钢的等级:化学和性能

钢的定义特性

一束高档钢部件
高档钢可以加工成钢轴,以用于需要高精度的应用。

钢分级系统考虑化学成分,治疗和机械性能,使制造商能够为其应用选择合适的产品。除了材料中的碳和其他合金的实际百分比,微观结构也对钢的机械性能产生了显着影响。

重要的是要了解微观结构的定义 - 可以使用冷热成型和制造后操纵钢的微观结构的方式。这些技术可用于开发具有特定机械性能的产品。然而,操纵组合物和微观结构将导致不同性质之间的折衷。例如,较硬的钢可以最终降低强度。

微观结构

材料的微观结构是分子与这些分子之间的工作中的力连接在一起的方式。加热和冷却过程用于将微观结构从一种形式改变为另一个形式,从而改变了材料的性质。

微观结构不可观察到肉眼,但可以在显微镜下进行研究。可以采用几种不同的组织-铁素体、珠光体、马氏体、渗碳体和奥氏体。

铁素体

铁氧体是用于室温下纯铁的分子结构的术语。碳含量非常低的钢也将采用相同的微观结构。铁氧体的特征形状是一种以体为中心的立方(BCC)晶体结构。在视觉上,想象一下在每个角落的一个分子的立方体和在立方体中心的分子。分子在BCC中更松散地填充,而不是在每个立方体内含有更多分子的其他微观结构。然而,在不改变铁氧体微结构的情况下可以添加的碳的量在室温下仅为0.006%。

奥氏体

奥氏体是当铁基合金以高于1500˚F但低于1800°F时形成的微观结构。如果在钢中存在正确的合金,例如镍,即使在冷却时也会保持这种微观结构。奥氏体的特征形状是面为中心的立方(FCC)晶体结构。在视觉上,想象一家在每个角落的一个分子的立方体,在立方体的每一侧的中心的分子。奥氏体构造中的分子比铁氧体更密集地填充。奥氏体可含有高达2%的碳,是一种常见的微观结构不锈钢

渗碳体

当碳钢被加热到奥氏体范围内 - 然后冷却而没有任何合金存在以保持奥氏体形状 - 微结构恢复到铁氧体形状。然而,如果碳含量大于0.006%,则过量的碳原子与铁组合形成一种称为铁碳化铁(Fe3C)的化合物,也称为渗碳石。渗碳石根本不会发生,因为一些材料将保持铁氧体形式。

珠光体

珠光体是由替代铁素体和渗碳石形成的层叠结构。当钢被缓慢冷却时发生,形成共晶混合物。共晶混合物是其中两种熔融材料同时结晶的混合物。在这些条件下,铁氧体和渗碳铝均同时形成,导致微结构内的交替层。

马氏体

马氏体具有以体为中心的四方晶体结构。这种微晶形式通过冷却钢迅速实现,导致碳原子被捕获在铁晶格内。网络结果是非常坚硬,针状的铁和碳结构。具有马氏体微晶结构的钢通常是含有约12%铬的低碳钢合金。

对于钢铁制造商和消费者来说,了解钢的微观结构及其如何影响材料的力学性能是很重要的。碳含量、合金浓度和整理方法都对组织有影响,因此可以用来控制成品的性能。由于加工方法和热处理方式的不同,具有相同合金含量的两个样品可能会有不同的显微组织。

冷热成型

一旦钢水是投掷,必须形成其最终形状,然后完成以防止腐蚀。钢通常铸成机器就绪形式:盛开,方坯和板坯。然后通过轧制形成铸造形状。滚动可以根据材料和目标应用进行热,温暖或冷。在轧制过程中,通过使用两个工作辊来完成压缩变形。辊速迅速旋转以同时拉动并挤压它们之间的钢。

冷成型

冷成型是轧制在其重结晶温度以下的轧制过程。钢上施加在钢上施加的压力导致材料的微观结构中的脱位,因此在材料中产生颗粒。随着这些脱位积聚,钢变得越来越难以进一步变形。冷轧也使钢变得脆,可以通过热处理来克服。

一个热轧厂车间
热轧轧机车间生产钢,均匀饰面。

轧制完成后,钢材采用二次加工工艺进行加工,以防止腐蚀,提高机械性能:

  • 涂层
  • 表面处理
  • 热处理

热处理

热处理的影响

通过受控加热和冷却可以改变钢的微观结构。这导致了各种热处理方法的发展,以改变微观结构并获得所需的机械性能变化。

钢微观结构在特定温度下变化相变。热处理是基于理解和操纵某些转化点:

  • 归一化温度
    奥氏体是形成其他结构的阶段。大多数热处理首先加热钢到1500-1800°F的均匀奥氏体相。
  • 临界温度
    上临界温度是下部的点,渗碳石或铁素体开始形成。当钢从归一化温度冷却时,就会发生这种情况。根据碳含量,此时距离1333-1670°F之间。
  • 临界温度较低
    临界温度降低是奥氏体对珠光体转化的点。奥氏体不能低于1333°F的临界温度。

