1. 介绍
钢基础现代基础设施, 从高耸的摩天大楼到精确的手术工具.
作为世界上最回收的材料, 它提供了无与伦比的力量组合, 形成性, 和成本效益.
在本文中, 我们比较了两个基础钢科 - 碳钢和合金钢 - across化学, 特性, 加工, 经济学, 和申请.
到最后, 您将掌握何时选择每种类型的峰值性能和价值.
2. 什么是碳钢?
碳钢 脱颖而出是最简单，最广泛的钢制家庭之一.
根据定义, 它主要由铁组成 (铁) 与碳合金 (c), 通常从 0.05 % 到 1.00 % 按重量.
随着您增加碳含量, 合金的强度和硬度上升 - 但延性和焊接性下降.
而且, 锰的受控添加 (最多〜1.65 %), 硅 (0.15 %–0.30 %), 磷 (< 0.04 %), 和硫 (< 0.05 %) 帮助完善谷物结构, 提高可耐用性, 并增强可加工性.
碳钢
工程师根据碳百分比将碳钢分为四个主要类别. 每个类别都起着独特的作用, 从柔性金属形成到耐磨刀片:
| 类别 | C内容 | 关键特征 | 常用用途 |
|---|---|---|---|
| 低碳 (温和的) | 0.05 %–0.30 % | 出色的延展性; 易于焊接和形成 | 汽车面板, 结构形状, 击剑 |
| 中碳 | 0.30 %–0.60 % | 平衡的力量和韧性; 热处理 | 齿轮, 车轴, 轴, 机械组件 |
| 高碳 | 0.60 %–1.00 % | 淬火后硬度高; 降低延展性 | 切割工具, 弹簧, 高强度线 |
| 很高的碳 | 1.00 %–2.00 % | 出色的耐磨性; 自然界脆弱 | 专业刀, 剪切刀片, 铸件 |
3. 什么是合金钢?
合金钢 通过故意添加一个或多个合金元素来提升普通碳钢,
例如铬, 镍, 钼, 钒, 钨, 或硼, 为了实现仅碳含量无法提供的特性.
这些战略添加完善了钢的微观结构, 增强机械性能, 并提高热量的抵抗力, 穿, 和腐蚀.
化学组成和微观结构
每个合金元素都会带来明显的好处:
- 铬 (0.5–2 %) 促进硬质碳化物的形成和薄的, 粘附的氧化物层, 增强耐磨性和腐蚀保护.
- 镍 (1–5 %) 在室温下稳定奥氏体相, 韧性急剧增加 - 尤其是在低温环境中.
- 钼 (0.2–0.6 %) 增强蠕变强度并通过限制谷物生长在高温下保持硬度.
- 钒 (0.1–0.3 %) 完善先前的磨牙晶粒尺寸, 提供更高的屈服强度和出色的疲劳寿命.
- 钨 (到 2 %) 和 硼 (0.0005–0.003 %) 进一步改善高温硬度和深层耐磨性, 分别.
合金钢的类型
虽然组合可能差异很大, 五个最常见的合金钢组包括:
| 合金家庭 | 关键元素 | 主要好处 | 示例用途 |
|---|---|---|---|
| 低合金钢 | Cr, 在, 莫 (总计≤ 5 %) | 平衡力量, 适度的韧性, 提高了可耐用性 | 汽车底盘, 结构梁 |
| 高合金钢 | Cr, 在, 莫, v, w (全部的 > 5 %) | 特殊的强度和腐蚀/耐热性 | 涡轮刀片, 核反应堆部分 |
| 工具钢 | Cr, 莫, w, v, c (c最多〜2 %) | 非常高的硬度, 戴阻力, 维稳定性 | 切割工具, 打孔, 死亡 |
| 不锈钢 | ≥ 10.5 % Cr, 加上ni, 莫, n | 出色的耐腐蚀性, 形成性 | 医疗仪器, 食品处理设备 |
| 马力钢 | 在 (15–25 %), 公司, 莫, 的, al (低c) | 超高强度，韧性 | 航空航天结构组件, 工具 |
4. 解码四位数的AISI钢制名称系统
在区分碳和合金钢之前, 了解他们的命名惯例至关重要.
在四位数的AISI中 (美国铁与钢铁学院) 系统, 前两个数字识别钢铁家族, 最后两个数字指定了名义碳含量 (百分之一百分之一, 到 1.00 %).
例如, “ 10”前缀指定普通碳钢, 和 1018 包含 0.18 % 碳和 1045 包含 0.45 %.
