钢材等级:化学和性能

钢的决定性特征

一捆高档钢件
优质钢材可以加工成钢轴,用于要求高精度的应用.

钢分级系统考虑化学成分, 治疗, 以及机械性能,使制造商能够选择适合其应用的bwin体育. 除了材料中碳和其他合金的实际比例, 显微组织对钢的力学性能也有重要影响.

重要的是要理解微观组织的定义——以及通过热、冷成形和制造后对钢的微观组织进行控制的方式. 这些技术可用于开发具有特定机械性能的bwin体育. 然而, 操纵成分和微观结构将导致不同性能之间的平衡. 例如,较硬的钢最终的强度可能会降低.

微观结构

材料的微观结构是指分子之间通过作用力结合在一起的方式. 加热和冷却过程是用来改变微观结构从一种形式到另一种形式, 从而改变材料的性质.

显微结构肉眼不能观察到,但可以在显微镜下研究. 是否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

铁氧体是指在室温下纯铁的分子结构. 低碳含量的钢也将采用这种相同的组织. 铁素体的特征形状是体心立方晶体结构. 视觉上,想象一个立方体,每个角落有一个分子,立方体的中心有一个分子. 相对于在每个立方体中包含更多分子的其他微观结构,BCC中的分子更松散. 然而, 在不改变铁素体组织的情况下,碳的加入量在0.室温下为006%.

奥氏体

奥氏体是铁基合金在1500华氏度以上和1800华氏度以下加热时形成的组织. 如果钢中含有正确的合金, 如镍, 这种材料即使冷却后也能保持这种微观结构. 奥氏体的特征形状是面心立方(FCC)晶体结构. 在视觉上, 想象一个立方体,每个角上有一个分子,每个边的中间有一个分子. 奥氏体结构中的分子比铁氧体结构中的分子排列更密. 奥氏体可以含有高达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——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——组织恢复为铁素体形式. 但是,如果碳含量大于0.006%, 多余的碳原子与铁结合形成一种叫做铁碳化物的化合物(Fe3C), 也称为渗碳体. 渗碳体不会自行发生,因为一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. 当钢被缓慢冷却时,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, 在微观结构中形成交替层.

马氏体

马氏体具有体心四方晶体结构. 这种微晶形式是通过快速冷却钢,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一种非常坚硬的针状结构. 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, 而加工方法都对微观结构有影响,因此可以用来操纵最终bwin体育的性能. 根据所使用的精加工方法和热处理,具有相同合金含量的两个试样有可能具有不同的显微组织.

冷热成形

一旦钢水 ,它必须形成其最终形状,然后完成,以防止腐蚀. 钢通常被铸造成机器成形的形式:钢坯、钢坯和钢坯. 然后通过轧制形成铸件的形状. 根据材料和目标应用,轧制可以进行热轧、热轧或冷轧. 在轧制过程中,压缩变形由两个工作辊完成. 轧辊快速旋转,同时拉动和挤压它们之间的钢材.

冷成型

冷成形是在再结晶温度以下对钢进行轧制的过程. 轧辊施加在钢上的压力会导致材料组织中的位错, 因此在材料中产生颗粒. 随着这些位错的积累,钢会变得更硬,更难以进一步变形. 冷轧也会使钢材变脆,这可以通过热处理来克服.

一个热轧车间
热轧车间生产的钢材均匀、精加工.

轧制完成后, 钢件采用二次加工工艺完成,以防止腐蚀和提高机械性能:

  • 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显微组织. 这导致了各种热处理方法的发展,以修改组织和获得期望的力学性能的变化.

钢的微观组织在特定温度下经历相变. 热处理是基于对某些转换点的理解和操作:

  • 正火温度
    奥氏体是形成其他组织的相. 大多数热处理开始时,将钢加热至均匀的奥氏体相1500-1800°F.
  • 上临界温度
    上临界温度是渗碳体或铁素体开始形成的温度点. 这发生在钢从正火温度冷却时. 根据碳含量的不同,这个点位于1333-1670华氏度之间.
  • 较低的临界温度
    较低的临界温度是奥氏体向珠光体转变的临界点. 奥氏体在低于1333°F的临界温度下不能存在.

从正火温度到上临界温度和下临界温度的冷却速度决定了钢在室温下的微观组织.

热处理包括一系列的工艺,包括退火、淬火和回火. 在钢中,延性和强度成反比关系. 热处理可以以强度为代价提高延展性,反之亦然.

