1. Wstęp
Stal u podstaw nowoczesnej infrastruktury, od wysokich drapaczy drapaczy po precyzyjne narzędzia chirurgiczne.
Jako najbardziej recyklingowy materiał na świecie, Oferuje niezrównaną kombinację siły, Formalność, i opłacalność.
W tym artykule, Porównujemy dwie fundamentalne rodziny stalowe - stal węglowa i chemia stalowa - chemia Across, właściwości, przetwarzanie, ekonomika, i aplikacje.
Do końca, Przyjmujesz się, kiedy wybrać każdy typ dla szczytowej wydajności i wartości.
2. Co to jest stal węglowa?
Stal węglowa wyróżnia się jako jedna z najprostszych i najczęściej używanych rodzin stalowych.
Z definicji, Składa się głównie z żelaza (Fe) stopowany z węglem (C), Zazwyczaj od 0.05 % Do 1.00 % z wagą.
Gdy zwiększasz zawartość węgla, Wzrost siły i twardości stopu - ale spadek plastyczności i spawania.
Ponadto, kontrolowane dodatki manganu (do ~ 1,65 %), krzem (0.15 %–0,30 %), fosfor (< 0.04 %), i siarka (< 0.05 %) Pomóż udoskonalić strukturę ziarna, poprawić twardość, i zwiększyć maszynę.
Rodzaje stali węglowej
Inżynierowie sklasyfikują stale węglowe na cztery główne kategorie na podstawie procentu węglowego. Każda kategoria pełni wyraźną rolę, od elastycznych drut po odporne na zużycie ostrza:
| Kategoria | Treść C. | Kluczowe cechy | Powszechne zastosowania |
|---|---|---|---|
| Niski węgiel (Łagodny) | 0.05 %–0,30 % | Doskonała plastyczność; Łatwy do spawania i formowania | Panele samochodowe, kształty strukturalne, ogrodzenie |
| Średni węgiel | 0.30 %–0,60 % | Zrównoważona siła i wytrzymałość; obróbki cieplne | Przekładnie, osie, Wały, Komponenty maszyn |
| Wysoki węgiel | 0.60 %–1,00 % | Wysoka twardość po wygaszaniu; niższa plastyczność | Narzędzia tnące, sprężyny, Druty o wysokiej wytrzymałości |
| Bardzo wysoki węgiel | 1.00 %–2.00 % | Wyjątkowy odporność na zużycie; kruche w naturze | Noże specjalne, Ostrza ścinające, Części odlewane |
3. Co to jest aluminiowa stal?
Stal ze stopu Podnosi zwykłą stal węglową, celowo dodając jeden lub więcej elementów stopowych,
takie jak chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram, lub bor, Aby osiągnąć właściwości, które sama zawartość węgla nie może dostarczyć.
Te strategiczne dodatki udoskonalają mikrostrukturę stali, Zwiększ wydajność mechaniczną, i poprawić odporność na ciepło, nosić , i korozja.
Skład chemiczny i mikrostruktura
Każdy element stopowy przyczynia się do wyraźnych korzyści:
- Chrom (0.5–2 %) promuje tworzenie twardych węglików chromowych i cienki, przylegająca warstwa tlenku, Zwiększenie odporności na zużycie i ochrona przed korozją.
- Nikiel (1–5 %) stabilizuje fazę austenitu w temperaturze pokojowej, Dramatycznie zwiększając wytrzymałość-szczególnie w środowiskach o niskiej temperaturze.
- Molibden (0.2–0,6 %) zwiększa wytrzymałość pełzania i utrzymuje twardość w podwyższonych temperaturach poprzez powstrzymanie wzrostu ziarna.
- Wanad (0.1–0,3 %) PRZYGOTOWAJ ZBIOROWEGO ZAGASINE, Dostarczanie wyższej granicy plastyczności i doskonałej żywotności zmęczeniowej.
- Wolfram (aż do 2 %) I Bor (0.0005–0,003 %) Dalej poprawić twardość w wysokiej temperaturze i twardość głębokiego, odpowiednio.
