钢的等级:化学和性能

钢的定义特性

一束高档钢部件
高档钢材可加工成钢轴,用于要求高精度的应用场合。

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

重要的是理解微观组织的定义,以及钢的微观组织可以通过热、冷成形和制造后的操作方式。这些技术可用于开发具有特定机械性能的产品。然而,操纵成分和微观结构将导致不同性能之间的权衡。例如,较硬的钢最终可能会强度降低。

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一起连接的方式。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。

微观结构不能用肉眼观察,但可以在显微镜下研究。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

铁氧体是用于在室温下用于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正体的立方(BCC)晶体结构。在视觉上,想象一家在每个角落处的一个分子的立方体和在立方体中心的分子。在BCC中比在每个立方体内含有更多分子的其他微结构更松散地填充。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低0.006%。

奥氏体

奥氏体是铁基合金在1500˚F以上、1800˚F以下加热时形成的组织。如果在钢中存在正确的合金,比如镍,即使在冷却后,材料也会保持这种组织。奥氏体的特征形状为面心立方(FCC)晶体结构。视觉上,想象一个立方体,每个角上都有一个分子,立方体的每个边的中心都有一个分子。奥氏体结构的分子比铁氧体结构的分子堆积得更密。奥氏体含有高达2%的碳,是一种常见的微观组织不锈钢.

渗碳体

当碳钢被加热到奥氏体范围内,然后在没有任何合金存在的情况下冷却以保持奥氏体形状时,微观结构恢复为铁素体形式。然而,如果碳含量大于0.006%,多余的碳原子与铁结合形成一种称为碳化铁(Fe3C)的化合物,也称为渗碳体。渗碳体本身不会出现,因为某些材料将保持铁素体形式。

珠光体

珠光体是由铁素体和渗碳体交替层形成的层状结构。当钢缓慢冷却时,就会形成共晶混合物。共晶混合物是两种熔融物质同时结晶的混合物。在这些条件下,铁素体和渗碳体同时形成,导致组织内交替层。

马氏体

马氏体具有体心四方晶状结构。这种微晶形式是通过快速冷却钢获得的,这导致碳原子被困在铁晶格内。最终的结果是铁和碳形成了非常坚硬的针状结构。具有马氏体微晶结构的钢通常是含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,必须形成其最终形状,然后完成以防止腐蚀。钢通常被铸成机器就绪形式:盛开,方坯和板坯。然后通过轧制形成铸造形状。根据材料和目标应用,可以进行热,温暖或冷却。在轧制过程中,通过使用两个工作辊来完成压缩变形。辊速快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,从而产生材料中的颗粒。随着这些脱位积聚,钢更难以进一步变形。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,含有更精细的表面。

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

通过控制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的相变化变化。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。
  • 上临界温度
    上临界温度是渗碳体或铁素体开始形成的点。当钢从正火温度冷却时会发生这种情况。根据碳含量,该点位于1333–1670°F之间。
  • 临界温度较低
    较低的临界温度是奥氏体向珠光体转变的临界点。奥氏体不能在低于1333°F的临界温度下存在。

从正火温度到上下临界温度的冷却速率将决定室温下产生的钢微观结构。

热处理包括一系列过程,包括退火、淬火和回火。在钢中,延展性和强度呈反比关系。热处理可以以牺牲强度为代价增加延展性,反之亦然。

热处理类型

球化处理

球化发生碳钢加热至约1290°F 30小时。珠光体微观结构中的渗碳体层转变为球体,从而形成最柔软、最具韧性的钢。

全退火

碳钢的退火过程是这样的:首先加热温度略高于临界温度,保持该温度一小时,然后以大约每小时36°F的速度冷却。这一过程产生了粗珠光体结构,在没有内应力的情况下具有延展性。

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

首先将高碳钢加热到临界温度以上。然后它被维持,冷却到较低的临界温度,并再次维持。然后逐渐冷却到室温。这一过程确保材料在下一步冷却前达到均匀的温度和微观结构。

规范化

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

中碳钢或高碳钢加热至正火温度,然后淬火(浸入水、盐水或油中快速冷却)至临界温度上限。淬火过程会产生马氏体组织——极硬但易脆。

回火淬火钢

最常见的热处理,因为其结果可以准确预测。淬火钢被重新加热到低于下临界点的温度,然后冷却。温度根据预期结果而变化,298–401°F范围是最常见的。该工艺通过允许形成一些球状体,使脆性淬火钢恢复一定的韧性。

机械性能

机械性能的测量符合国际标准,如美国材料试验学会(美国测试与材料学会)或SAE.(汽车工程师学会)。

钢的关键力学性能

硬度

硬度指材料承受磨损的能力。增加硬度可以通过提高碳含量和淬火来实现,淬火导致马氏体的形成。

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

金属强度是使材料变形所需的力的大小。通过在整个材料中形成一致的微观结构,钢件正火将提高其强度。

延展性

延展性是金属在拉伸应力下变形的能力。由于微结构中的脱位,冷成型钢具有低延展性。过程退火将通过使晶体改革来改善这一点,从而消除了一些脱位。

韧性

韧性是指承受压力而不断裂的能力。淬火钢可通过回火使其更坚硬,回火可在微观结构中添加球体。

可加工性

可加工性是指通过切割、磨削或钻削使钢成形的容易程度。可加工性主要受硬度的影响。材料越硬,越难加工。

焊接性

可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,请参阅铸钢件的性能与生产.

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
  • 化学成分及均匀性
  • 表面缺陷程度
  • 制造过程中的测试程度
  • 夹杂物的数量,大小和分布
  • 淬透性

钢分级系统

由ASTM、AISI(美国钢铁协会)和SAE发布的规范为工程师、制造商和消费者提供了一种标准语言,用于交流钢的特性。分级通常非常具体,包括化学成分、物理性能、热处理、制造工艺和形状等。

美国材料试验学会

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应具有以下特性:

  • 化学成分,最大%
    • 碳:0.25 (A级),0.30 (B级)
    • 锰:0.95 (A级)、1.20 (B级)
    • 磷:0.05
    • 硫:0.045
  • 机械性能
    • 抗拉强度,UTS: 330 MPa或48000 psi (A级),414 MPa或60000 psi (B级)
    • 拉伸强度,产率:207MPa或30,000 psi(A级),241 MPa或35,000 psi(b级)
  • 形式与处理
    • 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。前两个数字表示钢类型和合金元素浓度,后两个数字表示碳浓度。

例如,SAE 5130描述了一种含有1%铬和0.30%碳的钢。字母前缀用作商户质量的质量描述符。