冷却速率从归一化温度和通过到上部和下部临界温度 - 将在室温下确定所得的钢微观结构。

热处理包括一系列方法,包括退火,淬火和回火。在钢中,延展性和强度具有反向关系。热处理可以以强度的牺牲增加,反之亦然。

热处理类型

球化

球体发生时发生碳素钢将大约1290°F加热30小时。将珠光体微观结构中的渗碳物层转化为球状体,导致最柔软,最韧性的钢形式。

全退火

通过首先加热略高于上临界温度 - 保持温度,以每小时大约36°F的速率来加热略高于上部临界温度的温度略高于临界温度的速度来退火。该过程产生粗珠氏结构,该结构是没有内部应力的延性。

中间退火

工艺退火可以减轻冷加工低碳钢(> 0.3% C)的应力。将钢加热至1025-1292°F一小时。显微组织中的位错在冷却前通过晶体的重整得到修复。

等温退火

高碳钢首先在上临界温度高于上方加热。然后保持,冷却到临界温度下,并再次维持。然后逐渐冷却至室温。该过程确保材料在下一个冷却步骤之前达到均匀的温度和微观结构。

正常化

将碳钢加热至正火温度一小时。此时,钢完全进入奥氏体相。然后用空气冷却钢。正火可产生良好的珠光体组织,具有较高的强度和硬度。

淬火

将中等或高碳钢加热至归一化温度,然后淬火(通过水,盐水或油中的浸没快速冷却)到上临界温度。淬火过程产生马氏体结构 - 极硬,但脆。

回火淬火钢

最常见的热处理,因为它的结果可以准确预测。将淬火钢重新加热到低于临界点以下的温度,然后冷却。温度根据预期结果而变化 - 298-401°F是最常见的。该过程通过允许一些球体形成脆性淬火钢来恢复一些韧性。

机械性能

机械性能按照国际标准进行测量astm.(美国的测试和材料协会)或SAE.(美国汽车工程师学会)。

钢的关键机械性能

硬度

硬度是一种材料耐受磨损的能力。通过提高碳含量和通过淬火可以实现增加的硬度,这导致马氏体的形成。

工程师在金属生产设施中测试钢的硬度
工程师测试钢的硬度以确保它能经得起磨损。
力量

金属强度是变形材料所需的力量。通过在整个材料中产生一致的微观结构,将一根钢的归一化为改善其强度。

延展性

延展性是金属在拉应力下变形的能力。由于微观结构的脱位,冷成型钢具有低延展性。通过使晶体能够改革,加工退火将改善这一点,从而消除一些脱位。

韧性

韧性是能够在不破坏的情况下承受压力。通过回火可以使淬火钢变得更加难以使球状体添加到微观结构上。

可加工性

可加工性是通过切割,磨削或钻孔来塑造钢的容易性。可加工性主要受硬度影响。材料越硬,机器越难。

可焊性

焊接性是钢焊接的能力而没有缺陷。它主要依赖于化学成分和热处理。熔点,以及电和导热率,都对材料的可焊性产生影响。

有关钢的机械性能和测试的更多信息,请参阅钢铸件的性能和生产

质量描述符

质量描述符适用于钢铁产品的广泛类别,如商业、工业或结构质量。这些标签表明某些钢适合于特定的应用和制造过程,允许更快的市场导航和决策。根据几个不同的因素,钢铁被分为不同的类别:

  • 内部合理性
  • 化学成分和均匀性
  • 表面缺陷程度
  • 制造期间的测试程度
  • 夹杂物的数量,大小和分布
  • 淬透性

钢分级系统

等规范,例如由ASI,AISI(美国钢铁研究所)和SAE发布的规格为工程师,制造商和消费者提供了标准语言,以传达钢材的性质。分级通常是非常具体的 - 包括来自化学成分,物理性质,热处理,制造过程和形式的一切。

astm.

ASTM系统使用一个描述性的字母,后面跟着一个连续的数字。例如,“A”表示黑色金属,“53”是镀锌碳钢的编号。

ASTM A53将具有以下属性:

  • 化学成分,最大值
    • 碳:0.25(A级),0.30(B等级)
    • 锰:0.95(A级),1.20(b级)
    • 磷:0.05
    • 硫:0.045
  • 机械性能
    • 拉伸强度,UTS:330MPa或48,000 psi(A级),414 MPa或60,000 psi(b级)
    • 拉伸强度,产率:207MPa或30,000psi(A级),241MPa或35,000 psi(b级)
  • 形式和治疗
    • 管道NPS 1/8 - NPS 26
    • 镀锌钢
    • 黑色和热浸
    • 锌涂层
    • 焊接和无缝
SAE.

AISI / SAE编号系统使用4位数字进行分类。前两个数字表示钢型和合金元素浓度,并且最后两个数字表示碳浓度。

例如,SAE 5130描述了含有1%铬和0.30%碳的钢。字母前缀用作商业质量的质量描述符。