Rodzaje stali stopowej
Podczas gdy kombinacje mogą się znacznie różnić, Pięć najczęstszych grup ze stali stopniowej obejmuje:
| Rodzina stopu | Kluczowe elementy | Podstawowe korzyści | Przykład użyć |
|---|---|---|---|
| Stale o niskiej płaszczyzny | Cr, W, Mo (Całkowita ≤ 5 %) | Zrównoważona siła, Umiarkowana wytrzymałość, Poprawiona stwardnienie | Podwozie samochodowe, Belki strukturalne |
| STALE WYSOKIEJ-SOLLOY | Cr, W, Mo, V, W (całkowity > 5 %) | Wyjątkowa wytrzymałość i odporność na korozję/ciepło | Ostrza turbiny, Części reaktora jądrowego |
| Stale narzędziowe | Cr, Mo, W, V, C (C do ~ 2 %) | Bardzo wysoka twardość, odporność na zużycie, Stabilność wymiarowa | Narzędzia tnące, uderzenia, umiera |
| Stale nierdzewne | ≥ 10.5 % Cr, plus Ni, Mo, N | Znakomita odporność na korozję, Formalność | Instrumenty medyczne, sprzęt do przetwarzania żywności |
| Stale margingowe | W (15–25 %), Współ, Mo, Z, Glin (Niski c) | Bardzo wysoka siła o doskonałej wytrzymałości | Składniki strukturalne lotnicze, obróbka |
4. Dekodowanie czterocyfrowanego systemu oznaczenia stali AISI
Przed rozróżnieniem między stalami węglowymi i stopowymi, Konieczne jest zrozumienie ich konwencji nazewnictwa.
W czterocyfrowym AISI (American Iron and Steel Institute) system, Pierwsze dwie cyfry identyfikują rodzinę stalową, podczas gdy ostatnie dwie cyfry określają nominalną zawartość węgla (w setnych procentach, aż do 1.00 %).
Na przykład, Przedrostek „10” wyznacza zwykłe stali węglowe, z 1018 zawierający 0.18 % węgiel i 1045 zawierający 0.45 %.
Podobnie, 4140- pomimo jego prefiksu „41” - również oznacza 0.40 % węgiel, Ale w ramach rodziny stopu chromu-molibdenum.
Wszystkie stopnie serii „10” obejmują małe ilości manganu, fosfor, i silikon do udoskonalenia struktury ziarna i poprawy siły.
Sporadycznie, Pojawiają się listy przyrostkowe: L Wskazuje dodatkowy przewód dla lepszej maszyny, I B sygnalizuje dodatek boru, który zwiększa twardość w głębszych sekcjach.
Dekodując te prefiks, cyfry, i listy, Możesz przewidzieć podstawową chemię stali - a tym samym wnioskować o jej twardości, wytrzymałość na rozciąganie, i przydatność do obróbki cieplnej.
Poniżej znajduje się kompletna czterocyfrowa tabela numerowania AISI/SAE, Pokazanie obu podwodów na zwykłym węglu (10XX - 15xx) i główna seria ze stali ze stopami (2xxx - 9xxx).
Ostatnie dwie cyfry zawsze podają nominalną treść C w setnych procentach (np. „18” → 0.18 %C).
