Маркировка стали:химический состав и свойства

Определяющие характеристики стали

Системы классификации стали учитывают химический состав, обработку и механические свойства, чтобы производители могли выбрать соответствующий продукт для своего применения. Помимо фактического процентного содержания углерода и других сплавов в материале, микроструктура также оказывает значительное влияние на механические свойства стали.

Важно понимать определение микроструктуры и то, как можно манипулировать микроструктурой стали с помощью горячей и холодной штамповки и после изготовления. Эти методы могут быть использованы для разработки продуктов с определенными механическими свойствами. Однако изменение состава и микроструктуры приведет к компромиссу между различными свойствами. Например, более твердая сталь может иметь меньшую прочность.

Микроструктура

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

Микроструктура не видна невооруженным глазом, но может быть изучена под микроскопом. Сталь может иметь несколько различных микроструктур:феррит, перлит, мартенсит, цементит и аустенит.

Феррит

Феррит — это термин, используемый для обозначения молекулярной структуры чистого железа при комнатной температуре. Сталь с очень низким содержанием углерода также будет иметь такую ​​же микроструктуру. Характерной формой феррита является объемно-центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая структура. Визуально представьте себе куб с одной молекулой в каждом углу и молекулой в центре куба. Молекулы в ОЦК упакованы более рыхло, чем в других микроструктурах, которые содержат больше молекул внутри каждого куба. Однако количество углерода, которое можно добавить без изменения микроструктуры феррита, невелико и составляет всего 0,006 % при комнатной температуре.

Аустенит

Аустенит представляет собой микроструктуру, которая образуется при нагревании сплавов на основе железа выше 1500°F, но ниже 1800°F. Если в стали присутствует правильный сплав, такой как никель, материал сохранит эту микроструктуру даже при охлаждении. Характерной формой аустенита является гранецентрированная кубическая (ГЦК) кристаллическая структура. Визуально представьте себе куб с одной молекулой в каждом углу и молекулой в центре каждой стороны куба. Молекулы в аустенитной конфигурации упакованы более плотно, чем в ферритной. Аустенит может содержать до 2 % углерода и является обычной микроструктурой нержавеющей стали.

Цементит

Когда углеродистая сталь нагревается до аустенитного диапазона, а затем охлаждается без какого-либо сплава, чтобы сохранить аустенитную форму, микроструктура возвращается к ферритной форме. Однако, если содержание углерода превышает 0,006%, избыточные атомы углерода объединяются с железом, образуя химическое соединение, называемое карбидом железа (Fe3C), также известное как цементит. Цементит не образуется сам по себе, поскольку часть материала остается в форме феррита.

Перлит

Перлит представляет собой слоистую структуру, образованную чередующимися слоями феррита и цементита. Это происходит, когда сталь медленно охлаждается, образуя эвтектическую смесь. Эвтектическая смесь – смесь, в которой одновременно кристаллизуются два расплавленных материала. В этих условиях феррит и цементит образуются одновременно, что приводит к чередованию слоев в микроструктуре.

Мартенсит

Мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую структуру. Эта микрокристаллическая форма достигается за счет быстрого охлаждения стали, что приводит к захвату атомов углерода внутри решетки железа. В результате получается очень твердая игольчатая структура из железа и углерода. Сталь с мартенситной микрокристаллической структурой обычно представляет собой низкоуглеродистый стальной сплав, содержащий около 12 % хрома.

Производителям и потребителям стали важно понимать микроструктуру стали и то, как она влияет на механические свойства материала. Содержание углерода, концентрации сплавов и методы отделки — все это влияет на микроструктуру и поэтому может использоваться для управления свойствами готового продукта. Два образца с одинаковым содержанием сплава могут иметь различную микроструктуру в зависимости от используемых методов отделки и термообработки.

Горячее и холодное формование

После того, как расплавленная сталь отлита, ей необходимо придать окончательную форму, а затем обработать, чтобы предотвратить коррозию. Сталь обычно отливается в готовые к обработке формы:блюмы, заготовки и плиты. Затем литые формы формуют прокаткой. Прокатку можно проводить горячей, теплой или холодной в зависимости от материала и целевого применения. При прокатке деформация сжатия осуществляется с помощью двух рабочих валков. Ролики быстро вращаются, одновременно вытягивая и сжимая сталь между собой.

