan merayap dan mengekalkan kekerasan pada suhu tinggi dengan menahan pertumbuhan bijirin.
- Vanadium (0.1-0.3 %) Menapis saiz bijirin sebelumnya, memberikan kekuatan hasil yang lebih tinggi dan kehidupan keletihan yang unggul.
- Tungsten (hingga 2 %) dan Boron (0.0005-0.003 %) Selanjutnya meningkatkan kekerasan suhu tinggi dan kebolehkerjaan yang mendalam, masing -masing.
Jenis keluli aloi
Walaupun kombinasi dapat berubah secara meluas, Lima kumpulan keluli aloi yang paling biasa termasuk:
| Keluarga aloi | Elemen utama | Faedah utama | Contoh penggunaan |
|---|---|---|---|
| Keluli rendah aloi | Cr, Dalam, Mo (Jumlah ≤ 5 %) | Kekuatan seimbang, ketangguhan sederhana, Peningkatan Hardenability | Casis automotif, rasuk struktur |
| Keluli aloi tinggi | Cr, Dalam, Mo, V, W (Jumlah > 5 %) | Kekuatan luar biasa dan rintangan kakisan/haba | Bilah turbin, bahagian reaktor nuklear |
| Keluli Alat | Cr, Mo, W, V, C (C hingga ~ 2 %) | Kekerasan yang sangat tinggi, Pakai rintangan, kestabilan dimensi | Alat pemotongan, pukulan, mati |
| Keluli tahan karat | ≥ 10.5 % Cr, ditambah ni, Mo, N | Rintangan kakisan yang luar biasa, Kebolehbaburan | Instrumen perubatan, Peralatan pemprosesan makanan |
| Keluli Maraging | Dalam (15-25 %), Co, Mo, Dari, Al (rendah c) | Kekuatan ultra tinggi dengan ketangguhan yang sangat baik | Komponen struktur aeroangkasa, perkakas |
4. Menyahkod sistem penetapan keluli AISI empat digit
Sebelum membezakan antara keluli karbon dan aloi, penting untuk memahami konvensyen penamaan mereka.
Di AISI empat angka (Institut Besi dan Keluli Amerika) sistem, Dua digit pertama mengenal pasti keluarga keluli, Walaupun dua digit terakhir menentukan kandungan karbon nominal (pada seratus peratus, hingga 1.00 %).
Contohnya, awalan "10" menunjuk keluli karbon biasa, dengan 1018 mengandungi 0.18 % karbon dan 1045 mengandungi 0.45 %.
Begitu juga, 4140-Kesaan awalan "41" -juga menandakan 0.40 % Karbon, Tetapi sebagai sebahagian daripada keluarga aloi Chromium-Molybdenum.
Semua gred siri "10" termasuk sejumlah kecil mangan, Fosforus, dan silikon untuk memperbaiki struktur bijirin dan meningkatkan kekuatan.
Kadang -kadang, Huruf akhiran muncul: L. Menunjukkan plumbum tambahan untuk kebolehkerjaan yang unggul, dan B menandakan penambahan boron yang meningkatkan kebolehkerjaan di bahagian yang lebih dalam.
Dengan menyahkod awalan ini, Digit, dan surat, anda boleh meramalkan kimia asas keluli -dan dengan itu menyimpulkan kekerasannya, kekuatan tegangan, dan kesesuaian untuk rawatan haba.
Berikut adalah jadual penomboran AISI/SAE empat digit yang lengkap, menunjukkan kedua-dua sub-siri karbon (10XX -15XX) dan siri keluli aloi utama (2XXX -9XXX).