| Szereg | Podstawowy element stopowy(S) | Zasięg węgla (%C) | Kluczowe cechy / Notatki |
|---|---|---|---|
| 10xx | Zwykły węgiel (C + Mn, P, I) | 0.06 - - 0.60 | Zimno & Stale węglowe walcowane na gorąco (np. 1018, 1045) |
| 11xx | Resylfurised Carbon (Dodaje s) | 0.06 - - 0.60 | Lepsza maszyna (np. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfurited + Ponowne wyczerpanie węgla (S+p) | 0.06 - - 0.60 | Harding oleju, Dobra maszyna (np. 1215) |
| 15xx | Węgiel z wysokim mangańczykiem (Dodaje ~ 1,00 % Mn) | 0.20 - - 0.50 | Lepsza siła & maszyna (np. 1541) |
| 15Bxx | Wysoki Mn + bor (B ~ 0,0005–0,003 %) | 0.20 - - 0.50 | Zwiększona stwardnienie |
2xxx |
Stale nikielowe (O 1-5 %) | 0.06 - - 0.60 | Trudny, Wydajność o niskim tempie (np. 2024) |
| 3xxx | Stale nikiel-chromowe (W + Cr) | 0.06 - - 0.60 | Odporne na ciepło & wysoka siła (np. 3090) |
| 4xxx | Stale molibdenu (MO 0,2–0,5 %) | 0.06 - - 0.60 | Siła wysokiego tempa, Odporność na korozję (np. 4042) |
| 41xx | Stale chromu-molibden (Cr + Mo) | 0.06 - - 0.60 | Dobra stwardnienie & odporność na zużycie (np. 4140, 4130) |
| 43xx | Stale chromowe (CR 0,5–1,5 %) | 0.06 - - 0.60 | Wysoka siła, jakiś odporność na korozję (np. 4310) |
5xxx |
Stale chromowe (Wyższe niż 4xxx) | 0.06 - - 0.60 | Stale narzędzi hardynacji powietrza (np. 5140) |
| 6xxx | Stale chromu (Cr + V) | 0.06 - - 0.60 | Wiosna & Części o dużej stresu (np. 6150) |
| 7xxx | Stale wolframu (W 1–5 %) | 0.06 - - 0.60 | Duża prędkość & Stale narzędzi na gorąco (np. 7XXX HSS Series) |
| 8xxx | Nickel-chromum-molibdenum (At + cr + i) | 0.06 - - 0.60 | Ultra-wysoka siła & wytrzymałość (np. 815M40) |
| 9xxx | Stale silikonowo-mangańskie (I + Mn) | 0.06 - - 0.60 | Stale wiosenne, Wysokie życie zmęczeniowe (np. 9260) |
Listy przyrostkowe
- L: Dodano ołowiu dla lepszej maszyny (np. 1215L)
- B: Dodano bor dla stwardnienia (np. 8640B)
- H: Specjalne wymagania dotyczące twardania (np. 4140H)
5. Właściwości mechaniczne stali stopowej vs. Stal węglowa
Wydajność mechaniczna napędza wybór materiału, i stopy ze stali węglowej znacznie rozbieżą się w kluczowych wskaźnikach.
Wytrzymałość na rozciąganie, Granica plastyczności, i plastyczność
- Stal węglowa: Stopnie niskoemisyjne (np. Aisi 1018) Wykazuj wytrzymałość na rozciąganie około 400–550 MPa i wytrzymałości plastyczności w pobliżu 250–350 MPa, Z wydłużeniem po przerwie 20–30 %.
STALE ŚREDNIOWE (np. 1045) Pchnij wytrzymałość na rozciąganie do 600–800 MPa i wydajność do 350–550 MPa, Jednak plastyczność spada do ~ 15 %. - Stal ze stopu: W przeciwieństwie do tego, A 4340 stal ze stopu, wygaszone i hartowane, osiąga mocne strony 1 100–1 400 MPA i wytrzymałości plastyczne 950–1 150 MPA, zachowując 12–18 % wydłużenie.
Więc, Stale stopowe dostarczają do dwóch razy siła stali węglowych bez poświęcania nadmiernej plastyczności.
Ponadto, Dodatki strategiczne - takie jak nikiel lub wanad - przestrzeganie zachowania plonu krawca.
Na przykład, A 2 % Ni niski poziom klasowy zwiększa wydajność sprawdzoną od uderzenia o ~ 10 % w porównaniu do podobnej stali CR-Mo.
Twardość i odporność na zużycie
- Stal węglowa: Ochrony cieplnymi stalami o wysokiej węgla mogą dotrzeć 60 HRC (Rockwell Hardness c), Oferowanie dobrej odporności na zużycie na ostrza i sprężyny.
