1. Увођење
Челик поднела модерну инфраструктуру, од висковања небодера до прецизних хируршких алата.
Као најпознатији материјал на свету, Нуди неуспоредиву комбинацију снаге, Обликавост, и економичност.
У овом чланку, Упоређујемо две фондационе челичне породице-карбонске челичне и легуре челичне хемију, својства, прерада, економија, и апликације.
До краја, Када бисте одабрали сваку врсту перформанси и вредности.
2. Шта је угљен челик?
Карбонски челик истиче се као један од најједноставнијих и најпотробљених челичних породица.
По дефиницији, Састоји се пре свега гвожђа (Фе) легуран угљеном (Ц), обично се креће од 0.05 % до 1.00 % по тежини.
Док повећавате садржај угљеника, Снага и снага легура и тврдоћа расте - али диктилност и пад заваривања.
Штавише, Контролисани додаци мангана (до ~ 1,65 %), силицијум (0.15 %-0.30 %), фосфор (< 0.04 %), и сумпор (< 0.05 %) Помозите у оптиминацији структуре зрна, Побољшајте очвршљивост, и побољшати машине.
Врсте угљеника челика
Инжењери класификују челике угљеника у четири главне категорије на основу процента угљеника. Свака категорија служи различиту улогу, Од флексибилних лежишта до ножа отпорних на ношење:
| Категорија | Ц Садржај | Кључне особине | Уобичајена употреба |
|---|---|---|---|
| Ниско угљеник (Благ) | 0.05 %-0.30 % | Одлична дуктилност; Лако заваривање и образац | Аутомобилски панели, Структурни облици, мачевање |
| Средњи угљеник | 0.30 %-0.60 % | Избалансирана јачина и жилавост; топлотни | Зупчаници, осовине, шахтови, Компоненте машина |
| Високо угљеник | 0.60 %-1.00 % | Висока тврдоћа након гашења; нижа дуктилност | Алат за резање, опруга, жице високе чврстоће |
| Врло висок угљеник | 1.00 %-2.00 % | Изузетна отпорност на хабање; крхки у природи | Специјалне ножеве, оштрица за смицање, делови од ливења |
3. Шта је легура челика?
Легирани челик Подигните обичан карбонски челик намерно додавањем једног или више легираних елемената,
као што је хрома, никл, молибден, ванадијум, тунгстен, или бор, Да би се постигло некретнине да самог садржаја угљеника не може да испоручи.
Ови стратешки додаци прецизирају микроструктуру челика, Побољшајте механичке перформансе, и побољшати отпорност на топлоту, носити, и корозија.
Хемијски састав и микроструктура
Сваки алегални елемент доприноси изразито благодатима:
- Хром (0.5-2 %) промовише формирање чврстих хромијум-карбида и танких, Адхерентни оксидни слој, Појачавање отпорности на хабање и заштиту од корозије.
- Никл (1-5 %) Стабилизује аустенитну фазу на собној температури, драматично повећава жилавост - посебно у окружењу са ниским температурама.
- Молибден (0.2-0.6 %) Појачава снагу пузања и одржава тврдоћу на повишеним температурама суздржавањем раста зрна.
- Ванадијум (0.1-0.3 %) пречишћава величину зрна рода, Достављање веће чврстоће приноса и животни век супериорног умора.
- Тунгстен (до 2 %) и Борон (0.0005-0.003 %) додатно побољшати тврдоћу на високом температури и очвршћивање дубоког дела, односно.
Врсте легура челика
Док се комбинације могу широко варирати, Пет најчешћих група челика легуре укључују:
| Породица легура | Кључни елементи | Примарна предности | Пример употребе |
|---|---|---|---|
| Стеелс ниски легури | ЦР, У, Мо (Укупно ≤ 5 %) | Уравнотежена снага, умерена жилавост, Побољшана отврдњавост | Аутомобилски шасија, Структурне греде |
| Стеелс високих легура | ЦР, У, Мо, У, Ви (тотално > 5 %) | Изузетна снага и отпорност на корозију / топлоту | Младе за турбине, Нуклеарни делови реактора |
| Челици алата | ЦР, Мо, Ви, У, Ц (Ц до ~ 2 %) | Веома велика тврдоћа, отпорност на хабање, Димензионална стабилност | Алат за резање, ударци, умире |
| Нехрђајући челичан | ≥ 10.5 % ЦР, плус ни, Мо, Н | Изузетна отпорност на корозију, Обликавост | Медицински инструменти, опрема за прехрамбене хране |
| Маризам | У (15-25 %), Цо, Мо, Од, Алтер (ниско ц) | Ултра висока чврстоћа са одличном жилавошћу | Аероспаце структурне компоненте, алат за алате |
4. Декодирање четвороцифрени АИСИ Стеел Темеробимент систем
Пре разликовања чела угљеника и легура, То је неопходно разумети своју конвенцију о именовању.