Dua digit terakhir selalu memberikan kandungan n nominal pada seratus peratus (mis. "18" → 0.18 %C).
| Siri | Elemen aloi utama(s) | Julat karbon (%C) | Ciri -ciri utama / Nota |
|---|---|---|---|
| 10xx | Karbon biasa (C + Mn, P, Dan) | 0.06 - 0.60 | Sejuk & Keluli karbon panas (mis. 1018, 1045) |
| 11xx | Karbon resulfurisasi (menambah s) | 0.06 - 0.60 | Kebolehkerjaan yang lebih baik (mis. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfurized + Rephosphorized Carbon (S+p) | 0.06 - 0.60 | Pengerasan minyak, kebolehkerjaan yang baik (mis. 1215) |
| 15xx | Karbon tinggi-mangan (menambah ~ 1.00 % Mn) | 0.20 - 0.50 | Kekuatan yang lebih baik & kebolehkerjaan (mis. 1541) |
| 15Bxx | Tinggi Mn + boron (B ~ 0.0005-0.003 %) | 0.20 - 0.50 | Hardenability yang dipertingkatkan |
2xxx |
Keluli nikel (Pada 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Sukar, prestasi rendah-temp (mis. 2024) |
| 3xxx | Keluli Nickel-Chromium (Dalam + Cr) | 0.06 - 0.60 | Menentang haba & kekuatan tinggi (mis. 3090) |
| 4xxx | Keluli Molybdenum (MO 0.2-0.5 %) | 0.06 - 0.60 | Kekuatan Temp Tinggi, Rintangan kakisan (mis. 4042) |
| 41xx | Keluli Chromium-Molybdenum (Cr + Mo) | 0.06 - 0.60 | Kebolehkerjaan yang baik & Pakai rintangan (mis. 4140, 4130) |
| 43xx | Keluli Chromium (CR 0.5-1.5 %) | 0.06 - 0.60 | Kekuatan tinggi, beberapa rintangan kakisan (mis. 4310) |
5xxx |
Keluli Chromium (CR yang lebih tinggi daripada 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Keluli alat pengerasan udara (mis. 5140) |
| 6xxx | Keluli Chromium-Vanadium (Cr + V) | 0.06 - 0.60 | Spring & bahagian tekanan tinggi (mis. 6150) |
| 7xxx | Keluli Tungsten (W 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Berkelajuan tinggi & Keluli alat kerja panas (mis. 7Siri XXX HSS) |
| 8xxx | Nickel-Chromium-Molybdenum (Di + cr + i) | 0.06 - 0.60 | Kekuatan ultra tinggi & ketangguhan (mis. 815M40) |
| 9xxx | Keluli Silicon-Mangan (Dan + Mn) | 0.06 - 0.60 | Keluli Spring, Kehidupan keletihan yang tinggi (mis. 9260) |
Huruf akhiran
- L.: Menambah plumbum untuk kebolehkerjaan yang lebih baik (mis. 1215L.)
- B: tambah boron untuk kebolehkerjaan (mis. 8640B)
- H: Keperluan Hardenability Khas (mis. 4140H)
5. Sifat mekanikal keluli aloi vs. Keluli karbon
Prestasi mekanikal memacu pemilihan bahan, dan aloi vs keluli karbon menyimpang dengan ketara dalam metrik utama.
Kekuatan tegangan, Kekuatan hasil, dan kemuluran
- Keluli karbon: Gred rendah karbon (mis. Aisi 1018) menunjukkan kekuatan tegangan sekitar 400-550 MPa dan kekuatan hasil berhampiran 250-350 MPa, dengan pemanjangan pada rehat 20-30 %.
Keluli Medium-Carbon (mis. 1045) Tekan kekuatan tegangan hingga 600-800 MPa dan hasil kepada 350-550 MPa, namun kemuluran jatuh ke ~ 15 %. - Keluli aloi: Sebaliknya, a 4340 keluli aloi, dipadamkan dan marah, mencapai kekuatan tegangan 1 100-1 400 Kekuatan MPA dan hasil 950-1 150 MPA, sambil mengekalkan 12-18 % pemanjangan.
Akibatnya, Keluli aloi menyampaikan sehingga dua kali kekuatan keluli karbon tanpa mengorbankan kemuluran yang berlebihan.
Selain itu, Penambahan Strategik -seperti nikel atau vanadium -perlahan perilaku yang menyesuaikan.
Contohnya, a 2 % Ni gred aloi rendah meningkatkan hasil yang diuji kesan sebanyak ~ 10 % berbanding dengan keluli cr-mo yang serupa.
