钢化分级:化学与性质

钢的定义特性

一捆高档钢零件
优质钢可以加工成钢轴,用于高精度要求的应用。

钢材分级系统考虑化学成分、处理和机械性能,使制造商能够选择适合其应用的产品。除碳等合金在材料中的实际含量外,组织对钢的力学性能也有重要影响。

理解微观组织的定义是很重要的——以及钢的微观组织可以通过热、冷成形和制造后进行操纵的方式。这些技术可用于开发具有特定机械性能的产品。188bet金宝慱亚洲体育app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,较硬的钢最终强度会降低。

微观结构

材料的微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,从而改变材料的性能。

微结构用肉眼是看不见的,但可以在显微镜下研究。可以采用几种不同的微观结构 - 铁素体,珠光体,马氏体,渗碳石和奥氏体。

铁素体

铁氧体是用于描述常温下纯铁分子结构的术语。含碳量很低的钢也会采用同样的组织。铁素体的特征形状是体心立方(BCC)晶体结构。想象一个立方体,每个角都有一个分子,立方体的中心有一个分子。分子在BCC中比在其他微观结构中更松散,在每个立方体中包含更多的分子。但常温下,在不改变铁素体组织的情况下,碳的添加量较低,仅为0.006%。

奥氏体

奥氏体是一种显微组织,当铁基合金加热高于1500˚F,但低于1800˚F时形成。如果正确的合金存在于钢中,比如镍,材料即使冷却后也会保持这种组织。奥氏体的特征形状为面心立方(FCC)晶体结构。想象一个立方体,每个角都有一个分子,每个边的中心都有一个分子。奥氏体排列的分子比铁素体排列的分子更密集。奥氏体的含碳量可达2%,是一种常见的显微组织不锈钢

渗透石

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被冷却以保持奥氏体形状时,组织恢复到铁素体形式。但当碳含量大于0.006%时,多余的碳原子与铁结合形成一种化合物,称为碳化铁(Fe3C),也称为渗碳体。渗碳体本身不会产生,因为有些材料仍会以铁氧体形式存在。

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,形成共晶混合物时,它就发生了。共晶混合物是两种熔融物质同时结晶的混合物。在此条件下,铁素体和渗碳体同时形成,导致组织内交替层。

马氏体

马氏体为体心四方晶结构。这种微晶形式是通过快速冷却钢而获得的,这导致碳原子被困在铁晶格内。最终的结果是铁和碳组成了一个非常坚硬的针状结构。具有马氏体微晶组织的钢通常是含有12%铬的低碳钢合金。

对于钢材制造商和消费者来说,了解钢的微观结构以及它如何影响材料的机械性能是重要的。碳含量,合金浓度和整理方法都对微观结构产生影响,因此可用于操纵成品的性质。根据所用的精加工方法和热处理,可以具有相同合金含量的两个样品具有不同的微观结构。

冷热成型

一旦钢水被,它必须形成其最终形状,然后完成,以防止腐蚀。钢通常浇铸成机械成型的形式:坯体、钢坯和板坯。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、温、冷三种方式。在轧制过程中,压缩变形是通过两个工作辊来完成的。轧辊快速旋转,以同时拉动和挤压它们之间的钢。

冷成型

冷成形是在低于再结晶温度的情况下轧制钢材的过程。轧辊施加在钢上的压力会导致材料微观结构中的位错,从而在材料中产生晶粒。随着这些位错的积累,钢变得更硬,更难进一步变形。冷轧也会使钢变脆,这可以通过热处理来克服。

热轧车间
热轧车间生产的钢具有均匀的精加工。

轧制完成后,使用二次加工技术完成钢块以防止腐蚀并改善机械性能:

  • 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组织。这导致了各种热处理方法的发展,以改变组织和获得期望的改变力学性能。

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变点的理解和操作:

  • 正火温度
    奥氏体是形成其他组织的相。大多数热处理都是先将钢加热到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温度点。当钢从正火温度冷却时,会发生这种情况。根据碳含量的不同,这个点位于1333-1670°F之间。
  • 较低的临界温度
    较低的临界温度是奥氏体-珠光体相变点。奥氏体不能在较低的临界温度1333°F下存在。

冷却速度——从正火温度到上、下临界温度——将决定在室温下钢的微观组织。

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。热处理可以以牺牲强度为代价来增加延展性,反之亦然。

热处理类型

球化处理

球化时碳钢加热至1290°F,持续30小时。珠光体组织中的渗碳体层转变为球状,形成最软、最具韧性的钢形式。

完全退火

碳钢的退火方法是先加热略高于临界温度—保持该温度一小时—然后以大约36华氏度每小时的速度冷却。这一过程产生了一个粗糙的珠光体结构,是延性的,没有内应力。

加工退火

工艺退火减轻了冷加工低碳钢(> 0.3% C)的应力。钢被加热到1025-1292°F一小时。在冷却前,通过晶体的重整来修复微观结构中的位错。

等温退火

高碳钢首先在临界温度以上加热。然后保持,冷却到较低的临界温度,再次保持。然后逐渐冷却到室温。这一过程确保了材料达到一个均匀的温度和组织之前的下一个冷却步骤。

正常化

将碳钢加热至标准化温度1小时。此时,钢完全进入奥氏体相。然后钢是空气冷却。标准化产生具有高强度和硬度的精细珠光体微观结构。

淬火

中碳钢或高碳钢加热到正火温度,然后淬火(在水、盐水或油中快速冷却)到上临界温度。淬火过程产生马氏体组织——非常坚硬,但很脆。

热处理淬火钢

最常见的热处理,因为其结果可以准确预测。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——298-401°F范围是最常见的。这一过程通过形成一些球粒来恢复脆性淬火钢的韧性。

机械性能

机械性能是按照国际标准等进行测量的ASTM(美国测试和材料协会)或SAE(汽车工程师协会)。

钢的关键力学性能

硬度

硬度是材料耐磨损的能力。提高硬度可通过提高含碳量和淬火导致马氏体的形成来实现。

工程师在金属生产设施中测试钢的硬度
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。正火将一块钢通过在材料中创造一致的微观结构来提高其强度。

延性

延性是金属在拉应力下变形的能力。冷弯型钢由于组织中的位错而具有较低的塑性。退火过程将通过使晶体重新形成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组织中加入球状体而变得更坚韧。

切削加工性能

可加工性是指钢通过切削、磨削或钻孔成形的容易程度。可加工性主要受硬度的影响。材料越坚硬,越难加工。

可焊性

可焊性是指钢被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,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和生产

质量描述符

质量描述符适用于钢铁产品的广泛类别,如商人,工业,或结构质量。188bet金宝慱亚洲体育app这些标签标记特定的钢材适用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,钢铁被划分为特定的类别:

  • 内部质量
  • 化学成分及均匀性
  • 表面缺陷度
  • 生产过程中的测试程度
  • 夹杂物的数量、大小和分布
  • 淬透性

钢分级系统

规范,如由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来沟通钢材的性能。分级通常是非常具体的——包括从化学成分,物理性质,热处理,制造过程和形式的一切。

ASTM

ASTM系统使用描述性字母后跟序列号。例如,'a'表示铁金属,'53'是分配给镀锌碳钢的数量。

ASTM A53具有以下特性:

  • 化学成分,最大百分比
    • 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)
    • 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
    • 黑色和热浸镀
    • 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。前两个数字表示钢种和合金元素浓度,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。字母前缀作为质量描述符用于商家质量。