Углерод — это единственный элемент, который отделяет простое железо от стали, и его количество, как правило, между 0,05% и 2,0% по массе , решает практически все, как поведет себя кусок стали под нагрузкой, нагревом и ковочным молотом. Повысьте процентное содержание углерода, и металл приобретет твердость и прочность на разрыв, но потеряет пластичность и свариваемость; уменьшите его, и сталь останется мягкой, пластичной и легко свариваемой, но не сможет удерживать твердую кромку или высокую прочность без помощи легирующих элементов. Каждый сертификат завода, каждый чертеж поковки и каждое обозначение марки, например 1045 или 4140, основаны на этом одном соотношении.
Что на самом деле делает углерод внутри стали
Железо само по себе является мягким и относительно слабым металлом. Когда атомы углерода вводятся во время плавки, они располагаются между атомами железа в кристаллической решетке и образуют соединение, называемое цементитом (карбид железа, Fe3C), вместе с твердым раствором, называемым ферритом. Баланс между этими двумя микроструктурами, а затем между перлитом, мартенситом и бейнитом после термообработки – это то, что придает стали ее механическую индивидуальность.
Полезный способ представить это: феррит — это мягкая, магнитная, легко сгибаемая часть структуры, а цементит — твердый и хрупкий. По мере увеличения содержания углерода образуется больше цементита, и твердость стали растет по довольно предсказуемой кривой. Металлурги отслеживают эту взаимосвязь с начала двадцатого века, и она остается основой фазовой диаграммы железо-углерод, используемой сегодня в каждом классе металлургии.
Почему содержание углерода измеряется в долях процента
Поскольку влияние углерода очень сильно, различия столь же малы, как 0,10% изменить классификацию стали и ее подходящее применение. Сталь 1020 (0,20% углерода) ведет себя совсем не так, как сталь 1095 (0,95% углерода), даже несмотря на то, что обе технически простые углеродистые стали. Вот почему производители стали указывают содержание углерода в протоколах заводских испытаний с точностью до сотых процентов, а не округляют до ближайшего целого числа.
Классификация углеродистой стали по процентам
Обычные углеродистые стали сгруппированы в четыре больших семейства в зависимости от содержания углерода. У каждого семейства есть свой набор типичных применений, и кузнецы выбирают один из них, основываясь на балансе прочности, ударной вязкости и обрабатываемости, требуемых готовой деталью.
Общие классификационные диапазоны углеродистых сталей, определенные нумерацией марок SAE/AISI. | Классификация | Содержание углерода | Типичные оценки | Общее использование |
| Низкоуглеродистая (мягкая сталь) | 0,05% - 0,30% | 1006, 1018, 1020 | Конструкционные профили, лист, проволока |
| Средний углерод | 0,31% - 0,60% | 1035, 1045, 1050 | Валы, шестерни, коленвалы кованые |
| Высокоуглеродистый | 0,61% - 1,00% | 1065, 1080, 1095 | Пружины, режущие инструменты, лезвия |
| Сверхвысокоуглеродистый | 1,01% - 2,00% | Специальные инструментальные стали | Износостойкие пластины, штампы, пуансоны |
Выше примерно 2,0% углерода , материал вообще больше не классифицируется как сталь; он становится чугуном, который гораздо более хрупкий и формуется литьем, а не ковкой или прокаткой.
Как содержание углерода меняет механические свойства
Взаимосвязь между углеродом и механическими характеристиками является одной из наиболее последовательных тенденций в области материаловедения. По мере увеличения процентного содержания углерода четыре свойства движутся в предсказуемом направлении:
- Твердость повышается — большее количество цементита в микроструктуре противостоит вдавливанию и истиранию.
- Прочность на растяжение повышается — до определенного момента дополнительный углерод позволяет стали выдерживать большую нагрузку до разрушения.
- Пластичность падает — сталь меньше изгибается и растягивается перед растрескиванием, поэтому холодная штамповка становится сложнее.
- Свариваемость падает — высокоуглеродистые стали более склонны к растрескиванию в зоне термического влияния, если их предварительно не нагреть и тщательно не контролировать.
