1. Введение
Сталь лежит в основе современной инфраструктуры, От высоких небоскребов до точных хирургических инструментов.
Как самый переработанный материал в мире, Он предлагает непревзойденную комбинацию силы, Формируемость, и экономическая эффективность.
В этой статье, Мы сравниваем два основополагающих стальных семейства - углеродная сталь и сплав -сталь - химия Акросса, характеристики, обработка, Экономика, и приложения.
К концу, Вы поймете, когда выбрать каждый тип для пиковой производительности и значения.
2. Что такое углеродистая сталь?
Углеродистая сталь выделяется как одно из самых простых и широко используемых стальных семейств.
По определению, он состоит в основном из железа (Фей) Сплановой углеродом (В), обычно от 0.05 % к 1.00 % по весу.
По мере увеличения содержания углерода, Сила и жесткость сплава - но пластичность и снижение сварки и сварка.
Более того, контролируемые дополнения марганца (до ~ 1,65 %), кремний (0.15 %–0.30 %), фосфор (< 0.04 %), и сера (< 0.05 %) помочь уточнить структуру зерна, улучшить укрепление, и улучшить механизм.
Типы углеродистой стали
Инженеры классифицируют углеродные стали. Каждая категория выполняет четкую роль, от гибких систем до износостойких лезвий:
| Категория | C содержание | Ключевые черты | Общее использование |
|---|---|---|---|
| Низкоуглеродистый (Мягкий) | 0.05 %–0.30 % | Отличная пластичность; Легко сварка и формировать | Автомобильные панели, структурные формы, ограждение |
| Средний углеродный | 0.30 %–0.60 % | Сбалансированная сила и прочность; теплопроводимый | Передачи, ось, валы, Компоненты машины |
| Высокий углерод | 0.60 %–1.00 % | Высокая твердость после гашения; более низкая пластичность | Режущие инструменты, пружины, Высокие провода |
| Очень высокий углерод | 1.00 %–2.00 % | Исключительная износостойкость; хрупкий по своей природе | Специальные ножи, сдвиг лезвия, актеры |
3. Что такое сплавная сталь?
Легированная сталь поднимает простую углеродистую сталь, преднамеренно добавляя один или несколько легированных элементов,
такие как хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, или бор, Для достижения свойств, которые только содержание углерода не может доставить.
Эти стратегические дополнения уточняют микроструктуру стали, улучшить механические характеристики, и повысить сопротивление тепло, носить, и коррозия.
Химический состав и микроструктура
Каждый легирующий элемент вносит различные преимущества:
- Хром (0.5–2 %) способствует образованию твердых карбидов хрома и тонких, прилипший оксидный слой, повышение сопротивления износа и защиты от коррозии.
- Никель (1–5 %) стабилизирует фазу аустенита при комнатной температуре, резко увеличивающаяся прочность-особенно в низкотемпературных средах.
- Молибден (0.2–0.6 %) Увеличение прочности ползучести и сохраняет твердость при повышенных температурах, ограничивая рост зерна.
- Ванадий (0.1–0.3 %) Уточняет размер зерна предшествующего австратию, обеспечение более высокой силы урожайности и превосходной усталости жизни.
- Вольфрам (до 2 %) и Бор (0.0005–0.003 %) дальнейшее улучшение высокотемпературной твердости и глубокой укрепления, соответственно.
Типы сплавной стали
В то время как комбинации могут сильно различаться, Пять наиболее распространенных групп стали сплавны включают:
| Семья сплавов | Ключевые элементы | Основные преимущества | Пример использует |
|---|---|---|---|
| Низкопластные стали | Герметичный, В, МО (Всего ≤ 5 %) | Сбалансированная сила, умеренная прочность, Улучшенная устойчивость | Автомобильное шасси, Структурные лучи |
| Высокопластные стали | Герметичный, В, МО, V., W. (общий > 5 %) | Исключительная прочность и коррозия/теплостойкость | Турбинные лезвия, Части ядерного реактора |
| Инструментальные стали | Герметичный, МО, W., V., В (C до ~ 2 %) | Очень высокая твердость, износостойкость, размерная стабильность | Режущие инструменты, удары руками, умирает |
| Нержавеющие стали | ≥ 10.5 % Герметичный, плюс ни, МО, Не | Выдающаяся коррозионная стойкость, Формируемость | Медицинские инструменты, Продовольственное оборудование |
| Мастерство стали | В (15–25 %), Сопутствующий, МО, Из, Ал (низкий) | Ультра-высокая сила с превосходной прочности | Аэрокосмические структурные компоненты, инструмент |
4. Декодирование четырехзначной системы обозначения стали AISI
Прежде чем различать углеродные и сплавные стали, Важно понять их соглашение об именах.
