Uhlíková ocel - Carbon steel
Oceli |
---|
Mikrostruktury |
Třídy |
Ostatní materiály na bázi železa |
Uhlíková ocel je ocel s uhlík obsah od přibližně 0,05% do 2,1% hmotnostních. Definice uhlíkové oceli z Americký institut pro železo a ocel (AISI) uvádí:
- není stanoven ani vyžadován minimální obsah chrom, kobalt, molybden, nikl, niob, titan, wolfram, vanadium, zirkonium, nebo jakýkoli jiný prvek, který má být přidán k dosažení požadovaného legovacího efektu;
- stanovené minimum pro měď nepřesahuje 0,40%;
- nebo maximální obsah zadaný pro některý z následujících prvků nepřekračuje uvedená procenta: mangan 1.65%; křemík 0.60%; měď 0.60%.[1]
Termín uhlíková ocel lze také použít ve vztahu k oceli, která není nerezová ocel; při tomto použití může uhlíková ocel zahrnovat legované oceli. Vysoce uhlíková ocel má mnoho různých použití, jako jsou frézky, řezné nástroje (například dláta) a vysoce pevné dráty. Tyto aplikace vyžadují mnohem jemnější mikrostrukturu, která zlepšuje houževnatost.
Se zvyšujícím se obsahem uhlíku má ocel schopnost stát se těžší a silnější přes tepelné zpracování; ale stává se méně tvárný. Bez ohledu na tepelné zpracování se snižuje vyšší obsah uhlíku svařitelnost. U uhlíkových ocelí snižuje vyšší obsah uhlíku bod tání.[2]
Typ
Mírná nebo nízkouhlíková ocel
Mírná ocel (železo obsahující malé procento uhlíku, silné a houževnaté, ale ne snadno temperovatelné), také známé jako obyčejná uhlíková ocel a nízkouhlíková ocel, je nyní nejběžnější formou oceli, protože její cena je relativně nízká, zatímco poskytuje materiálové vlastnosti, které jsou přijatelné pro mnoho aplikací. Mírná ocel obsahuje přibližně 0,05–0,30% uhlíku[1] takže je tvárný a tvárný. Mírná ocel má relativně nízkou pevnost v tahu, ale je levná a snadno tvarovatelná; lze zvýšit tvrdost povrchu nauhličování.[3]
V aplikacích, kde se k minimalizaci průhybu používají velké průřezy, není porušení výtěžkem rizikem, takže nízkouhlíkové oceli jsou nejlepší volbou, například jako konstrukční ocel. Hustota měkké oceli je přibližně 7,85 g / cm3 (7850 kg / m3 nebo 0,284 lb / in3)[4] a Youngův modul je 200 GPa (29 000 ksi).[5]
Zobrazují se nízkouhlíkové oceli výtěžek meze kluzu kde materiál má dva výnosové body. První výtěžek (nebo horní výtěžek) je vyšší než druhý a výtěžek dramaticky klesá po horním výtěžku. Pokud je nízkouhlíková ocel namáhána pouze do určitého bodu mezi horním a dolním mezem kluzu, pak se povrch vyvíjí Lüderovy kapely.[6] Nízkouhlíkové oceli obsahují méně uhlíku než jiné oceli a jsou lépe tvarovatelné za studena, což usnadňuje jejich manipulaci.[7]
Vysokopevnostní ocel
Vysokopevnostní oceli jsou nízkouhlíkové nebo jsou to oceli na spodním konci rozsahu se středním obsahem uhlíku,[Citace je zapotřebí ] které mají další legující přísady za účelem zvýšení jejich pevnosti, vlastností proti opotřebení nebo konkrétně pevnost v tahu. Mezi tyto legující přísady patří chrom, molybden, křemík, mangan, nikl a vanadium. Nečistoty jako např fosfor nebo síra mají omezený maximální povolený obsah.
Oceli s vyšším obsahem uhlíku
Uhlíkové oceli, které lze úspěšně podrobit tepelnému zpracování, mají obsah uhlíku v rozmezí 0,30–1,70% hmotnostních. Stopové nečistoty různých jiných elementy může mít významný vliv na kvalitu výsledné oceli. Stopové množství síra zejména ocel červeno-krátké, tj. křehký a drobivý při pracovních teplotách. Nízkolegovaná uhlíková ocel, jako např A36 stupeň kvality, obsahuje asi 0,05% síry a taje kolem 1426–1538 ° C (2599–2800 ° F).[8] Mangan se často přidává ke zlepšení kalitelnost nízkouhlíkových ocelí. Tyto přísady mění materiál na a nízkolegovaná ocel podle některých definic, ale AISI Definice uhlíkové oceli umožňuje až 1,65% hmotnostních manganu.
