Что такое кабоновая сталь?
Американский институт чугуна и стали (AISI) определяет углеродистую сталь в первую очередь на основе ее состава, в частности содержания углерода. Согласно определению AISI, углеродистая сталь — это сталь, которая в основном состоит из железа с углеродом (C) в качестве основного легирующего элемента, и обычно содержит очень мало или не содержит легирующих элементов, если только они не добавляются для улучшения определенных свойств.
Содержание углерода: Углеродистая сталь обычно имеет содержание углерода в диапазоне от 0,05% до 2,0%. В зависимости от содержания углерода углеродистая сталь делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую:
- Низкоуглеродистая сталь: содержание углерода от 0,05% до 0,25%.
- Среднеуглеродистая сталь: содержание углерода от 0,25% до 0,60%.
- Высокоуглеродистая сталь: содержание углерода от 0,60% до 2,0%.
Легирующие элементы: По данным AISI, углеродистая сталь содержит мало или совсем не содержит легирующих элементов, таких как кремний, марганец, хром, молибден и т. д. Добавление легирующих элементов обычно производится для улучшения определенных свойств, таких как твердость, коррозионная стойкость или термическая стабильность.
Нелегированная сталь: Согласно стандартам AISI, если стальной сплав содержит значительное количество других элементов (например, хрома, никеля, молибдена и т. д.) сверх указанной пропорции, он больше не считается углеродистой сталью, а классифицируется как легированная сталь.
Характеристики углеродистой стали
Углеродистая сталь AISI обычно имеет следующие характеристики:
- Хорошая свариваемость: Низкоуглеродистая сталь особенно хорошо подходит для сварки.
- Высокая прочность: Средне- и высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью и твердостью.
- Относительно низкая стоимость: Углеродистая сталь, как правило, дешевле других легированных сталей.
Влияние различных легирующих элементов на углеродистую сталь и допустимые диапазоны их содержания
Влияние различных легирующих элементов на углеродистую сталь в первую очередь направлено на улучшение ее механических свойств, коррозионной стойкости и высокотемпературных характеристик.
Каждый легирующий элемент оказывает свое влияние на углеродистую сталь, и их добавление зависит от конкретных требований применения. Ниже приведены некоторые распространенные легирующие элементы, их влияние на углеродистую сталь и допустимые диапазоны их содержания.
| Легирующий элемент | Эффект | Допустимый диапазон содержимого |
| Марганец (Mn) | Увеличивает прочность (текучесть и предел прочности на разрыв) Улучшает свариваемость Раскисляет (удаляет кислород, уменьшая пористость и трещины) | 0,30% до 1,00% в углеродистых сталях Высокомарганцевые стали (например, AISI 1310): 10% – 14% |
| Кремний (Si) | Раскисляет (удаляет кислород, уменьшая поры) Увеличивает прочность, особенно при высоких температурах Увеличивает твердость, особенно в условиях холодной обработки | 0,10% до 0,50% в углеродистых сталях Высококремнистые стали: от 1,0% до 2,0% |
| Хром (Cr) | Повышает коррозионную стойкость (образует защитный оксидный слой) Улучшает прочность при высоких температурах Улучшает износостойкость | 0,3% до 1,0% в низколегированных сталях Высокохромистые стали: от 5% до 12% |
| Никель (Ni) | Увеличивает прочность и пластичность, особенно в условиях низких температур Повышает коррозионную стойкость (особенно в химических и морских средах) | 0,30% до 3,0% в углеродистых сталях Никель в нержавеющих сталях: от 8% до 20% |
| Молибден (Mo) | Устойчив к низкотемпературной хрупкости Улучшает высокотемпературные характеристики (стойкость к окислению) Повышает коррозионную стойкость (в кислых средах) Увеличивает износостойкость | 0,10% до 0,50% Высокомолибденовые стали: от 0,5% до 5,0% |
| Ванадий (V) | Увеличивает твердость и прочность, особенно после термообработки Улучшает износостойкость Измельчает структуру зерна, улучшая общие свойства | 0,05% до 0,15% Высокованадиевые стали: 0,5% или более |
| Медь (Cu) | Улучшает коррозионную стойкость (особенно во влажных или кислых средах) Повышает износостойкость (особенно в морской среде) | 0,20% до 0,50% Медь в коррозионностойких сталях: до 0,75% |
| Сера (S) | Улучшает обрабатываемость (пригодна для обработки) Снижает ударную вязкость и свариваемость, особенно при низких температурах. | 0,01% до 0,05% Высокосернистые стали: до 0,10% |
| Фосфор (P) | Увеличивает прочность, особенно в низкоуглеродистых сталях Снижает ударную вязкость (может сделать сталь хрупкой, особенно при низких температурах) | 0,04% до 0,08% Высокопрочные стали: контролируемые ниже 0,02% |
Процесс производства углеродистой стали
Процесс производства углеродистой стали включает несколько этапов: от подготовки сырья и плавки до финишной обработки.
Первый, Железную руду и стальной лом переплавляют в доменной печи для получения чугуна, который затем очищают в конвертере или электропечи для удаления примесей и регулирования содержания углерода.
Следующий, расплавленная сталь отливается в слитки или заготовки, которые затем обрабатываются путем горячей или холодной прокатки для достижения желаемой формы. Процессы термической обработки (такие как нормализация, отжиг, закалка и отпуск) используются для улучшения свойств стали, обеспечивая ее твердость, прочность и вязкость.
Окончательно, Поверхностная обработка (например, нанесение покрытия, травление и фосфатирование) повышает коррозионную стойкость стали, а конечные этапы резки, строгания и контроля качества гарантируют, что изделия из углеродистой стали соответствуют требуемым стандартам.