У четвороцифрени АИСИ (Амерички Институт за гвожђе и челик) систем, прве две цифре идентификују породицу челичне, Док коначне две цифре одређују номинални садржај угљеника (у стотинама од процента, до 1.00 %).
На пример, Префикс "10" означава обичне челике угљеника, са 1018 који садржи 0.18 % угљеник и 1045 који садржи 0.45 %.
Исто, 4140-Деспите свој префикс "41" - такође означава 0.40 % угљеник, Али као део породице алуминирање хромима-молибден-а.
Све "10" разреде серије укључују мале количине мангана, фосфор, и силицијум за прерачују структуру зрна и побољшати снагу.
Повремено, појављују се слова суфикса: Л означава додатну водство за врхунску обраду, и Б сигнализира додатак бора који повећава очвршљивост у дубљим одељцима.
Декодирањем ових префикса, цифре, и писма, Можете предвидјети основну хемију челика - и на тај начин закључити његову тврдоћу, затезна чврстоћа, и подобност за термички третман.
Испод је комплетна четвороцифрени АИСИ / САЕ табела нумерирања, Приказивање и серије обичне угљеника (10кк-15кк) и главна серија од челика легуре (2КСКСКС-9КСКСКС).
Последње две цифре увек дају номиналну Ц садржају у стотинама од процента (нпр. "18" → 0.18 %Ц).
| Серија | Примарни легирајући елемент(с) | Домет угљеника (%Ц) | Кључне карактеристике / Белешке |
|---|---|---|---|
| 10кк | Обичан угљеник (Ц + Мн, П, И) | 0.06 - 0.60 | Хладан & Вруће ваљане карбонске челике (нпр. 1018, 1045) |
| 11кк | Поседујуће угљеник (додаје с) | 0.06 - 0.60 | Боља обрада (нпр. 1117, 1144) |
| 12кк | Одсечен + Репхосфорисани угљеник (С + П) | 0.06 - 0.60 | Очвршћавање уља, Добра израда (нпр. 1215) |
| 15кк | Царбон високог мангана (додаје ~ 1.00 % Мн) | 0.20 - 0.50 | Побољшана снага & обрада (нпр. 1541) |
| 15БКСКС | Висока мн + борон (Б ~ 0.0005-0.003 %) | 0.20 - 0.50 | Побољшана кандидат |
2ккк |
Ницкел Цлеел (На 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Тоугх, Перформансе ниског темп-а (нпр. 2024) |
| 3ккк | Ницкел-Цхромиум Цлеел (У + ЦР) | 0.06 - 0.60 | Који се одупирајући топлотом & висока чврстоћа (нпр. 3090) |
| 4ккк | Молибденски челик (МО 0.2.5 %) | 0.06 - 0.60 | Снага високог температура, отпорност на корозију (нпр. 4042) |
| 41кк | Цхромиум-Молибденеум Цлеелс (ЦР + Мо) | 0.06 - 0.60 | Добре оправданост & отпорност на хабање (нпр. 4140, 4130) |
| 43кк | Цхромиум Цлеел (ЦР 0,5-1.5 %) | 0.06 - 0.60 | Велика снага, неки отпорност на корозију (нпр. 4310) |
5ккк |
Цхромиум Цлеел (виши ЦР од 4кккк) | 0.06 - 0.60 | Алат за очвршћавање ваздуха (нпр. 5140) |
| 6ккк | Цхромиум-Ванадиум Челик (ЦР + У) | 0.06 - 0.60 | Пролећни & Делови са високим стресом (нпр. 6150) |
| 7ккк | Волфстен челик (В 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Брс & Челици за вруће радне алате (нпр. 7КСКСКС ХСС серија) |
| 8ккк | Ницкел-Цхромиум-Молибден (На + цр + и) | 0.06 - 0.60 | Ултра-велика снага & жилавост (нпр. 815М40) |
| 9ккк | Силицон-мангански челици (И + Мн) | 0.06 - 0.60 | Пролећни челичан, Живот високог умора (нпр. 9260) |
Суфикс слова
- Л: додато олово за побољшану обраду (нпр. 1215Л)
- Б: Додато је Борон за оттврдљивост (нпр. 8640Б)
- Хмерово: Посебне захтеве за утврђивање (нпр. 4140Хмерово)
5. Механичка својства легура челика ВС. угљенични челик
Механичке перформансе погоне селекцијом материјала, АЛЛОИ ВС ЦАРБОН СТЕЕЛ се значајно разликује у кључним метрима.