同样地, 4140 - 尽管其“ 41”前缀 - 也表示 0.40 % 碳, 但是作为铬合金铬家族的一部分.
所有“ 10”系列等级包括少量锰, 磷, 和硅以完善谷物结构并提高强度.
偶尔, 后缀字母出现: l 指示添加了较高可加工性的引线, 和 b 信号是增加硼的添加，可增强更深层的较深层.
通过解码这些前缀, 数字, 和字母, 您可以预测钢的基本化学反应，从而推断出其硬度, 抗拉强度, 和热处理的适合性.
以下是完整的四位数AISI/SAE编号表, 显示两个普通碳的次级 (10xx – 15xx) 和主要合金钢系列 (2xxx – 9xxx).
最后两个数字总是给名义C含量以百分百的百分点提供 (例如. “ 18”→ 0.18 %c).
| 系列 | 主要合金元素(s) | 碳范围 (%c) | 关键特征 / 笔记 |
|---|---|---|---|
| 10xx | 普通碳 (c + Mn, p, 和) | 0.06 - 0.60 | 冷点 & 热卷碳钢 (例如. 1018, 1045) |
| 11xx | 重硫化碳 (添加s) | 0.06 - 0.60 | 更好的可加工性 (例如. 1117, 1144) |
| 12xx | 重污染 + 重塑碳 (s+p) | 0.06 - 0.60 | 石油硬化, 良好的可加工性 (例如. 1215) |
| 15xx | 高锰碳 (添加〜1.00 % Mn) | 0.20 - 0.50 | 力量提高 & 可加工性 (例如. 1541) |
| 15BXX | 高锰 + 硼 (B〜0.0005–0.003 %) | 0.20 - 0.50 | 增强的坚固性 |
2xxx |
镍钢 (在1-5 %) | 0.06 - 0.60 | 艰难的, 低温性能 (例如. 2024) |
| 3xxx | 镍铬钢 (在 + Cr) | 0.06 - 0.60 | 耐热 & 高强度 (例如. 3090) |
| 4xxx | 钼钢 (mo 0.2–0.5 %) | 0.06 - 0.60 | 高温强度, 耐腐蚀性 (例如. 4042) |
| 41xx | 铬粉钢 (Cr + 莫) | 0.06 - 0.60 | 良好的坚固性 & 戴阻力 (例如. 4140, 4130) |
| 43xx | 铬钢 (CR 0.5–1.5 %) | 0.06 - 0.60 | 高力量, 一些耐腐蚀性 (例如. 4310) |
5xxx |
铬钢 (CR高于4xxx) | 0.06 - 0.60 | 空防护工具钢 (例如. 5140) |
| 6xxx | 铬 - 瓦纳德木 (Cr + v) | 0.06 - 0.60 | 春天 & 高压力零件 (例如. 6150) |
| 7xxx | 钨钢 (W 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | 高速 & 热加工工具钢 (例如. 7XXX HSS系列) |
| 8xxx | 镍 - 氯顿牛肉 (AT + Cr + i) | 0.06 - 0.60 | 超高强度 & 韧性 (例如. 815M40) |
| 9xxx | 硅 - 曼加尼斯钢 (和 + Mn) | 0.06 - 0.60 | 弹簧钢, 高疲劳生活 (例如. 9260) |
后缀字母
- l: 添加了潜在客户以提高可加工性 (例如. 1215l)
- b: 添加了硼的可耐用性 (例如. 8640b)
- h: 特殊的可耐用性要求 (例如. 4140h)
5. 合金钢与机械性能. 碳钢
机械性能驱动材料选择, 和合金vs碳钢在关键指标中显着分解.
抗拉强度, 屈服强度, 和延性
- 碳钢: 低碳等级 (例如. AISI 1018) 表现出约400-550 MPa的拉伸强度，并在250–350 MPa附近产生强度, 休息时伸长率20-30 %.
中碳钢 (例如. 1045) 将拉伸强度推至600–800 MPa，产量为350–550 MPa, 但是延性降至〜15 %. - 合金钢: 相比之下, 一个 4340 合金钢, 淬火和脾气暴躁, 达到拉伸强度 1 100–1 400 MPA和屈服强度为950–1 150 MPA, 同时保持12-18 % 伸长.
最后, 合金钢的最多是碳钢的强度的两倍，而无需牺牲过多的延展性.
而且, 战略添加（例如镍或钒）量身定制产量行为.
例如, 一个 2 % NI低合金级将影响测试的产量提高〜10 % 与类似的CR-MO钢相比.
硬度和耐磨性
- 碳钢: 热处理的高碳钢可以到达 60 HRC (罗克韦尔硬度c), 为刀片和弹簧提供良好的耐磨性.