В четырехзначном AISI (Американский институт железа и стали) система, Первые две цифры идентифицируют семейство стали, В то время как две последние цифры указывают номинальное содержание углерода (в сотне процента, до 1.00 %).
Например, Префикс «10» обозначает простые углеродные стали, с 1018 содержащий 0.18 % углерод и 1045 содержащий 0.45 %.
Так же, 4140- Несмотря на его префикс «41» - также обозначает 0.40 % углерод, Но как часть семейства сплавов хрома-молибдена.
Все оценки серии «10» включают в себя небольшое количество марганца, фосфор, и кремний для уточнения структуры зерна и улучшения прочности.
Изредка, Появляются буквы суффикса: Л Указывает добавленный свинец для превосходной механизм, и Беременный сигнализирует о добавлении бора, которое повышает закаленность в более глубоких разделах.
Декодируя эти префиксы, цифры, и буквы, Вы можете предсказать основную химию стали - и, таким образом, сделать вывод его твердости, предел прочности, и пригодность для термообработки.
Ниже приведена полная четырехзначная таблица нумерации AISI/SAE, показывая оба субсерю с простого углерода (10XX - 15xx) и главная серия сплав сплав (2xxx - 9xxx).
Последние две цифры всегда дают номинальное содержание C в сотнях процентов (например. «18» → 0.18 %В).
| Ряд | Первичный легирующий элемент(с) | Углеродный диапазон (%В) | Ключевые характеристики / Примечания |
|---|---|---|---|
| 10XX | Простой углерод (В + Мнжен, П, И) | 0.06 - 0.60 | Холодный & Горячие углеродные сталики (например. 1018, 1045) |
| 11XX | Получение углерода (добавляет с) | 0.06 - 0.60 | Лучшая механизм (например. 1117, 1144) |
| 12XX | Полученная + рефосформированный углерод (S+P.) | 0.06 - 0.60 | Нефтяной, Хорошая механизм (например. 1215) |
| 15XX | Высокий манганский углерод (добавляет ~ 1,00 % Мнжен) | 0.20 - 0.50 | Улучшенная сила & механизм (например. 1541) |
| 15Bxx | Высокий мн + бор (B ~ 0,0005–0,003 %) | 0.20 - 0.50 | Улучшенная закаленность |
2XXX |
Никелевые стали (В 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Жесткий, низкая производительность (например. 2024) |
| 3XXX | Никель-хромий стали (В + Герметичный) | 0.06 - 0.60 | Тепловой устойчивость & высокая сила (например. 3090) |
| 4XXX | Молибденовые стали (МО 0,2–0,5 %) | 0.06 - 0.60 | Высокая сила, коррозионная стойкость (например. 4042) |
| 41XX | Хром-молибденовые стали (Герметичный + МО) | 0.06 - 0.60 | Хорошая устойчивость & износостойкость (например. 4140, 4130) |
| 43XX | Хром -стали (CR 0,5–1,5 %) | 0.06 - 0.60 | Высокая сила, Некоторое коррозионное сопротивление (например. 4310) |
5XXX |
Хром -стали (более высокий CR, чем 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Воздушные инструментальные стали (например. 5140) |
| 6XXX | Хром-ванадий стали (Герметичный + V.) | 0.06 - 0.60 | Весна & Высокие части (например. 6150) |
| 7XXX | Вольфрамовые стали (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | Высокоскоростной & Горячий инструмент инструментов (например. 7XXX HSS Series) |
| 8XXX | Никель-хромий-молибден (At + cr + i) | 0.06 - 0.60 | Ультра-высокая сила & стойкость (например. 815M40) |
| 9XXX | Кремниевые манганские стали (И + Мнжен) | 0.06 - 0.60 | Весенние стали, Высокая усталостная жизнь (например. 9260) |
Суффикс буквы
- Л: Добавлен свинец для улучшения механизма (например. 1215Л)
- Беременный: Добавлен бор для укрепления (например. 8640Беременный)
- ЧАС: Специальные требования к устойчивости (например. 4140ЧАС)
5. Механические свойства сплавной стали против. Углеродистая сталь
Механическая производительность приводит к выбору материала, и сплав против углеродной стали значительно расходятся в ключевых метриках.