Вот почему в кованом автомобильном полуоси, которому необходимы как прочность, так и способность поглощать удары без разрушения, обычно используется среднеуглеродистая марка, такая как 1045, вместо того, чтобы использовать высокоуглеродистую сталь, которая была бы более прочной в лабораторных испытаниях, но слишком хрупкой для удара по дороге.
Содержание углерода и Стальная ковка Процесс
Ковка стали формирует металл путем сжимающей пластической деформации с использованием молотков, прессов или валков, чтобы придать нагретой стали штамп или желаемую форму. Содержание углерода определяет почти каждое решение, которое принимает кузнечный цех до того, как будет нанесен первый удар молота.
Окна температуры ковки
Низко- и среднеуглеродистые стали обычно куют между 1150°С и 1250°С (примерно от 2100°F до 2280°F), когда материал находится в аустенитной фазе и легко течет под давлением. Высокоуглеродистые стали обычно куются в нижней части этого диапазона, поскольку чрезмерное нагревание в сочетании с высоким содержанием углерода способствует росту зерна и обезуглероживанию поверхности, что ослабляет готовую деталь.
Почему фальсификаторы предпочитают среднеуглеродистые марки
Среднеуглеродистые стали, такие как 1040, 1045 и 4140, доминируют в кузнечной промышленности, потому что они обеспечивают работоспособный баланс: достаточно углерода, чтобы хорошо реагировать на термообработку после ковки, такую как закалка и отпуск, но не настолько, чтобы заготовка растрескивалась под матрицей. Такие компоненты, как коленчатые валы, шатуны, шестерни, фланцы и ручные инструменты, почти всегда изготавливаются из этой средней полосы, а не из крайних.
Увеличение потока зерна и прочности
Ковка – это больше, чем просто формовка стали; выравнивает внутреннюю зеренную структуру по контурам детали. Кованая деталь следует непрерывным линиям потока волокон, в то время как обработанная или литая деталь режет волокна поперек или не имеет их вообще. Отраслевые испытания неоднократно показывали, что кованые стальные детали могут иметь значительно более высокую усталостную прочность, чем литые или обработанные детали с идентичным химическим составом, поэтому кованая углеродистая сталь остается стандартом для критически важных для безопасности компонентов, таких как поворотные кулаки и коленчатые валы.
Углеродистая сталь по сравнению с легированной сталью и нержавеющей сталью
Содержание углерода само по себе не дает полной картины, если в смесь входят другие элементы. Понимание того, где находится простая углеродистая сталь по сравнению с ее легированными собратьями, помогает объяснить, почему чертеж ковки может требовать использования одного семейства, а не другого.
Сравнение простой углеродистой стали с семействами легированных и нержавеющих сталей. | Стальная семья | Ключевые дополнения | Основное преимущество | Компромисс |
| Обычная углеродистая сталь | Только углерод, следы марганца | Низкая стоимость, легко подделать. | Нет коррозионной стойкости |
| Легированная сталь (например, 4140) | Хром, молибден, никель | Более глубокая прокаливаемость, более высокая прочность | Более высокая стоимость материала |
| Нержавеющая сталь (например, 304, 17-4PH) | Хром 10,5%, иногда никель. | Коррозионная стойкость | Сложнее подделать, дороже |
На практике инженер по закупкам выбирает простую углеродистую сталь, когда деталь будет покрыта, окрашена или хранится в помещении, и обращается к маркам сплавов или нержавеющей стали, когда применение требует коррозионной стойкости или более высокой прокаливаемости за счет более толстых поперечных сечений.
Выбор марки углеродистой стали для поковки
Выбор правильного процентного содержания углерода — это баланс между тремя вопросами: насколько прочной должна быть деталь, насколько она будет поглощать удары или усталость и как она будет подвергаться механической обработке или соединению после этого.
- Определите тип нагрузки. Статические нагрузки допускают более высокое содержание углерода; Повторные ударные нагрузки отдают предпочтение среднеуглеродистому материалу с хорошей ударной вязкостью.