Затезна чврстоћа, Снага приноса, и дуктилност
- угљенични челик: Оцене са ниским угљеником (нпр. Аиси 1018) Изложите затезне снаге око 400-550 МПа и снаге приноса близу 250-350 МПА, са издужом на паузи од 20-30 %.
Стрими-карбонски челици (нпр. 1045) Гурните затезну чврстоћу на 600-800 МПа и принос на 350-550 МПА, Ипак, дуктилити пада на ~ 15 %. - Легура челика: Супротно, а 4340 легура челика, угашена и умрла, постиже затезне предности 1 100-1 400 МПА и предности приноса од 950-1 150 МПА, Док одржавате 12-18 % издужење.
Сходно томе, Алуминијски челици испоручују до двоструко веће снаге кафнски челика без жртвовања прекомерне дуктивности.
Штавише, Стратешки додаци - као што су никл или ванадијум-даљња приносно понашање приноса.
На пример, а 2 % НИ ниско легуре појачава принос који је тестиран утицајем од ~ 10 % у поређењу са сличним ЦР-МО челиком.
Тврдоћа и отпорност на хабање
- угљенични челик: Топлотни третирани челици са високим угљеном могући 60 ХРЦ (Роцквелл Тврдост Ц), Нудећи добру отпорност на хабање за сечиве и опруге.
Међутим, Док угљеник прелази 0.8 %, ОББОРЛИЈНОСТ ПАРТИТЕ И РИЗИК РАКОВА КРАЖИВАЊА ТРАЈНОГ ГРАНЦА. - Легура челика: Челици алата (нпр. Д2 са ~ 12 % ЦР, 1.5 % Ц) Достићи 62-64 ХРЦ са одличном задржавањем ивица.
У међувремену, Оцене вруће радне дела волфстен-алуји (Х13) Доставите 48-52 ХРЦ уз црвено тврдоће до 600 ° Ц.
Додатно, Легури челици често уграде тврде карбиде (ЦР, У, или в) који се одупиру абразији далеко боље од цементита у угљеничном челику.
Сходно томе, Видећете легуре ојачане карбиде-а трајати 2-3 × дуже у високобаченим калупама и умире.
Жилавост и отпорност на ударање
- угљенични челик: Челици са ниским угљеником лако упијају утицај, дајући Цхарпи В-Нотцх вредности од 80-120 Ј на собној температури.
Ипак, Као што се угљен пење изнад 0.6 %, Тешка плући испод 20 Ј, вероватније да је вероватније крхки лом. - Легура челика: Легуре на никлом (нпр. 8640 са 2 % У) Одржавајте ГАРПА ВРИЈЕДЕ Изнад 50 Ј чак на -40 ° Ц.
Штавише, МИЦРОАЛЛОИЕД ВАНАДИУМ ЦХЕЕЛЕС испоручују високу жилавост прелома (К_иц > 80 МПА · √м) Рафинирањем величине зрна.
Перформансе за умор и отпорност на пузање
- Умор: Алуминијумске челике обично показују уморске границе око 50-60 % крајње затезне снаге, у поређењу са ~ 40 % за челике угљеника.
На пример, угашен и каљењен 4140 легура има ограничење издржљивости у близини 650 МПА, док 1045 лебди на 320 МПА. - Пузати: На повишеним температурама (> 300 ° Ц), Царбон Цлиелс брзо се крећу, Ограничавање употребе у топлотним деловима.
Обрнуто, ЦР-МО и НИ-ЦР-МО легуре одржавају стрес од 200-300 МПа хиљадама сати и 550 ° Ц, Захваљујући стабилним мрежама за карбиде које спречавају клизање граница житарица.