Klasifikace AISI
Uhlíková ocel je rozdělena do čtyř tříd na základě obsahu uhlíku:[1]
Nízkouhlíková ocel
Obsah 0,05 až 0,25% uhlíku (obyčejná uhlíková ocel).[1]
Středně uhlíková ocel
Přibližně 0,3–0,5% obsahu uhlíku.[1] Vyvažuje tažnost a pevnost a má dobrou odolnost proti opotřebení; používá se pro velké díly, kování a automobilové komponenty.[9][10]
Vysoce uhlíková ocel
Přibližně 0,6 až 1,0% obsahu uhlíku.[1] Velmi silné, používá se na pružiny, nástroje s hranami a vysoce pevné dráty.[11]
Ultravysokouhlíková ocel
Přibližně 1,25–2,0% obsah uhlíku.[1] Oceli, které lze temperovat na velkou tvrdost. Používá se pro speciální účely, jako jsou (neprůmyslové) nože, nápravy nebo údery. Většina ocelí s obsahem uhlíku vyšším než 2,5% se vyrábí za použití prášková metalurgie.
Tepelné zpracování
Účelem tepelného zpracování uhlíkové oceli je změnit mechanické vlastnosti oceli, obvykle tažnost, tvrdost, mez kluzu nebo odolnost proti nárazu. Mějte na paměti, že elektrická a tepelná vodivost je změněna jen mírně. Stejně jako u většiny zpevňovacích technik pro ocel Youngův modul (pružnost) není ovlivněna. Všechna ošetření tvárnosti obchodu s ocelí pro zvýšení pevnosti a naopak. Železo má vyšší rozpustnost pro uhlík v austenit fáze; proto všechna tepelná zpracování, s výjimkou sferoidizace a procesního žíhání, začínají zahříváním oceli na teplotu, při které může existovat austenitická fáze. Ocel je poté kalena (odtahována teplem) mírnou až nízkou rychlostí, což umožňuje uhlíku difundovat z austenitu za vzniku karbidu železa (cementitu) a zanechávat ferit, nebo vysokou rychlostí, zachycující uhlík v železu, čímž vzniká martenzit . Rychlost, kterou je ocel ochlazována skrz eutektoid teplota (asi 727 ° C) ovlivňuje rychlost, při které uhlík difunduje z austenitu a tvoří cementit. Obecně řečeno, rychlé chlazení zanechá karbid železa jemně rozptýlený a vytvoří jemně zrnitý perlit a pomalé ochlazení poskytne hrubší perlit. Chlazení hypoeutektoidní oceli (méně než 0,77% hmotn. C) vede k lamelární-perlitické struktuře vrstev karbidu železa s α-ferit (téměř čisté železo) mezi. Pokud se jedná o hypereutektoidní ocel (více než 0,77% hmot. C), pak je struktura plná perlit s malými zrny (většími než perlitová lamela) cementit vytvořené na hranicích zrn. Eutektoidní ocel (0,77% uhlíku) bude mít v zrnech perlitovou strukturu bez hranic s cementitem. Relativní množství složek se zjistí pomocí pravidlo páky. Následuje seznam možných druhů tepelného zpracování:
- Spheroidizing
- Sferoidit se tvoří, když se uhlíková ocel zahřívá na přibližně 700 ° C po dobu 30 hodin. Sferoidit se může tvořit při nižších teplotách, ale drasticky se prodlouží čas, protože se jedná o proces řízený difúzí. Výsledkem je struktura tyčinek nebo koulí cementitu v primární struktuře (ferit nebo perlit, v závislosti na tom, na které straně eutektoidu jste). Účelem je změkčit oceli s vyšším obsahem uhlíku a umožnit větší tvárnost. Jedná se o nejměkčí a nejtvrdší formu oceli.[12]
- Plné žíhání
- Uhlíková ocel se zahřívá na přibližně 40 ° C nad Ac3? nebo Acm? po dobu 1 hodiny; to zajišťuje vše ferit transformuje do austenit (Ačkoli cementit může stále existovat, pokud je obsah uhlíku větší než eutektoid). Ocel pak musí být ochlazována pomalu, v oblasti 20 ° C (36 ° F) za hodinu. Obvykle se chladí pouze v peci, kde je pec vypnutá a ocel je stále uvnitř. To má za následek hrubou perlitickou strukturu, což znamená "pásy" z perlit jsou tlusté.[13] Plně žíhaná ocel je měkká a tvárný, bez vnitřního pnutí, které je často nutné pro nákladově efektivní tváření. Pouze sféroidizovaná ocel je měkčí a tažnější.[14]
- Proces žíhání
- Proces používaný ke zmírnění namáhání za studena opracované uhlíkové oceli s méně než 0,3% C. Ocel se obvykle zahřívá na 550–650 ° C po dobu 1 hodiny, někdy však až na 700 ° C. Obrázek vpravo[je zapotřebí objasnění ] ukazuje oblast, kde probíhá procesní žíhání.