Jednakże, W miarę przekraczania węgla 0.8 %, formalność cierpi i ryzyko pękania podczas hartowania. - Stal ze stopu: Stale narzędziowe (np. D2 z ~ 12 % Cr, 1.5 % C) osiągnąć 62–64 HRC z doskonałą retencją krawędzi.
Tymczasem, Gatunki na gorąco w wolgstenu (H13) dostarczyć 48–52 HRC wraz z czerwonością 600 ° C..
Ponadto, Stale stopowe często osadzały twarde węgliki (Cr, V, lub w) które odporne na ścieranie znacznie lepiej niż cementit w stali węglowej.
Więc, Zobaczysz stopy wzmocnione węglikami trwają 2–3 x dłuższe w formach i matach o wysokim znaczeniu.
Wytrzymałość i odporność na uderzenie
- Stal węglowa: Stale o niskiej zawartości węgla łatwo pochłaniają uderzenie, Dostanie wartości V-notchu Charpy 80–120 J w temperaturze pokojowej.
Już, jak węgiel wspina się powyżej 0.6 %, Twardość spada poniżej 20 J, zwiększanie kruchego złamania bardziej prawdopodobne. - Stal ze stopu: Stopy niklu (np. 8640 z 2 % W) Zachowaj wartości Charpy powyżej 50 J nawet w –40 ° C.
Ponadto, Mikroalloyowane stali wanadowe zapewniają wysoką wytrzymałość złamania (K_IC > 80 MPA · √m) Prowadząc rozmiar ziarna.
Wydajność zmęczenia i odporność na pełzanie
- Zmęczenie: Stalowe staly zwykle wykazują granice zmęczeniowe około 50–60 % ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie, w porównaniu do ~ 40 % dla stali węglowych.
Na przykład, wygaszony i temperowany 4140 stop ma granicę wytrzymałościową 650 MPA, mając na uwadze, że 1045 unosi się na 320 MPA. - Skradać się: W podwyższonych temperaturach (> 300 ° C.), stale węglowe gwałtownie pełzają, Ograniczanie zastosowania w częściach narażonych na ciepło.
Odwrotnie, Stopy CR-Mo i NI-CR-Mo podtrzymują stres 200–300 MPa przez tysiące godzin i 550 ° C., Dzięki stabilnym sieciom węglików, które utrudniają ślizganie się z granicą ziarna.
Tabela porównawcza
| Nieruchomość | Stal węglowa | Stal ze stopu |
|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie | 400 - - 550 MPA (Niski c); 600 - - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - - 1 400 MPA (np. 4340 Qt) |
| Granica plastyczności | 250 - - 350 MPA (Niski c); 350 - - 550 MPA (Med-C) | 950 - - 1 150 MPA (np. 4340 Qt) |
| Plastyczność (Wydłużenie w przerwie) | 20 - - 30 % (Niski c); ~ 15 % (Med-C) | 12 - - 18 % (4340 Qt); różni się w zależności od elementów stopowych |
| Twardość (HRC po obróbce cieplnej) | Do ~ 60 HRC (High-C); Ryzyko pęknięć wygasza powyżej ~ 0,8 % C | 48 - - 52 HRC (H13); 62 - - 64 HRC (D2); utrzymywane w podwyższonych temperaturach |
Charpy wpływ (20 ° C.) |
80 - - 120 J (Niski c); < 20 J (High-C) | ≥ 50 J w –40 ° C (Gatunki zawierające NI); K_IC > 80 MPA · √m (Stali z mikroalloydami) |
| Limit zmęczenia | ~ 40 % UTS (np. ~ 320 MPa dla 1045) | ~ 50 - 60 % UTS (np. ~ 650 MPa dla wygaszonego i temperatury 4140) |
| Odporność na pełzanie (Na > 300 ° C.) | Słaby; Szybkie limity deformacji używają | Dobry; Utrzymują stopy CR-Mo i NI-CR-Mo 200 - - 300 MPA stresuje się przez tysiące godzin w ~ 550 ° C |
| Odporność na zużycie | Zależy od cementuta; umiarkowany | Doskonałe ze względu na twardy CR, V, lub węgle; trwa 2 - 3 × dłużej w formie i matach |
Qt = hartowane i złagodzone
6. Korozja i odporność na środowisko
- Stal węglowa utlenia się łatwo, z typowymi wskaźnikami korozji 0,1–0,5 mm/rok w warunkach otoczenia.