Холодное формование

Холодная штамповка – это процесс прокатки стали ниже температуры рекристаллизации. Давление, оказываемое валками на сталь, вызывает дислокации в микроструктуре материала, что приводит к образованию зерен в материале. По мере накопления этих дислокаций сталь становится тверже и ее труднее деформировать дальше. Холодная прокатка также делает сталь хрупкой, что можно устранить с помощью термической обработки.

После завершения прокатки стальные детали обрабатываются с использованием методов вторичной обработки для предотвращения коррозии и улучшения механических свойств:

• Покрытие
• Обработка поверхности
• Термическая обработка

Термическая обработка

Влияние термообработки

Микроструктуру стали можно изменить путем контролируемого нагрева и охлаждения. Это привело к разработке различных методов термической обработки для модификации микроструктуры и достижения желаемого изменения механических свойств.

Стальные микроструктуры претерпевают изменение фаз при определенных температурах. Термическая обработка основана на понимании и управлении определенными точками трансформации:

• Нормализация температуры
  Аустенит является фазой, из которой образуются другие структуры. Большинство термообработок начинается с нагрева стали до однородной аустенитной фазы при температуре 1500–1800 °F.
• Верхняя критическая температура
  Верхняя критическая температура – ​​это точка, ниже которой начинается образование цементита или феррита. Это происходит при охлаждении стали от температуры нормализации. В зависимости от содержания углерода эта точка находится в пределах 1333–1670 °F.
• Снижение критической температуры
  Низкая критическая температура является точкой перехода аустенита в перлит. Аустенит не может существовать ниже нижней критической температуры 1333°F.

Скорость охлаждения — от температуры нормализации до верхней и нижней критических температур — будет определять результирующую микроструктуру стали при комнатной температуре.

Термическая обработка включает ряд процессов, включая отжиг, закалку и отпуск. В стали пластичность и прочность находятся в обратной зависимости. Термическая обработка может либо повысить пластичность за счет прочности, либо наоборот.

Виды термической обработки

Сфероидизация

Сфероидизация происходит, когда углеродистая сталь нагревается примерно до 1290°F в течение 30 часов. Слои цементита в микроструктуре перлита трансформируются в сфероид, в результате чего получается самая мягкая и пластичная форма стали.

Полный отжиг

Углеродистая сталь отжигается путем сначала нагревания немного выше верхней критической температуры, поддерживая эту температуру в течение часа, а затем охлаждения со скоростью примерно 36°F в час. Этот процесс создает грубую перлитную структуру, пластичную и не имеющую внутренних напряжений.

Процесс отжига

Технологический отжиг снимает напряжение в холоднодеформированной низкоуглеродистой стали (> 0,3% C). Сталь нагревают до 1025–1292 ° F в течение одного часа. Дислокации в микроструктуре исправляются путем переформовки кристалла перед охлаждением.

Изотермический отжиг

Высокоуглеродистая сталь сначала нагревается выше верхней критической температуры. Затем его выдерживают, охлаждают до более низкой критической температуры и снова выдерживают. Затем его постепенно охлаждают до комнатной температуры. Этот процесс гарантирует, что материал достигнет однородной температуры и микроструктуры перед следующим этапом охлаждения.

Нормализация

Углеродистая сталь нагревается до температуры нормализации в течение одного часа. В этот момент сталь полностью переходит в аустенитную фазу. Затем сталь охлаждают на воздухе. Нормализация создает тонкую перлитную микроструктуру с высокой прочностью и твердостью.

Закалка

Средне- или высокоуглеродистая сталь нагревается до температуры нормализации, затем закаливается (быстрое охлаждение погружением в воду, рассол или масло) до верхней критической температуры. В процессе закалки образуется мартенситная структура — чрезвычайно твердая, но хрупкая.