- Izotermické žíhání
- Jedná se o proces, při kterém se hypoeutektoidní ocel zahřívá nad horní kritickou teplotu. Tato teplota se udržuje po určitou dobu, poté se sníží pod nižší kritickou teplotu a opět se udržuje. Potom se ochladí na teplotu místnosti. Tato metoda eliminuje jakýkoli teplotní gradient.
- Normalizace
- Uhlíková ocel se zahřívá na přibližně 55 ° C nad Ac3 nebo Acm po dobu 1 hodiny; Tím je zajištěno, že se ocel zcela přemění na austenit. Ocel je poté chlazena vzduchem, což je rychlost chlazení přibližně 38 ° C (100 ° F) za minutu. Výsledkem je jemná perlitická struktura a jednotnější struktura. Normalizovaná ocel má vyšší pevnost než žíhaná ocel; má relativně vysokou pevnost a tvrdost.[15]
- Kalení
- Uhlíková ocel s alespoň 0,4% hmotn. C se zahřívá na normalizační teploty a poté se rychle ochladí (zchladí) ve vodě, solném roztoku nebo oleji na kritickou teplotu. Kritická teplota závisí na obsahu uhlíku, ale obecně se snižuje s rostoucím obsahem uhlíku. Výsledkem je martenzitická struktura; forma oceli, která má obsah super-nasyceného uhlíku v deformované krychlové struktuře centrované na tělo (BCC), správně nazývané tetragonální na tělo (BCT), s velkým vnitřním napětím. Takto kalená ocel je extrémně tvrdá, ale křehký, obvykle příliš křehký pro praktické účely. Tato vnitřní napětí mohou způsobit praskliny na povrchu. Kalená ocel je přibližně třikrát tvrdší (čtyři s více uhlíkem) než normalizovaná ocel.[16]
- Martempering (markýzování)
- Martempering není ve skutečnosti popouštěcí procedura, proto termín marquenching. Je to forma izotermického tepelného zpracování aplikovaného po počátečním ochlazení, typicky v lázni s roztavenou solí, při teplotě těsně nad „počáteční teplotou martenzitu“. Při této teplotě se zbytková napětí v materiálu uvolní a ze zadrženého austenitu může být vytvořen nějaký bainit, který neměl čas přeměnit se na cokoli jiného. V průmyslu se jedná o proces používaný k řízení tažnosti a tvrdosti materiálu. Při delším marchování se tažnost zvyšuje s minimální ztrátou síly; ocel je v tomto řešení udržována, dokud se nevyrovná vnitřní a vnější teplota součásti. Poté se ocel ochladí mírnou rychlostí, aby byl teplotní gradient minimální. Tento proces nejenže snižuje vnitřní napětí a praskliny, ale také zvyšuje odolnost proti nárazu.[17]
- Popouštění
- Toto je nejběžnější tepelné zpracování, s nímž se setkáváme, protože konečné vlastnosti lze přesně určit podle teploty a času popouštění. Popouštění zahrnuje opětovný ohřev kalené oceli na teplotu pod eutektoid teplota a poté chlazení. Zvýšená teplota umožňuje tvorbu velmi malého množství sféroiditu, což obnovuje tažnost, ale snižuje tvrdost. Skutečné teploty a časy jsou pečlivě voleny pro každou kompozici.[18]
- Austempering
- Proces austempering je stejný jako martempering, kromě toho, že kalení je přerušeno a ocel je udržována v lázni roztavené soli při teplotách mezi 205 ° C a 540 ° C a poté ochlazována mírnou rychlostí. Výsledná ocel, nazývaná bainit, vytváří v oceli jehlicovou mikrostrukturu, která má velkou pevnost (ale menší než martenzit), větší tažnost, vyšší odolnost proti nárazu a menší zkreslení než martenzitická ocel. Nevýhodou austemperingu je, že ho lze použít pouze na několik ocelí a vyžaduje speciální solnou lázeň.[19]
Cementování
Procesy kalení cementem zpevňují pouze vnějšek ocelové části a vytvářejí tvrdý povrch odolný proti opotřebení (dále jen „pouzdro“), ale zachovávají pevný a tvárný interiér. Uhlíkové oceli nejsou moc kalitelné což znamená, že nemohou být kaleny na silných částech. Slitinové oceli mají lepší kalitelnost, takže je možné je prokalit a nevyžadovat kalení. Tato vlastnost uhlíkové oceli může být přínosná, protože poskytuje povrchu dobré charakteristiky opotřebení, ale ponechává jádro pružné a tlumící nárazy.