然而, 碳超过 0.8 %, 淬灭期间的外形性遭受和破裂的风险升高. - 合金钢: 工具钢 (例如. D2与〜12 % Cr, 1.5 % c) 达到62–64 HRC，具有出色的边缘保留率.
同时, Tungsten-Aloy热工作成绩 (H13) 交付48–52 HRC以及红色hardness 600 °C.
此外, 合金钢通常嵌入硬碳酸盐 (Cr, v, 或w) 这种抵抗磨损远胜于碳钢的水泥岩.
最后, 您会在高衣模具中看到碳化物 - 固定合金持续2-3倍.
韧性和影响力
- 碳钢: 低碳钢很容易吸收撞击, 在室温下产生80-120 J的夏比V-Notch值.
然而, 随着碳的攀登 0.6 %, 韧性下面下方 20 j, 使脆性骨折更有可能. - 合金钢: 含镍合金 (例如. 8640 和 2 % 在) 维持上方的夏比价值 50 J甚至在–40°C.
而且, 微合成钒钢提供高断裂韧性 (k_ic > 80 mpa·√m) 通过完善晶粒尺寸.
疲劳性能和抗蠕变性
- 疲劳: 合金钢通常表现出疲劳限制约50-60 % 终极拉伸强度, 相比之下约40 % 对于碳钢.
例如, 淬火和脾气暴躁 4140 合金的耐力极限接近 650 MPA, 然而 1045 悬停在 320 MPA. - 蠕变: 在升高温度下 (> 300 °C), 碳钢迅速爬行, 限制在热暴露零件中的使用.
反过来, CR-MO和NI-CR-MO合金在数千小时内承受200-300 MPa的压力，并且 550 °C, 多亏了稳定的碳化物网络，这些网络阻碍了谷物边界滑动.
比较表
| 性能特性 | 碳钢 | 合金钢 |
|---|---|---|
| 抗拉强度 | 400 - 550 MPA (低-C); 600 - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - 1 400 MPA (例如. 4340 QT) |
| 屈服强度 | 250 - 350 MPA (低-C); 350 - 550 MPA (Med-C) | 950 - 1 150 MPA (例如. 4340 QT) |
| 延性 (断裂伸长率) | 20 - 30 % (低-C); 〜15 % (Med-C) | 12 - 18 % (4340 QT); 随着合金元素的变化 |
| 硬度 (热处理后HRC) | 最多约60 hrc (高-C); 猝灭裂纹的风险高于〜0.8 % c | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); 保持在温度升高 |
夏比的影响 (20 °C) |
80 - 120 j (低-C); < 20 j (高-C) | ≥ 50 J处–40°C (尼·纳米等级); k_ic > 80 mpa·√m (V-微合金钢) |
| 疲劳极限 | 〜40 % UTS (例如. 〜320 MPA 1045) | 〜50 - 60 % UTS (例如. 〜650 MPa用于淬火和脾气暴躁 4140) |
| 蠕变阻力 (在 > 300 °C) | 贫穷的; 快速变形限制使用 | 良好; CR-MO和NI-CR-MO合金保持 200 - 300 MPA应力在〜550°C下数千小时 |
| 戴阻力 | 取决于水泥岩; 缓和 | 由于硬cr而出色, v, 或W碳化物; 持续 2 - 在模具和模具中长3× |
QT =淬火
6. 腐蚀和环境抵抗
- 碳钢 容易氧化, 在环境条件下，典型的腐蚀速率为0.1-0.5毫米/年.
- 合金钢 ≥ 12 % CR形成钝化电影, 将腐蚀率降低到 < 0.01 在许多环境中/年mm/年.
而且, 镍和钼添加在富含氯化物的培养基中的战斗点. 虽然涂料 (镀锌, 环氧树脂) 帮助碳钢, 他们增加了重复的维护成本.
相比之下, 仅凭冶金.
7. 热处理和合金钢与制造. 碳钢
- 碳钢 热处理 - 解放, 标准化, 淬火 & 脾气 - 控制硬度和韧性. 例如, 1045 油在油中淬火〜55 hrc.
- 合金钢 经常接受解决方案处理 (例如。, 17-4pH不锈钢) 或年龄硬化 (例如。, 基于NI的Superalloys) 解锁峰值特性.
此外, 合金含量上升时的可焊性和外形性下降.
例如, 纯碳 1018 通用电极轻松焊接, 而奥氏体不锈钢304L需要专门的填充剂和预热.
最后, 制造商计划更严格的控件和高合金等级的焊接后处理.
