Маркировка стали: химия, свойства и руководство по выбору

Определяющие характеристики стали

Системы маркировки стали учитывают химический состав, обработку и механические свойства, чтобы позволить изготовителям выбирать подходящий продукт для своего применения. Помимо фактического процента углерода и других сплавов в материале, микроструктура также имеет значительное влияние на механические свойства стали.

Важно понимать определение микроструктуры — и то, как микроструктура стали может быть манипулирована с помощью горячего и холодного формовки и после производства. Эти техники можно использовать для разработки продуктов с конкретными механическими свойствами. Однако манипулирование составом и микроструктурой приведет к компромиссу между разными свойствами. Например, более твердая сталь может оказаться с пониженной прочностью.

Микроструктура

Микроструктура материала — это способ, которым молекулы соединены вместе с силами, работающими между этими молекулами. Процессы нагрева и охлаждения используются для изменения микроструктуры из одной формы в другую, тем самым меняя свойства материала.

Микроструктура не наблюдается невооруженным глазом, но может изучаться под микроскопом. Сталь может принимать несколько отличных микроструктур — феррит, перлит, мартенсит, цементит и аустенит.

Феррит

Феррит — термин для молекулярной структуры чистого железа при комнатной температуре. Сталь с очень низким содержанием углерода также примет эту же микроструктуру. Характерная форма феррита — телоцентрированная кубическая (BCC) кристаллическая структура. Визуально представьте куб с одной молекулой в каждом углу и молекулой в центре куба. Молекулы менее плотно упакованы в BCC, чем в других микроструктурах, содержащих больше молекул в каждом кубе. Однако количество углерода, которое можно добавить без изменения ферритовой микроструктуры, низко — всего 0,006% при комнатной температуре.

Аустенит

Аустенит — микроструктура, формируемая когда железо-базированные сплавы нагреваются выше 1500 °F но ниже 1800 °F. Если в стали присутствует правильный сплав, такой как никель, материал сохранит эту микроструктуру даже при охлаждении. Характерная форма аустенита — гранецентрированная кубическая (FCC) кристаллическая структура. Визуально представьте куб с одной молекулой в каждом углу и молекулой в центре каждой грани куба. Молекулы в аустенитовой конфигурации упакованы более плотно, чем в феррите. Аустенит может содержать до 2% углерода и является распространенной микроструктурой нержавеющей стали.

Цементит

Когда углеродистая сталь нагревается в аустенитный диапазон — а затем охлаждается без какого-либо сплава для сохранения аустенитовой формы — микроструктура возвращается в ферритовую форму. Однако если содержание углерода больше 0,006%, избыточные атомы углерода комбинируются с железом для образования химического соединения, называемого карбидом железа (Fe3C), также известным как цементит. Цементит не встречается сам по себе, потому что часть материала останется в ферритовой форме.

Перлит

Перлит — слоистая структура, образованная чередующимися слоями феррита и цементита. Он возникает, когда сталь охлаждается медленно, образуя эвтектическую смесь. Эвтектическая смесь — та, в которой два расплавленных материала кристаллизуются одновременно. При этих условиях феррит и цементит формируются одновременно, в результате чего в микроструктуре образуются чередующиеся слои.

Мартенсит

Мартенсит имеет телоцентрированную тетрагональную кристаллическую структуру. Эта микрокристаллическая форма достигается быстрым охлаждением стали, что заставляет атомы углерода застрять внутри железной решетки. Чистый результат — очень твердая, игольчатая структура железа и углерода. Сталь с мартенситовой микрокристаллической структурой обычно низкоуглеродистая сталь, содержащая около 12% хрома.

Важно для производителей и потребителей стали понимать микроструктуру стали и как она влияет на механические свойства материала. Содержание углерода, концентрации сплавов и методы отделки все влияют на микроструктуру и поэтому могут использоваться для манипулирования свойствами готового продукта. Две пробы с одинаковым составом сплава могут иметь разные микроструктуры в зависимости от методов отделки и термической обработки.