Teplota kování oceli
Typ oceli | Maximální teplota kování | Teplota hoření | ||
---|---|---|---|---|
(° F) | (° C) | (° F) | (° C) | |
1,5% uhlíku | 1920 | 1049 | 2080 | 1140 |
1,1% uhlíku | 1980 | 1082 | 2140 | 1171 |
0,9% uhlíku | 2050 | 1121 | 2230 | 1221 |
0,5% uhlíku | 2280 | 1249 | 2460 | 1349 |
0,2% uhlíku | 2410 | 1321 | 2680 | 1471 |
3.0% niklová ocel | 2280 | 1249 | 2500 | 1371 |
3.0% nikl – chromová ocel | 2280 | 1249 | 2500 | 1371 |
5,0% niklu (cementace) oceli | 2320 | 1271 | 2640 | 1449 |
Chrom-vanadová ocel | 2280 | 1249 | 2460 | 1349 |
Rychlořezná ocel | 2370 | 1299 | 2520 | 1385 |
Nerezová ocel | 2340 | 1282 | 2520 | 1385 |
Austenitická chromniklová ocel | 2370 | 1299 | 2590 | 1420 |
Silikon-mangan pružinová ocel | 2280 | 1249 | 2460 | 1350 |
Viz také
- Práce za studena
- Horká práce
- Svařování
- Kování
- Aermet (Vysokopevnostní oceli.)
- Vysokopevnostní ocel (Srážkové kalené vysokopevnostní oceli.)
- Eglin ocel (Levná vysokopevnostní ocel kalená srážením.)
Reference
- ^ A b C d E F G „Klasifikace uhlíkových a nízkolegovaných ocelí“
- ^ Knowles, Peter Reginald (1987), Návrh ocelové konstrukce (2. vyd.), Taylor & Francis, str. 1, ISBN 978-0-903384-59-9.
- ^ Stránka Základy inženýrství o nízkouhlíkové oceli
- ^ Elert, Glenn, Hustota oceli, vyvoláno 23. dubna 2009.
- ^ Modul pružnosti, pevnostní vlastnosti kovů - železo a ocel, vyvoláno 23. dubna 2009.
- ^ Degarmo, str. 377.
- ^ „Nízkouhlíkové oceli“. efunda. Citováno 25. května 2012.
- ^ Článek Ameristeel o uhlíkové oceli Archivováno 18. října 2006 v Wayback Machine
- ^ Nishimura, Naoya; Murase, Katsuhiko; Ito, Toshihiro; Watanabe, Takeru; Nowak, Roman (2012). „Ultrazvuková detekce poškození lomu vyvolaného opakovaným nárazem nízkou rychlostí“. Central European Journal of Engineering. 2 (4): 650–655. Bibcode:2012CEJE .... 2..650N. doi:10.2478 / s13531-012-0013-5.
- ^ Stránka základů inženýrství na oceli se středním obsahem uhlíku
- ^ Stránka Základy inženýrství o vysoce uhlíkové oceli
- ^ Smith, str. 388
- ^ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (říjen 2014). „Vliv karbidové morfologie a mikrostruktury na kinetiku povrchové dekarbonizace ocelí C-Mn“. Metall Mater Trans A. 46: 123–133. Bibcode:2015MMTA ... 46..123A. doi:10.1007 / s11661-014-2600-r.
- ^ Smith, str. 386
- ^ Smith, str. 386–387
- ^ Smith, str. 373–377
- ^ Smith, str. 389–390
- ^ Smith, str. 387–388
- ^ Smith, str. 391
- ^ Brady, George S .; Clauser, Henry R .; Vaccari A., John (1997). Příručka materiálů (14. vydání). New York, NY: McGraw-Hill. ISBN 0-07-007084-9.
Bibliografie
- Degarmo, E. Paul; Black, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiály a procesy ve výrobě (9. vydání), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Oberg, E .; et al. (1996), Příručka pro strojní zařízení (25. vydání), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
- Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Základy materiálových věd a inženýrství (4. vydání), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.