Kekerasan dan rintangan haus
- Keluli karbon: Keluli karbon tinggi yang dirawat haba dapat dicapai 60 HRC (Kekerasan Rockwell c), Menawarkan rintangan haus yang baik untuk bilah dan mata air.
Namun begitu, kerana karbon melebihi 0.8 %, kebolehbaburan menderita dan memecahkan risiko semasa pelindapkejutan meningkat. - Keluli aloi: Keluli Alat (mis. D2 dengan ~ 12 % Cr, 1.5 % C) mencapai 62-64 HRC dengan pengekalan kelebihan yang sangat baik.
Sementara itu, gred kerja panas tungsten-aloi (H13) menyampaikan 48-52 HRC bersama-sama dengan kemerosotan merah sehingga 600 ° C..
Di samping itu, Keluli aloi sering membenamkan karbida keras (Cr, V, atau w) yang menentang lelasan jauh lebih baik daripada simen dalam keluli karbon.
Akibatnya, Anda akan melihat aloi bertetulang karbida 2-3 × lebih lama dalam acuan yang dipakai tinggi dan mati.
Ketahanan dan rintangan kesan
- Keluli karbon: Keluli karbon rendah mudah menyerap kesan, menghasilkan nilai charpy v-notch 80-120 j pada suhu bilik.
Namun, Apabila karbon memanjat di atas 0.6 %, Ketangguhan terjun di bawah 20 J, membuat patah rapuh lebih mungkin. - Keluli aloi: Aloi nikel (mis. 8640 dengan 2 % Dalam) mengekalkan nilai charpy di atas 50 J walaupun pada -40 ° C.
Selain itu, Keluli Vanadium Microalloyed memberikan ketangguhan patah tinggi (K_ic > 80 MPA · √m) dengan menyempurnakan ukuran bijirin.
Prestasi keletihan dan rintangan rayapan
- Keletihan: Keluli aloi biasanya mempamerkan had keletihan sekitar 50-60 % kekuatan tegangan muktamad, berbanding dengan ~ 40 % untuk keluli karbon.
Contohnya, yang dipadamkan dan marah 4140 aloi mempunyai had ketahanan berhampiran 650 MPA, sedangkan 1045 berlegar di 320 MPA. - Merayap: Pada suhu tinggi (> 300 ° C.), Keluli karbon merayap dengan cepat, Mengehadkan penggunaan di bahagian yang terdedah kepada haba.
Sebaliknya, Aloi Cr-Mo dan Ni-CR-Mo mengekalkan tekanan 200-300 MPa selama beribu-ribu jam dan 550 ° C., Terima kasih kepada rangkaian karbida yang stabil yang menghalang gelongsor gandum.
Jadual perbandingan
| Harta benda | Keluli karbon | Keluli aloi |
|---|---|---|
| Kekuatan tegangan | 400 - 550 MPA (rendah-c); 600 - 800 MPA (Med-c) | 1 100 - 1 400 MPA (mis. 4340 Qt) |
| Kekuatan hasil | 250 - 350 MPA (rendah-c); 350 - 550 MPA (Med-c) | 950 - 1 150 MPA (mis. 4340 Qt) |
| Kemuluran (Pemanjangan pada rehat) | 20 - 30 % (rendah-c); ~ 15 % (Med-c) | 12 - 18 % (4340 Qt); bervariasi dengan elemen aloi |
| Kekerasan (HRC selepas rawatan haba) | Sehingga ~ 60 HRC (tinggi-c); Risiko retak quench di atas ~ 0.8 % C | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); dikekalkan pada suhu tinggi |
Impak Charpy (20 ° C.) |
80 - 120 J (rendah-c); < 20 J (tinggi-c) | ≥ 50 J pada -40 ° C (Gred Ni-Bearing); K_ic > 80 MPA · √m (Keluli v-microalloyed) |
| Had keletihan | ~ 40 % UTS (mis. ~ 320 MPa untuk 1045) | ~ 50 - 60 % UTS (mis. ~ 650 MPa untuk dipadamkan dan marah 4140) |
| Rintangan Creep (pada > 300 ° C.) | Miskin; Had ubah bentuk cepat digunakan | Baik; Aloi cr-mo dan ni-cr-mo mengekalkan 200 - 300 MPA menekankan beribu -ribu jam pada ~ 550 ° C |
| Pakai rintangan | Bergantung pada simen; sederhana | Cemerlang kerana cr keras, V, atau karbida w; bertahan 2 - 3 × lebih lama dalam acuan dan mati |
Qt = dipadamkan dan marah
6. Kakisan dan rintangan alam sekitar
- Keluli karbon mengoksidakan dengan mudah, dengan kadar kakisan biasa 0.1-0.5 mm/tahun dalam keadaan ambien.