- Stal ze stopu z ≥ 12 % CR tworzy pasywny film, zmniejszenie wskaźników korozji do < 0.01 MM/rok w wielu środowiskach.
Ponadto, Dodatki nikiel i molibdenu wżery w wżerach w mediach bogatych w chlorek. Chociaż powłoki (galwanizacja, Epoksyd) Pomóż stali węglowej, Dodają powtarzające się koszty utrzymania.
W przeciwieństwie do tego, Stale stopowe ze stali nierdzewnej i wietrzenia zapewniają długoterminową ochronę przez samą metalurgię.
7. Obróbka cieplna i wytwarzanie stali stopowej vs. Stal węglowa
- Stal węglowa Zabiegi cieplne - analiza, normalizacja, ugasić & Temper - Kontrolowa twardość i wytrzymałość. Na przykład, 1045 stalowe wygaszone w oleju osiąga ~ 55 HRC.
- Stal ze stopu często przechodzi leczenie roztworu (NP., 17-4PH ze stali nierdzewnej) lub hartowanie wieku (NP., Superalloys oparty na NI) odblokować właściwości szczytowe.
Ponadto, Spawalność i spadek formalności wraz ze wzrostem zawartości stopu.
Na przykład, zwykły węgiel 1018 swobodnie spawuje się z popularnymi elektrodami, podczas gdy austenityczne stali nierdzewne wymaga wyspecjalizowanego wypełniacza i podgrzewania.
Więc, producenci planują surowsze kontrole i poczucia zabiegów po klasie o wysokiej zawartości.
8. Koszty i względy ekonomiczne
| Współczynnik kosztów | Stal węglowa | Stal ze stopu |
|---|---|---|
| Surowiec | $500 - - $700 za ton | $1,000 - - $3,000 za ton (w zależności od stopów) |
| Energia & Przetwarzanie | Umiarkowany (Prostsze stopienie & oczyścić) | Wysoki (zabiegi próżniowe, precyzyjne kompozycje) |
| Obróbka cieplna | $50 - - $200 za ton | $200 - - $800 za ton (złożone cykle) |
| Konserwacja & Cykl życia | Okresowa regeneracja lub naprawa korozji | Minimalne dla stali ze stali nierdzewnej i wietrzenia |
| Całkowity koszt własności (Tco) | Niższe z góry; Wyższe utrzymanie | Wyższa inwestycja; niższy koszt cyklu życia |