Горячее и холодное формование

После того как расплавленная сталь отлита, она должна быть сформирована в конечную форму и затем отдолочена для предотвращения коррозии. Сталь обычно отливается в машино-готовые формы: блумы, биллеты и плиты. Облицовочные формы затем формовывают прокаткой. Прокатка может проводиться горячей, теплой или холодной в зависимости от материала и целевого применения. Во время прокатки деформация сжатия достигается с использованием двух рабочих валков. Валы вращаются быстро, чтобы одновременно тянуть и выдавливать сталь между ними.

Холодное формование

Холодное формование — процесс прокатки стали ниже ее температуры рекристаллизации. Давление, оказываемое валами на сталь, вызывает дислокации в микроструктуре материала, тем самым создавая зерна в материале. По мере накопления этих дислокаций сталь становится тверже и труднее для дальнейшей деформации. Холодная прокатка также заставляет сталь стать хрупкой, что можно преодолеть термической обработкой.

После завершения прокатки стальные заготовки доводят с помощью вторичных технологий обработки для предотвращения коррозии и улучшения механических свойств:

• Покрытие
• Поверхностная обработка
• Термическая обработка

Термическая обработка

Эффекты термической обработки

Микроструктура стали может быть изменена через контролируемый нагрев и охлаждение. Это привело к разработке различных методов термической обработки для модификации микроструктуры и достижения желаемого изменения механических свойств.

Стальные микроструктуры переживают смену фаз при специфических температурах. Термическая обработка основана на понимании и манипулировании определенными точками трансформации:

• Температура нормализации
  Аустенит — фаза, из которой формируются другие структуры. Большинство термических обработок начинаются с нагрева стали до равномерной аустенитовой фазы 1500–1800 °F.
• Верхняя критическая температура
  Верхняя критическая температура — точка, ниже которой начинают формироваться цементит или феррит. Это происходит когда сталь охлаждается от температуры нормализации. В зависимости от содержания углерода, эта точка лежит между 1333–1670 °F.
• Нижняя критическая температура
  Нижняя критическая температура — точка аустенит-перлитного превращения. Аустенит не может существовать ниже нижней критической температуры 1333 °F.

Скорость охлаждения — от температуры нормализации и через верхнюю и нижнюю критические температуры — определит результирующую микроструктуру стали при комнатной температуре.

Термическая обработка включает ряд процессов, включая отжиг, закалку и отпуск. В стали вязкость и прочность имеют обратную зависимость. Термические обработки могут либо увеличить вязкость за счет прочности, либо наоборот.

Типы термической обработки

Сфериодизация (Spheroidizing)

Сфериодизация происходит, когда углеродистая сталь нагревается примерно до 1290 °F на 30 часов. Слои цементита в перлитовой микроструктуре трансформируются в сфероиды, в результате чего получается самая мягкая и вязкая форма стали.

Полный отжиг (Full annealing)

Углеродистая сталь отжигается путем нагрева слегка выше верхней критической температуры — поддержания этой температуры на час — затем охлаждения со скоростью примерно 36 °F в час. Этот процесс производит крупную перлитовую структуру, которая вязка без внутренних напряжений.

Процессный отжиг (Process annealing)

Процессный отжиг снимает напряжения в холодно-деформированной низкоуглеродистой стали (> 0,3% C). Сталь нагревается до 1025–1292 °F на один час. Дислокации в микроструктуре ремонтируются реформированием кристалла перед охлаждением.

Изотермический отжиг (Isothermal annealing)

Высокоуглеродистая сталь сначала нагревается выше верхней критической температуры. Затем она поддерживается, охлаждается до нижней критической температуры и поддерживается снова. Затем она постепенно охлаждается до комнатной температуры. Этот процесс гарантирует, что материал достигает равномерной температуры и микроструктуры перед следующим шагом охлаждения.

Нормализация (Normalizing)

Углеродистая сталь нагревается до температуры нормализации на один час. В этот момент сталь полностью входит в аустенитовую фазу. Сталь затем охлаждается на воздухе. Нормализация создает мелкую перлитовую микроструктуру с высокой прочностью и твердостью.

Закалка (Quenching)

Средне- или высокоуглеродистая сталь нагревается до температуры нормализации, затем закаляется (быстрое охлаждение погружением в воду, рассол или масло) до верхней критической температуры. Процесс закалки производит мартенситовую структуру — экстремально твердую, но хрупкую.