- Keluli aloi dengan ≥ 12 % CR membentuk filem passivating, mengurangkan kadar kakisan kepada < 0.01 mm/tahun dalam banyak persekitaran.
Selain itu, Nikel dan penambahan molibdenum pertempuran pitting dalam media kaya klorida. Walaupun salutan (galvanizing, epoksi) Bantu keluli karbon, Mereka menambah kos penyelenggaraan berulang.
Sebaliknya, Keluli aloi tahan karat dan cuaca memberikan perlindungan jangka panjang melalui metalurgi sahaja.
7. Rawatan haba dan fabrikasi keluli aloi vs. Keluli karbon
- Keluli karbon Rawatan haba -Annealing, menormalkan, menghilangkan & kekerasan dan ketangguhan kawalan marah. Contohnya, 1045 Keluli dipadamkan dalam minyak mencapai ~ 55 HRC.
- Keluli aloi sering menjalani rawatan penyelesaian (Mis., 17-4Ph tahan karat) atau pengerasan umur (Mis., Superalloys berasaskan NI) untuk membuka kunci sifat puncak.
Di samping itu, Kemerosotan dan kemerosotan formabiliti apabila kandungan aloi meningkat.
Contohnya, Plain-Carbon 1018 kimpalan dengan mudah dengan elektrod biasa, sedangkan 304L tahan karat austenitic menuntut pengisi khusus dan memanaskan.
Akibatnya, Fabricators merancang kawalan ketat dan rawatan pasca kimpalan untuk gred aloi tinggi.
8. Pertimbangan kos dan ekonomi
| Faktor kos | Keluli karbon | Keluli aloi |
|---|---|---|
| Bahan mentah | $500 - $700 setiap nada | $1,000 - $3,000 setiap nada (Bergantung pada aloi) |
| Tenaga & Pemprosesan | Sederhana (cair yang lebih mudah & menyempurnakan) | Tinggi (Rawatan vakum, Komposisi yang tepat) |
| Rawatan haba | $50 - $200 setiap nada | $200 - $800 setiap nada (kitaran kompleks) |
| Penyelenggaraan & Kitaran hayat | Pembaikan semula atau pembaikan kakisan berkala | Minimum untuk keluli tahan karat dan cuaca |
| Jumlah kos pemilikan (Tco) | Lebih rendah di hadapan; pemeliharaan yang lebih tinggi | Pelaburan yang lebih tinggi; Kos kitaran hayat yang lebih rendah |