Предел прочности, Урожайность, и пластичность
- Углеродистая сталь: Низкие углеродные оценки (например. Айси 1018) Употребление прочности на растяжение около 400–550 МПа и прочность на урожай около 250–350 МПа, с удлинением при перерыве 20–30 %.
Средние углеродные стали (например. 1045) прочность на разрыв до 600–800 МПа и доход до 350–550 МПа, И все же пластичность падает до ~ 15 %. - Сплава Сталь: Напротив, а 4340 Сплава Сталь, утомил и закален, достигает растягивающихся сильных сторон 1 100–1 400 MPA и сильная сторона доходности 950–1 150 МПА, сохраняя 12–18 % удлинение.
Следовательно, Сплавные стали доставляют до вдвое большей прочности углеродных сталей, не жертвуя чрезмерной пластичностью.
Более того, Стратегические дополнения - такие как никель или ванадий - специально адаптивное поведение.
Например, а 2 % Ni низкий солевой повышает дачу воздействия доходности на ~ 10 % по сравнению с аналогичной сталью CR-MO.
Твердость и стойкость к износу
- Углеродистая сталь: Тепло, обработанные высокоуглеродистыми стали 60 HRC (Роквелл твердость c), Предлагая хорошую износостойкость для лезвий и источников.
Однако, как углерод превышает 0.8 %, формируемость страдает, и риск растрескивания во время погашения роста. - Сплава Сталь: Инструментальные стали (например. D2 с ~ 12 % Герметичный, 1.5 % В) достичь 62–64 HRC с отличным удержанием края.
Тем временем, вольфрамовый сплав (H13) доставить 48–52 HRC вместе с красной жесткостью до 600 ° C..
Кроме того, Сплавные стали часто встраивают твердые карбиды (Герметичный, V., или W.) которые сопротивляются истиранию гораздо лучше цементита в углеродистой стали.
Следовательно, Вы увидите, что сплавы с карбидами, приготовленные на 2–3 × длиннее в формы с высоким содержанием износа и умирают.
Стойкость и воздействие
- Углеродистая сталь: Низкоуглеродистые стали легко поглощают удар, Получение значений v-notch charpy 80–120 J при комнатной температуре.
Еще, В качестве углерода поднимаются выше 0.6 %, Прочность наклоняется внизу 20 Дж, более вероятным, делая хрупкий перелом. - Сплава Сталь: Никелевые сплавы (например. 8640 с 2 % В) Поддерживать значения Charpy выше 50 J Даже при –40 ° C.
Более того, Микрооплаваные ванадийные сталики обеспечивают высокую прочность на перелом (K_ic > 80 MPA · √m) путем уточнения размера зерна.
Усталостная производительность и сопротивление ползучести
- Усталость: Сплавные стали обычно демонстрируют ограничения усталости около 50–60 % конечной силы растяжения, по сравнению с ~ 40 % Для углеродных сталей.
Например, утомил и всплыл 4140 сплав имеет предел выносливости рядом 650 МПА, тогда как 1045 Ведет в 320 МПА. - Слизняк: При повышенных температурах (> 300 ° C.), углеродистые стали быстро ползут, Ограничение использования в воздействиях на тепло.
Наоборот, CR-MO и NI-CR-MO сплавы выдерживают стресс 200–300 МПа за тысячи часов и 550 ° C., Благодаря стабильным карбидным сетям, которые препятствуют скольжению зерна.
