Uhlíková ocel - Carbon steel

Uhlíková ocel je ocel s obsahem uhlíku od asi 0,05 do 2,1 procent hmotnostních. Definice uhlíkové oceli od American Iron and Steel Institute (AISI) uvádí:

  • žádný minimální obsah není specifikován ani vyžadován pro přidávání chromu , kobaltu , molybdenu , niklu , niobu , titanu , wolframu , vanadu , zirkonia nebo jakéhokoli jiného prvku za účelem dosažení požadovaného legujícího účinku;
  • stanovené minimum pro měď nepřesahuje 0,40 procenta;
  • nebo maximální obsah specifikovaný pro některý z následujících prvků nepřekračuje uvedená procenta: mangan 1,65 procenta; křemík 0,60 %; měď 0,60 procenta.

Termín uhlíková ocel může být také použit ve vztahu k oceli, která není nerezová ; při tomto použití uhlíková ocel může zahrnovat legované oceli . Ocel s vysokým obsahem uhlíku má mnoho různých použití, jako jsou frézky, řezací nástroje (například dláta) a vysoce pevné dráty. Tyto aplikace vyžadují mnohem jemnější mikrostrukturu, která zlepšuje houževnatost.

Jako procento Obsah uhlíku stoupá, ocel má schopnost stát se těžší a silnější prostřednictvím tepelného zpracování ; stává se však méně tvárným . Bez ohledu na tepelné zpracování vyšší obsah uhlíku snižuje svařitelnost . U uhlíkových ocelí vyšší obsah uhlíku snižuje teplotu tání.

Typ

Měkká nebo nízkouhlíková ocel

Měkká ocel (železo obsahující malé procento uhlíku, silné a houževnaté, ale ne snadno temperované), známá také jako obyčejná uhlíková ocel a nízkouhlíková ocel, je nyní nejběžnější formou oceli, protože její cena je relativně nízká, zatímco poskytuje materiálové vlastnosti, které jsou přijatelné pro mnoho aplikací. Měkká ocel obsahuje přibližně 0,05–0,30% uhlíku, díky čemuž je tvárná a tvárná. Měkká ocel má relativně nízkou pevnost v tahu, ale je levná a snadno se tváří; tvrdost povrchu lze zvýšit nauhličením .

V aplikacích, kde jsou k minimalizaci průhybu použity velké průřezy, není porušení podle výtěžku riziko, takže nízkouhlíkové oceli jsou nejlepší volbou, například jako konstrukční ocel . Hustota měkké oceli, je přibližně 7,85 g / cm 3 (7850 kg / m 3 nebo 0,284 lb / in 3 ) a Youngův modul 200 GPa (29000 ksi).

Nízkouhlíkové oceli vykazují házivost v mezích meze kluzu, kde má materiál dva mezní hodnoty . První bod výtěžku (nebo horní bod výtěžnosti) je vyšší než druhý a výtěžek dramaticky klesá po horním bodě výtěžnosti. Pokud je ocel s nízkým obsahem uhlíku namáhána pouze do určitého bodu mezi horním a dolním mezím kluzu, pak se na povrchu vytvoří Lüderovy pásy . Nízko uhlíkové oceli obsahují méně uhlíku než jiné oceli a snadno se tváří za studena, což usnadňuje manipulaci s nimi. Typickými aplikacemi nízkouhlíkové oceli jsou automobilové díly, potrubí, stavebnictví a potravinářské plechovky.

Vysokopevnostní ocel

Vysokopevnostní oceli jsou nízkouhlíkové nebo oceli na dolním konci rozmezí středních uhlíků, které mají další legující přísady za účelem zvýšení jejich pevnosti, vlastností opotřebení nebo konkrétně pevnosti v tahu . Mezi tyto legující složky patří chrom , molybden , křemík , mangan , nikl a vanad . Nečistotám, jako je fosfor a síra, je omezen maximální povolený obsah.

Oceli s vyšším obsahem uhlíku

Uhlíkové oceli, které lze úspěšně podrobit tepelnému zpracování, mají obsah uhlíku v rozmezí 0,30–1,70% hmotnostních. Stopové nečistoty různých dalších prvků mohou mít významný vliv na kvalitu výsledné oceli. Zejména stopová množství síry činí ocel červeně krátkou , tj. Křehkou a drobivou při pracovních teplotách. Nízkolegovaná uhlíková ocel, jako je třída A36 , obsahuje asi 0,05% síry a taje kolem 1 426–1 538 ° C (2 599–2 800 ° F). Ke zlepšení kalitelnosti nízkouhlíkových ocelí se často přidává mangan . Tyto přídavky mění materiál na nízkolegovanou ocel podle některých definic, ale definice uhlíkové oceli AISI umožňuje až 1,65% hmotnosti manganu.

Klasifikace AISI

Uhlíková ocel je rozdělena do čtyř tříd podle obsahu uhlíku:

Nízko uhlíková ocel

Obsah 0,05 až 0,25% uhlíku (obyčejná uhlíková ocel).

Středně uhlíková ocel

Obsah uhlíku přibližně 0,3–0,5%. Vyrovnává tažnost a pevnost a má dobrou odolnost proti opotřebení; používá se pro velké díly, kování a automobilové součásti.