- Проверьте операции после ковки. Если деталь будет привариваться после сварки, поддерживайте содержание углерода на уровне примерно 0,30 %, если только предварительный нагрев и контролируемое охлаждение не являются частью технологического плана.
- Подтвердите путь термообработки. Средне- и высокоуглеродистые стали хорошо поддаются циклам закалки и отпуска; В низкоуглеродистых сталях вместо этого используется цементация или цементация.
- Сопоставьте обрабатываемость с твердостью. Более высокое содержание углерода обычно означает более низкую скорость резания и более быстрый износ инструмента во время вторичной обработки.
Кузнечный цех, поставляющий производителям автомобильного или сельскохозяйственного оборудования, часто стандартизирует несколько марок, чаще всего 1045 для общих валов и 4140 там, где требуется более высокое соотношение прочности к весу, именно потому, что эти марки находятся в золотой середине между ковкостью и характеристиками готовой детали.
Термическая обработка после ковки
Ковка сама по себе редко обеспечивает окончательные механические свойства детали. Содержание углерода определяет, какая термическая обработка возможна в дальнейшем.
Нормализация
Почти все поковки из углеродистой стали после ковки нормализуются, нагреваются выше критической температуры и охлаждаются на воздухе, чтобы улучшить зернистую структуру и снять неравномерные напряжения, возникающие в процессе ковки.
Закалка и отпуск
Средне- и высокоуглеродистые стали можно закалить в масле или воде с образованием мартенсита, а затем отпустить, чтобы вернуть некоторую твердость обратно на ударную вязкость. Процент углерода устанавливает потолок достижимой твердости; сталь с содержанием углерода ниже примерно 0,30% просто не может достичь такой же твердости после закалки, как марка 1060 или 1080, независимо от степени закалки.
Цементация низкоуглеродистых деталей
Низкоуглеродистые стали, которым необходима твердая изнашиваемая поверхность, но прочный сердечник, например шестерни, вместо этого подвергаются цементации: углерод диффундирует во внешнюю поверхность при высокой температуре, затем только этот поверхностный слой подвергается жесткой закалке, в то время как низкоуглеродистая сердцевина остается пластичной.
Часто задаваемые вопросы
Какой процент углерода делает сталь достаточно твердой для инструментов?
Приложения инструментов обычно начинаются примерно 0,60% углерода и повышаться примерно до 1,0%, поскольку этот диапазон хорошо затвердевает при закалке и сохраняет острую кромку.
Всегда ли более высокий уровень углерода означает более прочную сталь?
Только до определенного момента. Предел текучести и предел текучести растут с увеличением содержания углерода, но после уровня примерно 0,80-0,90% этот прирост нивелируется, а хрупкость продолжает увеличиваться, поэтому большее количество углерода не означает автоматически лучшее качество для каждого применения.
Почему среднеуглеродистая сталь является наиболее распространенным материалом для поковок?
Он предлагает самые широкие практические возможности: достаточно углерода, чтобы затвердеть посредством термообработки, но при этом достаточно пластичен, чтобы выдерживать сжимающие силы при ковке, не растрескивая заготовку.
Можно ли ковать низкоуглеродистую сталь?
Да. Низкоуглеродистая сталь легко поддается ковке из-за ее высокой пластичности, и ее обычно выбирают для свариваемых деталей или для деталей, которым требуется прочная, ударопрочная сердцевина, а не поверхностная твердость.
Как измеряется содержание углерода в готовой стальной детали?
Производители используют анализ горения или оптико-эмиссионную спектроскопию для измерения процентного содержания углерода непосредственно в образце, а результат указывается в сертификате заводских испытаний, который прилагается к материалу.
Что произойдет, если содержание углерода слишком велико для ковки?
Избыток углерода снижает пластичность до такой степени, что заготовка может треснуть во время сжатия, особенно в углах матрицы и тонких сечениях, поэтому в кузнечных цехах указываются диапазоны содержания углерода, а не принимаются широкие допуски стана.