Преимущества углеродистой стали
Углеродистая сталь имеет высокую прочность на разрыв, особенно средне- и высокоуглеродистая сталь, что делает ее пригодной для изготовления конструкционных и механических деталей, которые должны выдерживать высокие нагрузки.
Он экономически эффективен и широко применяется в таких отраслях, как строительство, автомобилестроение, машиностроение, судостроение, а также нефтегазовая промышленность.
Низкоуглеродистая сталь хорошо поддается обработке, что делает ее пригодной для различных производственных процессов, в то время как среднеуглеродистая сталь сочетает в себе прочность и вязкость, что делает ее идеальной для целого ряда конструкционных применений.
Высокоуглеродистая сталь после термической обработки демонстрирует отличную износостойкость и используется для изготовления инструментов и быстроизнашивающихся деталей.
Недостатки углеродистой стали
Углеродистая сталь имеет плохую коррозионную стойкость, особенно низкоуглеродистая сталь, которая склонна к ржавлению и требует покрытия или защиты от коррозии.
Хотя высокоуглеродистая сталь имеет более высокую твердость, она также более хрупкая и склонна к трещинам, особенно в условиях низких температур.
Сварочные свойства низкие, особенно для высокоуглеродистой стали, которая склонна к растрескиванию из-за высокого содержания углерода.
Прочность и твердость углеродистой стали снижаются в условиях высоких температур, что делает ее непригодной для использования в условиях высоких температур и коррозионных сред.
Из-за своей склонности к ржавчине оборудование и компоненты из углеродистой стали требуют регулярного технического обслуживания или защитного покрытия.
Влияние микроэлементов на свариваемость углеродистой стали
Влияние микроэлементов на свариваемость углеродистой стали имеет решающее значение, поскольку эти элементы напрямую влияют на свойства расплавленной ванны, механические характеристики сварного соединения и качество сварного шва.
Сера
Сера является вредным элементом, который может значительно повысить хрупкость сварного соединения, особенно при высоких температурах. Она снижает свариваемость стали, что приводит к появлению дефектов сварки, таких как растрескивание (например, горячее) и другие дефекты сварки.
Источник: https://www.researchgate.net/figure/Solidification-cracking-in-GMAW-Fig3-Hydrogen-induced-cracking-in-HY-80-steel_fig1_263656906
Фосфор
Фосфор также является вредным элементом, который снижает вязкость стали, особенно в условиях низких температур, где его влияние более выражено. Сталь с высоким содержанием фосфора более склонна к растрескиванию при сварке, особенно в условиях низких температур.
Марганец
Марганец является одним из распространенных легирующих элементов в стали и оказывает положительное влияние на свариваемость углеродистой стали. Марганец улучшает раскисляющую способность стали, снижая вероятность пористости и дефектов сварки в процессе сварки.
Кремний
Кремний, обычно присутствующий в качестве раскислителя в углеродистой стали, обычно находится в низких концентрациях, обычно между 0,1% и 0,3%. Он помогает удалить кислород из сварочного металла и улучшает текучесть сварного металла.
Распространенные области применения углеродистой стали в различных отраслях промышленности
Углеродистая сталь широко используется во многих областях, прежде всего, благодаря своим превосходным механическим свойствам, простоте обработки и экономической эффективности. Вот некоторые распространенные области применения углеродистой стали:
Строительство и проектирование конструкций: Углеродистая сталь широко используется при строительстве мостов, каркасов зданий, стальных конструкций и опорных конструкций.
Трубы и фитинги: Бесшовные и сварные трубы из углеродистой стали, соответствующие стандартам ASTM A106 и ASTM A53, широко используются для транспортировки нефти, газа и воды.
Автомобильное производство: Углеродистая сталь используется в таких деталях, как кузова автомобилей, компоненты двигателя и шасси.
Машиностроение: Его используют для изготовления механических деталей, инструментов, шестерен, валов и других компонентов.
Изделия из стали: Стальные листы, трубы, прутки и другие стальные изделия широко используются для производства различного промышленного оборудования и бытовой техники.
Энергетическая промышленность: Трубы из углеродистой стали и котельные трубы широко применяются при строительстве и эксплуатации тепловых, атомных и других электростанций.
Нефтехимическая промышленность: Он используется для изготовления реакторов, теплообменников, башен, сосудов высокого давления и другого оборудования.
Судостроение и морская техника: Углеродистая сталь используется в конструкциях корпусов судов, морских платформах и других морских сооружениях.
Железнодорожный транспорт: Углеродистая сталь используется для изготовления железнодорожных путей, вагонов и другого транспортного оборудования.
Благодаря высокой прочности и превосходной свариваемости углеродистая сталь играет решающую роль во многих промышленных применениях, где прочность и надежность имеют решающее значение.
Краткое содержание
В этой статье мы рассмотрели несколько аспектов углеродистой стали, включая ее легирующие элементы, производственные процессы и различные области применения.
Мы обсудили, как легирующие элементы, такие как марганец, кремний, хром и никель, влияют на механические свойства углеродистой стали, коррозионную стойкость и высокотемпературные характеристики. В статье также был рассмотрен процесс производства углеродистой стали, с выделением этапов от подготовки сырья до обработки конечного продукта, а также преимуществ и недостатков материала.
Кроме того, мы рассмотрели общие применения углеродистой стали в таких отраслях, как строительство, автомобилестроение, энергетика и судостроение. Подробный анализ свойств и использования углеродистой стали демонстрирует ее универсальность и важность в современных инженерных и промышленных секторах.
Дополнительные ресурсы：
https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_steel
RU 
EN 
DE 
FA 
ID