Vysoce uhlíková ocel

Obsah uhlíku přibližně 0,6 až 1,0%. Velmi pevný, používaný pro pružiny, hranové nástroje a vysokopevnostní dráty.

Ultravysokouhlíková ocel

Obsah uhlíku přibližně 1,25–2,0%. Oceli, které lze temperovat na velkou tvrdost. Používá se pro speciální účely, jako jsou nože, nápravy a razníky (neprůmyslové) . Většina ocelí s více než 2,5% obsahem uhlíku se vyrábí práškovou metalurgií .

Tepelné zpracování

Fázový diagram železo-uhlík zobrazující rozsahy teplot a uhlíku pro určité typy tepelných úprav.

Účelem tepelného zpracování uhlíkové oceli je změnit mechanické vlastnosti oceli, obvykle tažnost, tvrdost, mez kluzu nebo odolnost proti nárazu. Všimněte si, že elektrická a tepelná vodivost se mění jen mírně. Jako u většiny zpevňovacích technik pro ocel, Youngův modul (pružnost) není ovlivněn. Všechny úpravy tažnosti oceli pro zvýšení pevnosti a naopak. Železo má vyšší rozpustnost pro uhlík ve fázi austenitu ; proto všechna tepelná zpracování, kromě sféroidizace a procesního žíhání, začínají zahříváním oceli na teplotu, při které může existovat austenitická fáze. Ocel se pak kalí (teplo odtahuje) mírnou až nízkou rychlostí, což umožňuje uhlíku difundovat z austenitu za vzniku karbidu železa (cementitu) a ponechává ferit, nebo vysokou rychlostí, zachycuje uhlík uvnitř železa, čímž vzniká martenzit . Rychlost ochlazování oceli eutektoidní teplotou (asi 727 ° C) ovlivňuje rychlost, jakou uhlík difunduje z austenitu a tvoří cementit. Obecně řečeno, rychlé chlazení zanechá karbid železa jemně rozptýlený a vytvoří jemně zrnitý perlit a pomalé ochlazení poskytne hrubší perlit. Chlazení hypoeutektoidní oceli (méně než 0,77% hmotn. C) vede k lamelárně-perlitické struktuře vrstev karbidu železa s a- feritem (téměř čisté železo) mezi nimi. Pokud se jedná o hypereutektoidní ocel (více než 0,77% hmotn. C), pak je strukturou plný perlit s malými zrny (většími než perlitová lamela) cementitu vytvořenými na hranicích zrn. Eutektoidní ocel (0,77% uhlíku) bude mít v zrnech strukturu perlitu bez hranic cementitu. Relativní množství složek se zjišťuje pomocí pákového pravidla . Následuje seznam možných typů tepelných úprav:

Sféroidizující
Sféroidit se tvoří, když se uhlíková ocel zahřívá přibližně 30 hodin na přibližně 700 ° C. Sféroidit se může tvořit při nižších teplotách, ale potřebný čas se drasticky zvyšuje, protože se jedná o proces řízený difúzí. Výsledkem je struktura tyčinek nebo koulí z cementitu v primární struktuře (ferit nebo perlit, podle toho, na které straně eutektoidu jste). Účelem je změkčit oceli s vyšším obsahem uhlíku a umožnit větší tvárnost. Toto je nejměkčí a nejvíce tvárná forma oceli.
Plné žíhání
Uhlíková ocel se zahřívá na přibližně 40 ° C nad Ac3 nebo Acm po dobu 1 hodiny; to zajišťuje, že se všechny ferity transformují na austenit (i když cementit může stále existovat, pokud je obsah uhlíku větší než eutektoid). Ocel se pak musí pomalu chladit v oblasti 20 ° C (36 ° F) za hodinu. Obvykle je to jen pec chlazená, kde je pec vypnutá s ocelí stále uvnitř. Výsledkem je hrubá perlitická struktura, což znamená, že „pásy“ perlitu jsou silné. Plně žíhaná ocel je měkká a tvárná , bez vnitřního napětí, což je často nutné pro nákladově efektivní tváření. Měkčí a tvárnější je pouze sféroidizovaná ocel.
Procesní žíhání
Proces používaný ke snížení napětí v za studena zpracované uhlíkové oceli s méně než 0,3% C. Ocel se obvykle zahřívá na 550–650 ° C po dobu 1 hodiny, ale někdy se teploty pohybují až 700 ° C. Obrázek vpravo ukazuje oblast, kde dochází k procesnímu žíhání.
Izotermické žíhání
Jedná se o proces, při kterém se hypoeutektoidní ocel ohřívá nad horní kritickou teplotu. Tato teplota se udržuje po určitou dobu a poté se sníží pod nižší kritickou teplotu a opět se udržuje. Poté se ochladí na pokojovou teplotu. Tato metoda eliminuje jakýkoli teplotní gradient.
Normalizace
Uhlíková ocel se zahřívá na přibližně 55 ° C nad Ac3 nebo Acm po dobu 1 hodiny; to zajišťuje, že se ocel zcela transformuje na austenit. Ocel se pak chladí vzduchem, což je rychlost ochlazování přibližně 38 ° C (100 ° F) za minutu. Výsledkem je jemná perlitická struktura a jednotnější struktura. Normalizovaná ocel má vyšší pevnost než žíhaná ocel; má relativně vysokou pevnost a tvrdost.
Kalení
Uhlíková ocel s alespoň 0,4% hmotn. C se zahřeje na normalizační teploty a poté se rychle ochladí (ochladí) ve vodě, solance nebo oleji na kritickou teplotu. Kritická teplota závisí na obsahu uhlíku, ale obecně je nižší, jak se obsah uhlíku zvyšuje. Výsledkem je martenzitická struktura; forma oceli, která má super nasycený obsah uhlíku v deformované krystalické struktuře na tělo (BCC), správně nazývané tetragonální (BCT) s velkým vnitřním napětím. Takto kalená ocel je extrémně tvrdá, ale křehká , obvykle příliš křehká pro praktické účely. Tato vnitřní napětí mohou způsobit praskliny na povrchu. Kalená ocel je přibližně třikrát tvrdší (čtyři s více uhlíkem) než normalizovaná ocel.
Martempering (marquenching)
Martempering není ve skutečnosti temperovací procedura, proto termín marquenching . Je to forma izotermického tepelného zpracování aplikovaná po počátečním zhášení, typicky v lázni roztavené soli, při teplotě těsně nad "počáteční teplotou martenzitu". Při této teplotě se uvolní zbytková napětí v materiálu a ze zadrženého austenitu se může vytvořit nějaký bainit, který neměl čas se přeměnit na nic jiného. V průmyslu se jedná o proces používaný ke kontrole tažnosti a tvrdosti materiálu. Při delším otužování se tažnost zvyšuje s minimální ztrátou pevnosti; ocel je v tomto roztoku držena, dokud se vnitřní a vnější teploty součásti nevyrovnají. Poté se ocel ochladí mírnou rychlostí, aby byl teplotní gradient minimální. Tento proces nejenže snižuje vnitřní napětí a trhlinové napětí, ale také zvyšuje odolnost proti nárazu.
Temperování
Toto je nejběžnější tepelné zpracování, se kterým se setkáváme, protože konečné vlastnosti lze přesně určit teplotou a časem popouštění. Temperování zahrnuje opětovné zahřátí kalené oceli na teplotu nižší než eutektoidní teplota a poté chlazení. Zvýšená teplota umožňuje vytvoření velmi malého množství sféroiditu, který obnovuje tvárnost, ale snižuje tvrdost. Pro každou kompozici jsou pečlivě zvoleny skutečné teploty a časy.
Austempering
Proces austemperování je stejný jako martempering, kromě toho, že je kalení přerušeno a ocel je držena v lázni roztavené soli při teplotách mezi 205 ° C a 540 ° C a poté ochlazována mírnou rychlostí. Výsledná ocel, nazývaná bainit, vytváří jehlicovou mikrostrukturu v oceli, která má velkou pevnost (ale menší než martenzit), větší tvárnost, vyšší odolnost proti nárazu a menší zkreslení než martenzitová ocel. Nevýhodou austemperování je, že může být použito pouze na několika ocelích a vyžaduje speciální solnou lázeň.

Kalení pouzdra

Procesy kalení pouzder zpevňují pouze vnější část ocelové části, vytvářejí tvrdou kůži odolnou proti opotřebení („pouzdro“), ale zachovávají houževnatý a tvárný interiér. Uhlíkové oceli nejsou příliš kalitelné, což znamená, že nemohou být kaleny v silných částech. Legované oceli mají lepší kalitelnost, takže mohou být prokalené a nevyžadují tvrzené pouzdro. Tato vlastnost uhlíkové oceli může být prospěšná, protože dává povrchu dobré vlastnosti opotřebení, ale ponechává jádro pružné a absorbující nárazy.

Teplota kování oceli

Ocelový typ Maximální teplota kování Teplota hoření
(° F) (° C) (° F) (° C)
1,5% uhlíku 1920 1049 2080 1140
1,1% uhlíku 1980 1082 2140 1171
0,9% uhlíku 2050 1121 2230 1221
0,5% uhlíku 2280 1249 2460 1349
0,2% uhlíku 2410 1321 2680 1471
3,0% niklové oceli 2280 1249 2 500 1371
3,0% nikl -chromová ocel 2280 1249 2 500 1371
5,0% nikl (tvrzená ocel) 2320 1271 2640 1449
Chrom-vanadová ocel 2280 1249 2460 1349
Rychlořezná ocel 2370 1299 2520 1385
Nerezová ocel 2340 1282 2520 1385
Austenitická chromniklová ocel 2370 1299 2590 1420
Silikon-manganová pružinová ocel 2280 1249 2460 1350

Viz také

Reference

Bibliografie

  • Degarmo, E. Paul; Černý, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiály a procesy ve výrobě (9. vydání), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  • Oberg, E .; a kol. (1996), Machinery's Handbook (25. ed.), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
  • Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Foundations of Materials Science and Engineering (4th ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.