8. 成本和经济考虑
| 成本因素 | 碳钢 | 合金钢 |
|---|---|---|
| 原料 | $500 - $700 每个音调 | $1,000 - $3,000 每个音调 (取决于合金) |
| 活力 & 加工 | 一般 (更简单的熔体 & 精炼) | 高的 (真空处理, 精确构图) |
| 热处理 | $50 - $200 每个音调 | $200 - $800 每个音调 (复杂的周期) |
| 维护 & 生命周期 | 周期性重复或腐蚀修复 | 最小的不锈钢和风化钢 |
| 总拥有成本 (TCO) | 较低的前期; 更高的保养 | 更高的投资; 降低生命周期成本 |
9. 合金与碳钢的应用
碳钢应用
- 建造: 结构梁, 加固条
- 汽车: 帧, 车身面板
- 管道 & 压力容器: 油, 水, 天然气运输
- 通用工程: 机械零件, 农场设备
合金钢的应用
- 航天: 起落架, 涡轮磁盘
- 油 & 气体: 钻领, 海底阀
- 发电: 锅炉管, 核反应堆成分
- 高温环境: 炉零件, 热交换器
10. 合金钢与碳钢之间有什么区别?
| 方面 | 碳钢 | 合金钢 |
|---|---|---|
| 化学组成 | 铁 + 0.05–1.0 % c; Mn的痕迹, 和, p, s | 铁 + c + ≥ 0.5 % 战略要素 (Cr, 在, 莫, v, w, b, ETC。) |
| 碳含量 | 0.05–2.0 % | 通常为0.1–1.0 %, 但是随着成绩而变化 |
| 主要合金元素 | 没有任何 (超越痕迹) | Cr, 在, 莫, v, w, B-每个都为硬度量身定制, 韧性, 腐蚀或高压强度 |
| 抗拉强度 | 400–800 MPA (低的- 到高-C) | 900–1 400 MPA (低的- 高合金淬灭 & 纠正) |
| 屈服强度 | 250–550 MPA | 800–1 200 MPA |
| 伸长 (延性) | 20–30 % (低-C); 〜10–15 % (高-C) | 10–20 %, 取决于合金混合 |
| 硬度 (HRC) | ≤ 60 HRC (高C等级) | 48–64 HRC (工具到达 65 HRC; 热工作等级〜50 hrc) |
戴阻力 |
一般 (基于水泥岩) | 高的 (CR的硬碳纤维, v, w); 2–3×磨损寿命更长 |
| 腐蚀速率 | 0.1–0.5 mm/yr未涂层 | < 0.01 mm/yr不锈钢/风化; 0.02低合金的–0.1 mm/yr |
| 导热率 | 45–60 W/m·k | 20–50 w/m·k (CR/NI合金较低; MO/W合金更高) |
| 热膨胀 | 11–13×10⁻⁶/k | 10–17×10⁻⁶/k (不锈≈ 17; Cr-mo≈ 11; 儿童≈ 13) |
| 电阻率 | 10–15 µΩ·cm | 20–100 µΩ·cm (不锈钢〜70; 合金内容升起) |
| 磁渗透性 | 高的 (≈200–1 000) | 多变的: 奥氏体低 (〜1–2), 高铁/马氏体等级 |
| 热处理 | 简单的: 退火, 归一化, 淬火 & 脾气 | 复杂的: 解决方案处理, 年龄段的人, 精确的淬火率, 特殊焊后热处理 |
制造 |
出色的表现性, 可焊性, 可加工性 | 随着合金内容的增加，更具挑战性 - 重新测量控制和专业的消耗品 |
| 密度 | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (合金元素略有不同) |
| 最大服务温度. | ≤ 300 °C (在上面爬行/缩放加速) | 400–600°C (CR-MO); 700–1 000 °C (基于NI的Superalloys) |
| 成本 (美元/吨) | $500 - 700美元 | $1 000 - $ 3 000 (取决于合金复杂性) |
| 典型的应用 | 结构梁, 汽车帧, 管道, 通用工程零件 | 航空航天组件, 油 & 气门, 动力涡轮机, 高性能工具, 医疗的 |
11. 结论
总之, 合金钢与. 碳钢每个占据重要的生态位.
碳钢可负担性, 易于制造, 以及日常结构和机械用途的足够性能.
反过来, 合金钢（具有增强的机械和耐腐蚀特性）增强了航空航天的需求, 活力, 和其他高风险行业.
通过评估化学构成, 机械要求, 制造能力, 和经济因素, 工程师可以选择平衡成本的最佳钢等级, 耐用性, 和性能.