Упоређивање стола
| Имовина | угљенични челик | Легура челика |
|---|---|---|
| Затезна чврстоћа | 400 - 550 МПА (ниско-ц); 600 - 800 МПА (Мед-ц) | 1 100 - 1 400 МПА (нпр. 4340 Кт) |
| Снага приноса | 250 - 350 МПА (ниско-ц); 350 - 550 МПА (Мед-ц) | 950 - 1 150 МПА (нпр. 4340 Кт) |
| Дуктилност (Издужење на паузи) | 20 - 30 % (ниско-ц); ~ 15 % (Мед-ц) | 12 - 18 % (4340 Кт); варира од легираних елемената |
| Тврдоћа (ХРЦ након топлотног третмана) | До ~ 60 ХРЦ (високо-ц); Ризик од цреване пукотине изнад ~ 0,8 % Ц | 48 - 52 ХРЦ (Х13); 62 - 64 ХРЦ (Д2); одржавани на повишеним температурама |
Цхарпи утицај (20 ° Ц) |
80 - 120 Ј (ниско-ц); < 20 Ј (високо-ц) | ≥ 50 Ј на -40 ° Ц (НИ-Беаринг Центес); К_иц > 80 МПА · √м (В-Мицроаллиед Цлеелс) |
| Граница за умор | ~ 40 % утс (нпр. ~ 320 МПА за 1045) | ~ 50 - 60 % утс (нпр. ~ 650 МПА за угашено и каљено 4140) |
| Отпорност на пузање (у > 300 ° Ц) | Сиромашан; Брза деформација ограничава употребу | Добри; ЦР-МО и НИ-ЦР-МО легуре одржавају 200 - 300 МПА наглашава преко хиљада сати на ~ 550 ° Ц |
| Отпорност на хабање | Зависе од цементита; умерен | Одлично због тврђих цр, У, или в Царбидес; траје 2 - 3 × дуже у калупама и умиру |
Кт = угашен и каљењен
6. Корозија и отпорност на животну средину
- угљенични челик лако оксидира, са типичним стопама корозије од 0,1-0,5 мм / годишње у амбијенталним условима.
- Легура челика са ≥ 12 % ЦР се формира пасивациони филм, смањујући стопе корозије на < 0.01 мм / година у многим окружењима.
Штавише, Никл и молибденуум додаци борба која се залажу у медијима богатим хлоридом. Иако премази (поцинљив, епоксидан) помоћи угљеником челиком, Додају понављајуће трошкове одржавања.
У супротности, нехрђајуће и временске челике за нехрђајуће и временске прилике достављају дугорочну заштиту кроз металургију.
7. Топлотни третман и израда легура челика ВС. угљенични челик
- угљенични челик топлотни третмани - жарење, нормализација, угасити & Тврдоћа и жилавост. На пример, 1045 Челик угашен у нафту постиже се ~ 55 ХРЦ.
- Легура челика често се претрпе на третман решења (Нпр., 17-4ПХ нехрђајући) или старост стврдњавања (Нпр., НИ-базирани супераллоис) Да бисте откључали својства врхова.
Додатно, Пад заваривања и формалности као алуји који се излаже.
На пример, обичан угљеник 1018 Лако завари са заједничким електродама, док је аустенитски од нехрђајућег 304Л захтева специјализовани пунило и загрејати.
Сходно томе, Фабрикатори планирају строжите контроле и пост-заваривање третмана за оцене високог легура.
8. Трошкови и економска разматрања
| Фактор трошкова | угљенични челик | Легура челика |
|---|---|---|
| Сировина | $500 - $700 по тону | $1,000 - $3,000 по тону (Зависно од легура) |
| Енергија & Прерада | Умерен (једноставније топљење & прорачун) | Високо (Вакуум третмани, прецизне композиције) |
| Топлотни третман | $50 - $200 по тону | $200 - $800 по тону (сложени циклуси) |
| Одржавање & Животни циклус | Периодично поправљање или поправљање корозије | Минимално за челике нерђајућег и временских прилика |
| Укупни трошкови власништва (ТЦО) | Нижи унапред; виши одржавање | Већа улагања; Нижи животни циклус |
9. Апликације легура вс угљенични челик
Апликације у угљенику
- Изградња: Структурне греде, ојачана шипка
- Аутомотиве: Оквир, каросерија
- Цевоводи & Под притиском: Уље, водити воду, транспорт гаса
- Генерал Енгинееринг: Делови машина, Пољопривредна опрема
АЛЛОИ СТЕЕЛ апликације
- Ваздухопловство: Зупчаник, Турбински дискови
- Уље & Гас: Огрлице за бушење, подземни вентили
- Генерација електричне енергије: КОТРОНСКЕ ЦЕВИ, Компоненте нуклеарних реактора
- Висококусно окружење: Делови пећи, Измењивачи топлоте
10. Које су разлике између легура челика вс угљеничног челика?