9. Aplikasi aloi vs keluli karbon
Aplikasi keluli karbon
- Pembinaan: Rasuk struktur, Memperkukuhkan bar
- Automotif: Bingkai, panel badan
- Saluran paip & Kapal tekanan: Minyak, air, Pengangkutan gas
- Kejuruteraan Am: Bahagian jentera, peralatan ladang
Aplikasi keluli aloi
- Aeroangkasa: Gear pendaratan, cakera turbin
- Minyak & Gas: Kerajinan gerudi, injap bawah laut
- Penjanaan kuasa: Tiub dandang, Komponen reaktor nuklear
- Persekitaran suhu tinggi: Bahagian relau, penukar haba
10. Apakah perbezaan antara keluli aloi vs keluli karbon?
| Dimensi | Keluli karbon | Keluli aloi |
|---|---|---|
| Komposisi kimia | Fe + 0.05-1.0 % C; Jejak Mn, Dan, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % unsur -unsur strategik (Cr, Dalam, Mo, V, W, B, dll.) |
| Kandungan karbon | 0.05-2.0 % | Biasanya 0.1-1.0 %, tetapi berbeza dengan gred |
| Elemen aloi utama | Tiada (di luar jejak) | Cr, Dalam, Mo, V, W, B - masing -masing disesuaikan untuk kekerasan, ketangguhan, kakisan atau kekuatan tinggi-T |
| Kekuatan tegangan | 400-800 MPa (rendah- ke tinggi-c) | 900-1 400 MPA (rendah- Untuk aloi tinggi dipadamkan & marah) |
| Kekuatan hasil | 250-550 MPa | 800-1 200 MPA |
| Pemanjangan (Kemuluran) | 20-30 % (rendah-c); ~ 10-15 % (tinggi-c) | 10-20 %, Bergantung pada campuran aloi |
| Kekerasan (HRC) | ≤ 60 HRC (gred tinggi-C) | 48-64 HRC (Keluli alat hingga 65 HRC; gred kerja panas ~ 50 HRC) |
Pakai rintangan |
Sederhana (berasaskan simen) | Tinggi (karbida keras Cr, V, W); 2-3 × Kehidupan yang lebih lama dalam lelasan |
| Kadar kakisan | 0.1-0.5 mm/tahun tidak bersalut | < 0.01 mm/yr untuk tahan karat/cuaca; 0.02-0.1 mm/tahun untuk aloi rendah |
| Kekonduksian terma | 45-60 w/m · k | 20-50 w/m · k (Aloi Cr/Ni lebih rendah; Aloi mo/w lebih tinggi) |
| Pengembangan haba | 11-13 × 10⁻⁶/k | 10-17 × 10⁻⁶/k (Stainless ≈ 17; Cr-mo ≈ 11; Kanak -kanak ≈ed 13) |
| Resistiviti elektrik | 10-15 μΩ · cm | 20-100 μΩ · cm (Stainless ~ 70; meningkat dengan kandungan aloi) |
| Kebolehtelapan magnet | Tinggi (≈ 200-1 000) | Pembolehubah: rendah dalam austenitic (~ 1-2), Tinggi dalam gred ferit/martensit |
| Rawatan haba | Mudah: Anneal, menormalkan, menghilangkan & temperatur | Kompleks: Penyelesaian Rawat, Pengerasan usia, Kadar quench yang tepat, Rawatan haba pasca kimpalan khas |
Fabrikasi |
Formabiliti yang sangat baik, kebolehkalasan, kebolehkerjaan | Lebih mencabar apabila kandungan aloi meningkat -memerlukan kawalan yang lebih ketat dan bahan habis -habisan khusus |
| Ketumpatan | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7-8.1 g/cm³ (bervariasi sedikit dengan elemen aloi) |
| Tempatan Perkhidmatan Maksimum. | ≤ 300 ° C. (di atas yang merayap/skala mempercepatkan) | 400-600 ° C. (Cr-mo); 700-1 000 ° C. (Superalloys berasaskan NI) |
| Kos (USD/TON) | $500- $ 700 | $1 000- $ 3 000 (bergantung pada kerumitan aloi) |
| Aplikasi biasa | Rasuk struktur, bingkai automotif, saluran paip, bahagian kejuruteraan umum | Komponen Aeroangkasa, minyak & injap gas, Turbin Power-Plant, Peralatan berprestasi tinggi, perubatan |
11. Kesimpulan
Secara ringkasnya, Alloy Steel vs.. keluli karbon masing -masing menduduki niche penting.
Karbon keluli menawarkan kemampuan, kemudahan fabrikasi, dan prestasi yang mencukupi untuk kegunaan struktur dan mekanikal setiap hari.
Sebaliknya, keluli aloi-dengan sifat-sifat rintangan mekanikal dan kakisannya yang dipertingkatkan-menimbulkan tuntutan aeroangkasa, tenaga, dan industri lain yang bertingkat tinggi.
Dengan menilai bahan kimia, keperluan mekanikal, keupayaan fabrikasi, dan faktor ekonomi, Jurutera boleh memilih gred keluli optimum yang mengimbangi kos, ketahanan, dan prestasi.