Сравнение таблицы
| Свойство | Углеродистая сталь | Сплава Сталь |
|---|---|---|
| Предел прочности | 400 - 550 МПА (низкий); 600 - 800 МПА (Мед-С.) | 1 100 - 1 400 МПА (например. 4340 QT) |
| Урожайность | 250 - 350 МПА (низкий); 350 - 550 МПА (Мед-С.) | 950 - 1 150 МПА (например. 4340 QT) |
| Пластичность (Удлинение при перерыве) | 20 - 30 % (низкий); ~ 15 % (Мед-С.) | 12 - 18 % (4340 QT); варьируется с легирующими элементами |
| Твердость (HRC после термообработки) | До ~ 60 часов (высокий); риск утолить трещины выше ~ 0,8 % В | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (Д2); поддерживается при повышенных температурах |
Чарпи -удар (20 ° C.) |
80 - 120 Дж (низкий); < 20 Дж (высокий) | ≥ 50 J при –40 ° C (NI-несущие оценки); K_ic > 80 MPA · √m (V-Microaloyed Steels) |
| Утолочный предел | ~ 40 % UTS (например. ~ 320 МПа для 1045) | ~ 50 - 60 % UTS (например. ~ 650 МПа для гашет 4140) |
| Сопротивление ползучести (в > 300 ° C.) | Бедный; Ограничения быстрого деформации используются | Хороший; Сплавы CR-MO и NI-CR-MO поддерживают 200 - 300 МПА напряжение в течение тысяч часов при ~ 550 ° C |
| Износостойкость | Зависит от цементита; умеренный | Отлично из -за жесткого CR, V., или w карбиды; длится 2 - 3 × длиннее в форме и умираниях |
Qt = закален и смягченный
6. Коррозия и экологическая стойкость
- Углеродистая сталь легко окисляется, с типичными показателями коррозии 0,1–0,5 мм/год в условиях окружающей среды.
- Сплава Сталь с ≥ 12 % CR образует пассивирующий фильм, снижение ставок коррозии до < 0.01 мм/год во многих средах.
Более того, Дополнения никеля и молибдена боевые ямы в богатых хлоридом средах. Хотя покрытия (Galvanizing, эпоксидная смола) Помогите углеродистой стали, Они добавляют повторяющиеся затраты на техническое обслуживание.
В отличие, Слисты из нержавеющей стали и выветривания обеспечивают долгосрочную защиту только через металлургию.
7. Термическая обработка и изготовление сплавной стали против. Углеродистая сталь
- Углеродистая сталь теплообразные обработки - аннулирование, нормализация, утомить & Demper - контроль жесткости и выносливости. Например, 1045 сталь гашена в масле достигает ~ 55 часов.
- Сплава Сталь Часто подвергается лечению раствора (НАПРИМЕР., 17-4PH нержавеем) или возрастное упрочнение (НАПРИМЕР., На основе NI Spoonloys) разблокировать пиковые свойства.
Кроме того, сварка и снижение формируемости по мере роста содержимого сплава.
Например, простой углерод 1018 сварки легко с общими электродами, Принимая во внимание, что Austenitic Natenlainsing 304l требует специализированного наполнителя и предварительного нагрева.
Следовательно, Производители планируют более строгие элементы управления и послепродневные процедуры для высокополученных сортов..
8. Стоимость и экономические соображения
| Коэффициент стоимости | Углеродистая сталь | Сплава Сталь |
|---|---|---|
| Сырье | $500 - $700 за тон | $1,000 - $3,000 за тон (в зависимости от сплавов) |
| Энергия & Обработка | Умеренный (более простой таяние & уточнить) | Высокий (вакуумные процедуры, точные композиции) |
| Термическая обработка | $50 - $200 за тон | $200 - $800 за тон (сложные циклы) |
| Обслуживание & Жизненный цикл | Периодическое восстановление или коррозионное ремонт | Минимально для нержавеющих и выветривающих сталей |
| Общая стоимость владения (TCO) | Ниже; более высокий содержание | Более высокие инвестиции; Нижняя стоимость жизненного цикла |
9. Применение сплава против углеродистой стали
Применение углеродистой стали
- Строительство: Структурные лучи, Усиление баров
- Автомобильная промышленность: Рамы, теловые панели
- Трубопроводы & Суда давления: Масло, вода, Транспорт газа
- Общая инженерия: Части машины, сельскохозяйственное оборудование
Сплановые стали
- Аэрокосмическая промышленность: Шасси, турбинные диски
- Масло & Газ: Тренировочные воротники, Подводные клапаны
- Производство электроэнергии: Котлы, Компоненты ядерного реактора
- Высокотемпературная среда: Печь детали, теплообменники
10. Каковы различия между легкосплавкой и углеродистой сталью?
