钢的分级:化学和性能

钢铁的决定性特征

一捆高档钢零件
高档钢可以加工成钢轴,用于要求高精度的应用.

钢的分级系统考虑了化学成分, 治疗, 和机械性能,使制造商能够选择适合其应用的bwin体育. 除了碳和其他合金在材料中的实际百分比, 微观组织对钢的力学性能也有重要影响.

理解微结构的定义,以及利用冷热成型和加工后操纵钢的微结构的方式是很重要的. 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权衡. 例如,较硬的钢最终可能会降低强度.

微观结构

材料的微观结构是指分子在相互作用的力作用下结合在一起的方式. 加热和冷却过程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.

微结构是肉眼看不见的,但可以在显微镜下研究. 能采用几种不同的显微组织-铁素体,珠光体,马氏体,渗碳体和奥氏体.

铁素体

铁氧体是指纯铁在室温下的分子结构. 含碳量很低的钢也会采用同样的微结构. 铁氧体的特征形状是体心立方(BCC)晶体结构. 视觉上,想象一个立方体,每个角有一个分子,立方体中心有一个分子. 分子在BCC中比在其他微结构中更松散,因为在每个立方体中包含更多的分子. 然而, 在不改变铁素体显微组织的情况下,碳的加入量很低,只有0.室温下为006%.

奥氏体

奥氏体是铁基合金在1500华氏度以上、1800华氏度以下加热时形成的微观组织. 如果钢中含有正确的合金, 比如镍, 这种材料即使在冷却时也会保持这种微结构. 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,每个角上各有一个分子,每边中间各有一个分子. 奥氏体构型的分子比铁素体的分子更密集. 奥氏体可以含有高达2%的碳,是一种常见的微结构 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——组织就会恢复到铁素体形式. 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化合物,称为碳化铁(Fe3C)。, 又称渗碳体. 渗碳体不会自己发生,因为一些材料将保持铁氧体的形式.

珠光体

珠光体是由铁素体和渗碳体交替形成的层状结构. 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铁而获得的,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,了解钢铁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, 整理方法都对微观结构有影响,因此可以用来操纵成品的性能. 两个合金含量相同的样品有可能具有不同的微观结构,这取决于所使用的加工方法和热处理.

冷热成形

一旦熔化的钢 在美国,它必须成型成最终形状,然后进行加工,以防止腐蚀. 钢通常被铸造成机器准备好的形式:坯、方坯和厚板. 然后通过轧制形成铸型. 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,通过使用两个工作辊来完成压缩变形. 辊子快速旋转,同时拉动和挤压辊子之间的钢材.

冷成型

冷成形是在钢的再结晶温度以下轧制的过程. 轧辊对钢材施加的压力导致材料微观结构中的位错, 因此在材料中产生颗粒. 随着这些位错的积累,钢变得越来越硬,越来越难以进一步变形. 冷轧也会使钢变脆,这可以通过热处理来克服.

热轧车间
热轧车间生产的钢材均匀,光洁度较好.

轧制完成后, 钢件采用二次加工工艺加工,以防止腐蚀和提高机械性能:

  • 涂层
  • 表面处理
  • 热处理

热处理

热处理效果

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,以修改微观组织和获得所需的机械性能变化.

钢的微观组织在特定温度下会发生相变. 热处理是基于对某些转变点的理解和操作:

  • 正火温度
    奥氏体是形成其他结构的相. 大多数热处理首先将钢加热到均匀的奥氏体相,温度为1500-1800°F.
  • 上临界温度
    上临界温度是渗碳体或铁氧体开始形成的点. 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°F之间.
  • 较低临界温度
    临界温度较低是奥氏体向珠光体转变的点. 奥氏体不能在1333°F的较低临界温度下存在.

从正火温度到上临界温度和下临界温度的冷却速率将决定在室温下产生的钢组织.

热处理包括一系列工艺,包括退火、淬火和回火. 在钢中,延展性与强度成反比关系. 热处理要么以牺牲强度为代价增加延展性,要么反过来.

热处理类型

球化处理

球化发生在 碳钢 加热到约1290华氏度30小时. 珠光体组织中的渗碳体层转变为球状体, 形成了最柔软和最具韧性的钢.

完全退火

碳钢的退火方法是:首先加热至略高于上临界温度的温度——保持该温度一小时,然后以每小时约36华氏度的速度冷却. 这一过程产生的粗珠光体结构是延展性的,没有内部应力.

中间退火

中间退火 relieves stress in cold-worked, low-碳钢 (> 0.3% C). 钢加热到1025-1292°F一小时. 微观结构中的位错在冷却前通过晶体的重整来修复.

等温退火

高碳钢首先加热到高于上临界温度. 然后进行维护,冷却到较低的临界温度,并再次维护. 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微观结构.

正常化

碳钢被加热到正火温度一小时. 此时,钢完全进入奥氏体相. 然后对钢进行空气冷却. 正火形成了具有高强度和高硬度的珠光体微结构.

淬火

中碳钢或高碳钢被加热到正火温度, 然后淬火(通过浸入水中快速冷却), 盐水, 或油)到上临界温度. 淬火过程会产生马氏体结构——非常坚硬,但很脆.

回火淬火钢

最常见的热处理,因为它的结果可以准确预测. 淬火后的钢再加热到低于低临界点的温度,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. 这一过程通过允许一些球晶石的形成,使脆性淬火钢恢复了一定的韧性.

机械性能

机械性能均按国际标准等进行测量 ASTM (美国测试与材料学会)或 SAE (汽车工程师学会).

钢的关键机械性能

硬度

硬度 材料的耐磨性是否强. 提高硬度可以通过提高含碳量来实现, 并通过淬火导致马氏体的形成.

一名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需的力的大小. 正火钢通过在整个材料中形成一致的微结构来提高其强度.

延性

延展性是金属在拉应力作用下的变形能力. 冷弯型钢由于组织中存在位错,塑性较低. 过程退火将改善这一点,使晶体重新形成,从而消除一些位错.

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更坚韧,回火在微观组织中增加了球状体.

切削加工性能

可加工性是指通过切割、研磨或钻孔对钢进行塑形的容易程度. 可加工性主要受硬度的影响. 材料越硬,加工难度越大.

可焊性

焊接性是指钢在焊接时没有缺陷的能力. 它主要取决于化学成分和热处理. 熔点, 以及电导率和导热率, 所有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 铸钢件的性能与生产.

质量描述符

质量描述符适用于钢铁bwin体育的广泛类别,如商家, 工业, 或结构质量. 这些标签标志着某些钢材适合于特定的应用和制造工艺, 允许更快的市场导航和决策. 根据几个不同的因素,钢铁被划分为特定的类别:

  • 内部质量
  • 化学成分及均匀性
  • 表面缺陷程度
  • 制造过程中的测试范围
  • 夹杂物的数量、大小和分布
  • 淬透性

钢材分级系统

规范, 如ASTM发布的, 美国钢铁学会, 和SAE, 为工程师提供一种标准语言, 制造商, 和消费者沟通钢材的性能. 分级通常是非常具体的——包括从化学成分的一切, 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将具有以下特性:

  • 化学成分,最大%
    • 碳:0.25 (A级),0.30人(乙级)
    • 锰:0.95 (A级),1.20人(乙级)
    • 磷:0.05
    • 硫:0.045
  • 机械性能
    • 抗拉强度,UTS: 330 MPa或48,000 psi (A级),414 MPa或60,000 psi (B级)
    • 抗拉强度,屈服:207 MPa或30000 psi (A级),241 MPa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
    • 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. 前两个数字表示钢的种类和合金元素的浓度, 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.