热处理类型

球化处理

球化时 碳钢 加热到大约1290华氏度30小时. 珠光体组织中渗碳体的层状转变为球状, 使钢具有最柔软和最延展性.

完全退火

碳钢退火是这样进行的:首先加热到临界温度稍高的地方——保持这个温度一小时——然后以大约每小时36华氏度的速度冷却. 这个过程会产生粗糙的珠光体结构,这种结构具有延展性,没有内应力.

中间退火

中间退火 relieves stress in cold-worked, low-碳钢 (> 0.3% C). 将钢加热到1025-1292华氏度一小时. 显微组织中的位错是通过晶体冷却前的重整来修复的.

等温退火

高碳钢首先在上临界温度以上加热. 然后对其进行维护,冷却到较低的临界温度,并再次进行维护. 然后逐渐冷却到室温. 这一过程确保了材料在下一个冷却步骤之前达到均匀的温度和组织.

正常化

碳钢加热到正火温度一小时. 此时,钢完全进入奥氏体相. 然后用空气冷却钢材. 正火处理可获得高强度、高硬度的细小珠光体组织.

淬火

将中碳钢或高碳钢加热到正火温度, 然后淬火(浸入水中快速冷却), 盐水, 或油)到最高临界温度. 淬火过程产生马氏体组织-非常硬,但脆.

热处理淬火钢

最常见的热处理是因为它的结果可以准确预测. 淬火钢再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,最常见的温度范围是298-401°F. 这一过程允许形成一些球晶体,从而使脆化的淬火钢恢复一些韧性.

机械性能

机械性能的测量按照国际标准,如 ASTM (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 材料是否具有耐磨损的能力. 增加硬度可以通过提高含碳量来实现, 并通过淬火而导致马氏体的形成.

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,以确保它能承受磨损.
强度

金属强度是使材料变形所必需的力的大小. 正火的一块钢将提高它的强度,通过创建一个一致的微观结构的整个材料.

延性

延展性是指金属在拉应力下变形的能力. 冷弯型钢由于组织中存在位错,导致其塑性低下. 工艺退火将通过使晶体重组从而消除一些位错来改善这一点.

韧性

韧性是承受压力而不断裂的能力. 淬火后的钢可以通过回火使其组织中增加球状物而变得更硬.

切削加工性能

可加工性是指钢能通过切割、磨削或钻孔成形的容易程度. 切削性能主要受硬度的影响. 材料越硬,越难加工.

可焊性

可焊性是指钢焊接时无缺陷的能力. 这主要取决于化学成分和热处理. 熔点, 以及电导率和导热性, 这些都对材料的可焊性有影响.

有关钢的机械性能和测试的更多信息,请参阅 铸钢件性能及生产.

质量描述符

质量描述符被广泛应用于钢铁bwin体育,如商人, 工业, 或结构质量. 这些标签将某些钢材标记为适合于特定应用和制造工艺, 允许更快的市场导航和决策. 根据几个不同的因素,钢材被划分为特定的类别:

  • 内部质量
  • 化学成分和均匀性
  • 表面缺陷程度
  • 在生产过程中测试的程度
  • 夹杂物的数量、大小和分布
  • 淬透性

钢分级系统

规范, 如ASTM颁发的, 美国钢铁协会, 和SAE, 为工程师提供标准语言, 制造商, 与消费者沟通钢材的性能. 分级通常很具体,包括化学成分, 物理性质, 热处理, 制造过程, 和形式.

ASTM

ASTM系统使用一个描述性字母后跟一个连续数字. 例如, “A”表示黑色金属, 53是镀锌碳钢的编号.

ASTM A53具有以下特性:

  • 化学成分,Max %
    • 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: 330mpa或48000psi (A级),414mpa或60000psi (B级)
    • 抗拉强度,屈服强度:207mpa或30000 psi (A级),241mpa或35000 psi (B级)
  • 形式和治疗
    • 管道NPS 1/8 - NPS 26
    • 镀锌钢
    • 黑色和热浸镀
    • 锌涂层
    • 焊接和无缝
SAE

美国汽车工程师协会/美国汽车工程师协会的编号系统使用4位数字进行分类. 前两个数字表示钢的类型和合金元素的浓度, 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%的二氧化碳. 字母前缀被用作商家质量的质量描述符.