| Димензија | угљенични челик | Легура челика |
|---|---|---|
| Хемијски састав | Фе + 0.05-1.0 % Ц; трагови мн, И, П, С | Фе + Ц + ≥ 0.5 % Стратешки елементи (ЦР, У, Мо, У, Ви, Б, итд.) |
| Садржај угљеника | 0.05-2.0 % | Обично 0,1-1.0 %, али варира са оценом |
| Примарни алегацијски елементи | Ниједан (изван трагова) | ЦР, У, Мо, У, Ви, Б - сваки прилагођен тврдоћи, жилавост, корозија или висока снага |
| Затезна чврстоћа | 400-800 МПА (низак- до високо-ц) | 900-1 400 МПА (низак- у угашено високо легуре & каљено) |
| Снага приноса | 250-550 МПА | 800-1 200 МПА |
| Издужење (Дуктилност) | 20-30 % (ниско-ц); ~ 10-15 % (високо-ц) | 10-20 %, Зависно од легуре микса |
| Тврдоћа (ХРЦ) | ≤ 60 ХРЦ (Хигх-Ц оцене) | 48-64 ХРЦ (алат за челике до 65 ХРЦ; Вруће радне оцене ~ 50 ХРЦ) |
Отпорност на хабање |
Умерен (цементирани) | Високо (ХАРД ЦАРБИДЕС ЦР, У, Ви); 2-3 × Дужи живот у абразији |
| Стопа корозије | 0.1-0,5 мм / год. | < 0.01 мм / год за нехрђајуће / временске прилике; 0.02-0,1 мм / год за ниско легуре |
| Топлотна проводљивост | 45-60 в / м · к | 20-50 в / м · к (ЦР / НИ легуре ниже; МО / В легуре више) |
| Термално ширење | 11-13 × 10⁻⁶ / к | 10-17 × 10⁻⁶ / к (нехрђајући ≈ 17; ЦР-МО ≈ 11; Деца ≈ 13) |
| Електрична отпорност | 10-15 ωω · цм | 20-100 μω · цм (нехрђајући ~ 70; устаје са садржајем легура) |
| Магнетна пропустљивост | Високо (≈ 200-1 000) | Променљив: ниско у аустеници (~ 1-2), Високо у феритном / мартензитном разреду |
| Топлотни третман | Једноставан: антеал, нормализовати, угасити & нарав | Сложен: раствор третирати, очвршћавање, Прецизне стопе затеса, Специјални топлотни третмани пост-заваривања |
Измишљотина |
Одлична формалност, завабилност, обрада | Изазовнији као што су садржај легура устаје - захтева чвршће контроле и специјализовани потрошни материјал |
| Густина | ≈ 7.85 Г / цм³ | 7.7-8.1 г / цм³ (лагано варира са легираним елементима) |
| Максимална темп услуга. | ≤ 300 ° Ц (Изнад које пузање / скалирање убрзава) | 400-600 ° Ц (ЦР-МО); 700-1 000 ° Ц (НИ-базирани супераллоис) |
| Трошак (УСД / ТОН) | $500- 700 долара | $1 000- $ 3 000 (Зависно од легирајућих сложености) |
| Типичне апликације | Структурне греде, Аутомобилски оквири, цевоводи, Генерал Енгинееринг делови | Аероспаце компоненте, уље & гасни вентили, Турбина за електране, Тоолинг високих перформанси, медицински |
11. Закључак
Укратко, Легура челика ВС. Царбон Стеел Сваки заузима виталне нише.
Царбон Стеел нуди приступачност, Једноставност израде, и адекватне перформансе за свакодневне структурне и механичке употребе.
Обрнуто, Легура челика - са побољшаним својствима механичке и корозије-отпорности - одговара на захтеве ваздухоплова, енергија, и остале индустрије високог уложака.
Оцењивањем хемијских шминка, механички захтеви, Могућности израде, и економски фактори, Инжењери могу да одаберу оптималну челичну оцену са балансирањем трошкова, издржљивост, и перформансе.