Отпуск закаленной стали (Tempering quenched steel)

Самый распространенный вид термической обработки, потому что его результат можно точно предсказать. Закаленная сталь перегревается до температуры ниже нижней критической точки, затем охлаждается. Температуры варьируются в зависимости от предполагаемого результата — диапазон 298–401 °F наиболее распространен. Этот процесс восстанавливает некоторую вязкость хрупкой закаленной стали, позволяя некоторым сфероидитам сформироваться.

Механические свойства

Механические свойства измеряются в соответствии с международными стандартами, такими как ASTM (Американское общество испытаний и материалов) или SAE (Общество автомобильных инженеров).

Ключевые механические свойства стали

Твердость

Твердость — способность материала выдерживать абразию. Повышение твердости можно достичь повышением содержания углерода и закалкой, ведущей к формированию мартенсита.

Прочность

Прочность металла — количество силы, необходимое для деформации материала. Нормализация куска стали улучшит его прочность, создавая последовательную микроструктуру по всему материалу.

Вязкость

Вязкость — способность металла деформироваться под напряжением растяжения. Холодно-деформированная сталь имеет низкую вязкость из-за дилокаций в микроструктуре. Процессный отжиг улучшит это, позволяя кристаллам реформироваться и тем самым устранить некоторые дилокации.

Ударная вязкость (Toughness)

Ударная вязкость — способность выдерживать напряжение без разрушения. Закаленную сталь можно сделать более вязкой отпуском, который добавляет сфероидиты в микроструктуру.

Обрабатываемость (Machinability)

Обрабатываемость — легкость, с которой сталь может быть формована резанием, шлифовкой или сверлением. Обрабатываемость влияет в основном твердость. Чем тверже материал, тем труднее его обрабатывать.

Сваропригодность (Weldability)

Сваропригодность — способность стали сваркиваться без дефектов. Она в основном зависит от химического состава и термической обработки. Температура плавления, а также электрическая и тепловая проводимость все влияют на сваропригодность материала.

Для получения дополнительной информации о механических свойствах и испытаниях стали см. свойства и производство стальных отливок.

Качественные дескрипторы

Качественные дескрипторы применяются к стальным продуктам в широких категориях, таких как торговая, промышленная или строительная качественность. Эти ярлыки помечают определенную сталь как подходящую для конкретных применений и фабрикационных процессов, позволяя быстрее ориентироваться на рынке и принимать решения. Сталь помещается в конкретные категории на основе нескольких факторов:

• Внутренняя целостность
• Химический состав и однородность
• Степень поверхностных дефектов
• Объем испытаний во время производства
• Количество, размер и распределение включений
• Закаляемость

Системы маркировки стали

Спецификации, такие как выпускаемые ASTM, AISI (Американский институт железа и стали) и SAE, предоставляют стандартный язык для инженеров, фабрикаторов и потребителей для коммуникации свойств стали. Маркировка часто очень специфична — включая все от химических составов, физических свойств, термических обработок, фабрикационных процессов и форм.

ASTM

Система ASTM использует описательную букву, за которой следует порядковый номер. Например, 'A' указывает на черный металл, а '53' — номер, присвоенный оцинкованной углеродистой стали.

ASTM A53 будет иметь следующие свойства:

• Химический состав, макс. %
  • Углерод: 0,25 (марка A), 0,30 (марка B)
  • Марганец: 0,95 (марка A), 1,20 (марка B)
  • Фосфор: 0,05
  • Сера: 0,045
• Механические свойства
  • Предел прочности, UTS: 330 МПа или 48 000 psi (марка A), 414 МПа или 60 000 psi (марка B)
  • Предел текучести, Yield: 207 МПа или 30 000 psi (марка A), 241 МПа или 35 000 psi (марка B)
• Форма и обработка
  • Труба NPS 1/8 – NPS 26
  • Оцинкованная сталь
  • Черная и горячеоцинкованная
  • Цинковое покрытие
  • Сварная и бесшовная

SAE

Система нумерации AISI/SAE использует 4-значный номер для классификации. Первые две цифры указывают тип стали и концентрацию легирующего элемента, а последние две цифры — концентрацию углерода.

Например, SAE 5130 описывает сталь, содержащую 1% хрома и 0,30% углерода. Буквенные префиксы используются как качественные дескрипторы для торговой качественности.