9. Zastosowania stopu ze stali węglowej
Zastosowania ze stali węglowej
- Budowa: Belki strukturalne, Wzmacniające słupki
- Automobilowy: Ramki, panele ciała
- Rurociągi & Naczynia ciśnieniowe: Olej, woda, Transport gazu
- Inżynieria ogólna: Części maszyn, sprzęt rolniczy
Zastosowania ze stali stopowej
- Aerospace: Podwozie, dyski turbinowe
- Olej & Gaz: Kołnierze wiertła, Zawory podmorskie
- Wytwarzanie energii: Rurki kotła, Składniki reaktora jądrowego
- Środowiska w wysokiej temperaturze: Części pieca, wymienniki ciepła
10. Jakie są różnice między stalą stopową a stalą węglową?
| Wymiar | Stal węglowa | Stal ze stopu |
|---|---|---|
| Skład chemiczny | Fe + 0.05–1.0 % C; ślady Mn, I, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % elementy strategiczne (Cr, W, Mo, V, W, B, itp.) |
| Zawartość węgla | 0.05–2.0 % | Zazwyczaj 0,1–1,0 %, ale różni się w zależności od oceny |
| Podstawowe elementy stopowe | Nic (poza śladami) | Cr, W, Mo, V, W, B - Każdy dostosowany do twardości, wytrzymałość, korozja lub siła wysokiej T |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 400–800 MPa (Niski- do High-C) | 900–1 400 MPA (Niski- do hartownicy o wysokim poziomie & hartowany) |
| Granica plastyczności | 250–550 MPa | 800–1 200 MPA |
| Wydłużenie (Plastyczność) | 20–30 % (Niski c); ~ 10–15 % (High-C) | 10–20 %, W zależności od mieszanki aluminiowej |
| Twardość (HRC) | ≤ 60 HRC (Gatunki wysokiego C.) | 48–64 HRC (narzędzia do stali do 65 HRC; Gatunki na gorąco ~ 50 HRC) |
Odporność na zużycie |
Umiarkowany (oparte na cementacji) | Wysoki (twarde węgliki CR, V, W); 2–3 × dłuższe życie w ścieraniu |
| Szybkość korozji | 0.1–0,5 mm/rok niepowystarczone | < 0.01 MM/YR do ze stali nierdzewnej/wietrzenia; 0.02–0,1 mm/rok dla niskiego poziomu |
| Przewodność cieplna | 45–60 W/m · k | 20–50 W/m · k (Stopy Cr/Ni niższe; Stopy Mo/W wyżej) |
| Rozszerzanie termiczne | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (ze stali nierdzewnej ≈ 17; Cr-mo ≈ 11; Dzieci 13) |
| Rezystywność elektryczna | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µΩ · cm (ze stali nierdzewnej ~ 70; wznosi się z zawartością stopu) |
| Przepuszczalność magnetyczna | Wysoki (≈ 200–1 000) | Zmienny: nisko w austenitycznym (~ 1–2), Wysoko w klasach ferrytycznych/martentycznych |
| Obróbka cieplna | Prosty: hartować, normalizować, ugasić & hartować | Złożony: Rozwiązanie, Harding wiekowy, precyzyjne stawki gaszenia, Specjalne rozwodnione zabiegi cieplne |
Produkcja |
Doskonała formalność, Spawalność, maszyna | Trudniejsze wraz ze wzrostem zawartości stopu - odpowiada ściślejsze elementy sterujące i specjalistyczne materiały eksploatacyjne |
| Gęstość | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8,1 g/cm³ (nieznacznie zmienia się w zależności od elementów stopowych) |
| Maksymalna temperatura usług. | ≤ 300 ° C. (powyżej które przyspiesza pełzanie/skalowanie) | 400–600 ° C. (Cr-mo); 700–1 000 ° C. (Superalloys oparty na NI) |
| Koszt (USD/tonę) | $500- 700 $ | $1 000- 3 USD 000 (w zależności od złożoności stopowej) |
| Typowe zastosowania | Belki strukturalne, Ramki samochodowe, rurociągi, Ogólne części inżynierskie | Komponenty lotnicze, olej & zawory gazowe, turbiny elektrowni, Wysokopomansowe oprzyrządowanie, medyczny |
11. Wniosek
Podsumowując, stal stopowa vs.. Każda ze stali węglowej zajmuje istotne nisze.
Stal węglowa oferuje przystępność cenową, łatwość wytwarzania, i odpowiednia wydajność codziennych zastosowań strukturalnych i mechanicznych.
Odwrotnie, Stal stopowa-z wzmocnionymi właściwościami mechanicznymi i oporności na korozję-odpowiada wymaganiom lotniczego, energia, i inne branże o wysokiej stawce.
Oceniając makijaż chemiczny, Wymagania mechaniczne, Możliwości wytwarzania, i czynniki ekonomiczne, Inżynierowie mogą wybrać optymalną ocenę stalową, która równoważy koszty, trwałość, i wydajność.