| Измерение | Углеродистая сталь | Сплава Сталь |
|---|---|---|
| Химический состав | Фей + 0.05–1.0 % В; следы мн, И, П, С | Фей + В + ≥ 0.5 % Стратегические элементы (Герметичный, В, МО, V., W., Беременный, и т. д.) |
| Содержание углерода | 0.05–2.0 % | Обычно 0,1–1,0 %, но варьируется в зависимости от оценки |
| Первичные легирующие элементы | Никто (За пределами) | Герметичный, В, МО, V., W., B - каждый из них адаптирован для твердости, стойкость, Коррозия или высокая сила |
| Предел прочности | 400–800 МПа (низкий- в высокую C) | 900–1 400 МПА (низкий- к высокооплачиваемому сплаву & закален) |
| Урожайность | 250–550 МПа | 800–1 200 МПА |
| Удлинение (Пластичность) | 20–30 % (низкий); ~ 10–15 % (высокий) | 10–20 %, в зависимости от сплава сплава |
| Твердость (HRC) | ≤ 60 HRC (высокие оценки) | 48–64 HRC (инструментальные стали до 65 HRC; Гортовые сорта ~ 50 часов) |
Износостойкость |
Умеренный (На основе цементита) | Высокий (твердые карбиды Cr, V., W.); 2–3 × длинная жизнь в истирании |
| Скорость коррозии | 0.1–0,5 мм/год без покрытия | < 0.01 мм/год для нержавеющей стали/выветривания; 0.02–0,1 мм/год для сплав |
| Теплопроводность | 45–60 Вт/м · к | 20–50 Вт/м · к (Cr/Ni сплавы ниже; Мо/W сплавы выше) |
| Тепловое расширение | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (нержавеющая ставка ≈ 17; Cr-Mo ≈ 11; Дети ≈ 13) |
| Электрическое удельное сопротивление | 10–15 мкм · см | 20–100 мкм · см (нержавеем ~ 70; поднимается с содержанием сплава) |
| Магнитная проницаемость | Высокий (≈ 200–1 000) | Переменная: Низкий в аустените (~ 1–2), высоко в ферритных/мартенситных оценках |
| Термическая обработка | Простой: отжиг, нормализовать, утомить & характер | Сложный: раствор лечение, возраст, точные показатели погашения, Специальные теплообразные обработки после пост. |
Изготовление |
Отличная формируемость, сварка, механизм | Более сложное по мере роста содержимого сплава - требует более жестких элементов управления и специализированных расходных материалов. |
| Плотность | ≈ 7.85 G/CM³ | 7.7–8.1 г/см= (немного изменяется с легирующими элементами) |
| Максимальная температура обслуживания. | ≤ 300 ° C. (Выше, чем ползучесть/масштабирование ускоряется) | 400–600 ° C. (Cr-mo); 700–1 000 ° C. (На основе NI Spoonloys) |
| Расходы (USD/Тон) | $500- 700 долларов | $1 000- 3 доллара 000 (в зависимости от сложности легирования) |
| Типичные приложения | Структурные лучи, Автомобильные рамки, трубопроводы, Общие инженерные детали | Аэрокосмические компоненты, масло & газовые клапаны, силовые турбины, Высокопроизводительный инструмент, медицинский |
11. Заключение
В итоге, Сплава Сталь против. углеродистая сталь каждый занимает жизненно важные ниши.
Углеродистая сталь предлагает доступность, простота изготовления, и адекватная производительность для повседневного структурного и механического использования.
Наоборот, Сплава Слисты-с ее улучшенными механическими и коррозионными свойствами-отвечает требованиям аэрокосмической промышленности, энергия, и другие индустрии с высокими ставками.
Оценивая химический макияж, Механические требования, возможности изготовления, и экономические факторы, Инженеры могут выбрать оптимальную стальную оценку, которая уравновешивает стоимость, долговечность, и производительность.