Отпуск закаленной стали

Наиболее распространена термическая обработка, поскольку ее результат можно точно предсказать. Закаленная сталь повторно нагревается до температуры ниже нижней критической точки, затем охлаждается. Температуры варьируются в зависимости от предполагаемого результата - наиболее распространенным является диапазон 298–401 ° F. Этот процесс восстанавливает некоторую прочность хрупкой закаленной стали за счет образования некоторого количества сфероидита.

Механические свойства

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

Основные механические свойства стали

Твердость

Твердость – это способность материала противостоять истиранию. Увеличение твердости может быть достигнуто за счет увеличения содержания углерода и закалки, которая приводит к образованию мартенсита.

Сила

Прочность металла – это сила, необходимая для деформации материала. Нормализация куска стали повысит его прочность за счет создания однородной микроструктуры по всему материалу.

Пластичность

Пластичность – это способность металла деформироваться под действием растягивающих усилий. Холоднодеформированная сталь имеет низкую пластичность из-за дислокаций в микроструктуре. Технологический отжиг улучшит это, позволив кристаллам преобразоваться и, следовательно, устранить некоторые дислокации.

Прочность

Прочность – это способность выдерживать нагрузки без разрушения. Закаленная сталь может быть сделана более прочной путем отпуска, при котором к микроструктуре добавляются сфероиды.

Обрабатываемость

Обрабатываемость - это легкость, с которой сталь может быть обработана резанием, шлифованием или сверлением. На обрабатываемость в первую очередь влияет твердость. Чем тверже материал, тем труднее его обрабатывать.

Свариваемость

Свариваемость – это способность стали свариваться без дефектов. В первую очередь это зависит от химического состава и термической обработки. Температура плавления, а также электрическая и теплопроводность влияют на свариваемость материала.

Дополнительную информацию о механических свойствах и испытаниях стали см. в статье о свойствах и производстве стальных отливок.

Дескрипторы качества

Дескрипторы качества применяются к стальной продукции в широких категориях, таких как торговое, промышленное или структурное качество. Эти этикетки помечают определенную сталь как подходящую для конкретных применений и производственных процессов, что позволяет быстрее ориентироваться на рынке и принимать решения. Сталь помещается в определенные категории на основе нескольких различных факторов:

• Внутренняя надежность
• Химический состав и однородность
• Степень дефектов поверхности
• Объем тестирования во время производства
• Количество, размер и распределение включений
• Прокаливаемость

Системы классификации стали

Спецификации, например, выпущенные ASTM, AISI (Американский институт чугуна и стали) и SAE, предоставляют инженерам, производителям и потребителям стандартный язык для описания свойств стали. Оценка часто очень специфична и включает в себя все, от химического состава, физических свойств, термической обработки, процессов изготовления и форм.

АСТМ

В системе ASTM используется описательная буква, за которой следует порядковый номер. Например, "A" означает черный металл, а "53" – номер, присвоенный оцинкованной углеродистой стали.

ASTM A53 будет иметь следующие свойства:

• Химический состав, не более %
  • Углерод:0,25 (класс A), 0,30 (класс B)
  • Марганец:0,95 (класс A), 1,20 (класс B)
  • Фосфор:0,05
  • Сера:0,045
• Механические свойства
  • Прочность на растяжение, UTS:330 МПа или 48 000 фунтов на кв. дюйм (класс A), 414 МПа или 60 000 фунтов на кв. дюйм (класс B)
  • Предел прочности при растяжении, предел текучести:207 МПа или 30 000 фунтов на кв. дюйм (класс A), 241 МПа или 35 000 фунтов на кв. дюйм (класс B)
• Форма и обработка
  • Труба NPS 1/8 – NPS 26
  • Оцинкованная сталь
  • Черный и горячий.
  • Оцинкованное покрытие
  • Сварные и бесшовные

САЕ

В системе нумерации AISI/SAE для классификации используется 4-значный номер. Первые две цифры указывают на тип стали и концентрацию легирующих элементов, а последние две цифры указывают на концентрацию углерода.

Например, SAE 5130 описывает сталь, содержащую 1% хрома и 0,30% углерода. Буквенные префиксы используются в качестве дескрипторов качества продавца.