Среднеуглеродистая сталь: состав, свойства, марки и области применения.

Прутки из среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистая сталь — это легированная сталь, содержание углерода в которой колеблется от 0.30 до 0.60% по весу. Углерод обеспечивает стали более высокую прочность и сопротивление разрушению. В состав стали входят и другие легирующие элементы, такие как кремний и сера, которые обеспечивают износостойкость и делают её пригодной для термообработки, придавая ей прочность, необходимую для таких применений, как валы, шестерни, оси, а также для долговечных, высоконагруженных конструкций, например, железнодорожных компонентов. 

Компания Boda предлагает множество среднеуглеродистых продуктов. услуги по механической обработке стальных сплавов для прецизионных компонентов и кованых деталей. В этой статье вы узнаете все, что нужно знать о среднеуглеродистой стали.

Что такое среднеуглеродистая сталь?

Прежде чем углубляться в изучение среднеуглеродистой стали, важно иметь четкое представление о классификации стали, что поможет вам прояснить многие распространенные заблуждения относительно типов стали и различий между ними. легированная сталь против углеродистой сталиКак видно на рисунке 1, углеродистая сталь В зависимости от содержания углерода сталь подразделяется на три основных подкласса. Среднеуглеродистая сталь занимает среди них промежуточное положение, выступая в качестве связующего звена между низко- и высокоуглеродистыми сталями.

Классификация стали

Это распространенное заблуждение, которое волнует многих. Углеродистая сталь в основном состоит из железа и углерода, с небольшим количеством других элементов в качестве примесей. Однако в легированные стали намеренно добавляются другие металлические элементы, такие как хром и никель. 

Углеродистые стали предназначены для повышения прочности и твердости в конструкционных целях, тогда как легированные стали оптимизированы для достижения определенных свойств, таких как коррозионная стойкость и долговечность. Полное сравнение можно найти здесь. легированная сталь против углеродистой стали.

Содержание углерода в среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистая сталь обычно содержит 0.30-0.60% углерода и обычно 0.60-1.65% марганца. Кроме того, в качестве примесей могут присутствовать небольшие количества кремния, серы, фосфора и т. д. В таблице ниже наглядно показано положение среднеуглеродистой стали в семействе углеродистых сталей, как в количественном, так и в качественном отношении.

Таблица 1: Сравнение среднеуглеродистой стали с другими углеродистыми сталями и чугуном.

Как видите, низкоуглеродистая и высокоуглеродистая сталь представляют собой две противоположные крайности. Теория проста: увеличение содержания углерода повышает твердость и прочность, но за счет снижения пластичности и повышения хрупкости. Свойства среднеуглеродистой стали, напротив, находятся посередине, обеспечивая большую прочность, чем низкоуглеродистая сталь, при этом оставаясь обрабатываемой и термообрабатываемой. Более подробную визуализацию сталей и чугуна можно получить, обратившись к [ссылка на источник]. диаграммы фазового состояния железо-углерод.

Химический состав среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистые стали — это не единый сплав; это семейство различных марок, встречающихся в различных материалах. список марок легированной стали с незначительно изменяющимся составом. В таблице ниже приведены средние весовые проценты наиболее распространенных элементов, присутствующих в среднеуглеродистой стали. Инженеры обычно варьируют этот состав для достижения желаемых свойств.

Таблица 2: Состав распространенных легирующих элементов среднеуглеродистой стали

Реакция среднеуглеродистой стали на термическую обработку

Особое свойство среднеуглеродистой стали заключается в ее превосходная восприимчивость к термообработкечто позволяет нам изменять его свойства в соответствии с индивидуальными требованиями. Ни низкоуглеродистые, ни высокоуглеродистые стали не обладают такой возможностью, потому что:

• В низкоуглеродистых сталях недостаточно углерода для эффективного закаливания.
• Высокоуглеродистые стали содержат избыток углерода, поэтому в процессе обработки они становятся очень хрупкими и склонными к растрескиванию.

Однако среднеуглеродистая сталь содержит умеренное количество углерода, и образующаяся микроструктура весьма благоприятна для фазовых превращений, происходящих в процессе термической обработки. При надлежащей термообработке среднеуглеродистые стали могут достигать уровней прочности, сопоставимых даже с высокоуглеродистыми сталями, но при этом обладают лучшей предельной твердостью и износостойкостью. И что наиболее важно, они также сохраняют хорошую ударную вязкость и имеют очень низкий риск растрескивания. Контролируя параметры процесса термообработки, можно также добиться желаемых эксплуатационных характеристик, что делает среднеуглеродистую сталь очень полезным материалом для металлообработки по индивидуальным заказам.

Свойства материала среднеуглеродистой стали

Уникальные свойства среднеуглеродистой стали обусловлены не только количеством углерода, но и способом его распределения в железной матрице. Это не просто упорядоченное расположение атомов углерода внутри большинства атомов железа. 

Микроструктура среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистая сталь при комнатной температуре не состоит из одной однородной фазы. Ее микроструктура представляет собой смесь двух фаз, а именно феррита и перлита. 

• Ферритная фаза: Мягкая и пластичная фаза. Феррит отвечает за пластичность всего материала.
• Перлитная фаза: Слоистая структура, состоящая из феррита и карбида железа (цементита). Карбид железа — единственное место, где присутствует углерод. Перлит в основном способствует прочности и твердости стали.

Из вышеизложенного становится совершенно ясно, почему прочность увеличивается с увеличением содержания углерода. Это также объясняет, почему среднеуглеродистая сталь от природы обладает большей прочностью, чем низкоуглеродистая сталь, и при этом остается менее хрупкой, чем высокоуглеродистая сталь.

Как термическая обработка изменяет микроструктуру?

Печь для термообработки

Термическая обработка позволяет дополнительно модифицировать внутреннюю структуру среднеуглеродистой стали для получения желаемых свойств. Проще говоря, ниже описано, что происходит во время термической обработки среднеуглеродистой стали.

• Система отопления Преобразует микроструктуру в единую однородную фазу. На этом этапе атомы углерода высвобождаются из захваченных фаз и могут перераспределяться внутри структуры.
• Замачивание При указанной температуре сталь позволяет углероду полностью раствориться и равномерно распределиться. Время выдержки имеет большое значение, поскольку является одним из основных параметров контроля процесса.
• Закалка Процесс быстрого охлаждения — это процесс закалки. Внезапное охлаждение захватывает атомы углерода, не давая им достаточно времени для правильной перестройки. Это приводит к образованию другой фазы — мартенсита. Мартенсит обладает значительно более твердой и прочной внутренней структурой.
• Отпуск Это заключительный этап низкотемпературного повторного нагрева, который снижает чрезмерную хрупкость. Он также восстанавливает значительную часть ударной вязкости, сохраняя при этом большую часть приобретенной прочности.

Некоторые методы термической обработки включают в себя несколько этапов контролируемого нагрева и последующего охлаждения, при этом мы можем изменять параметры процесса, такие как температура, время и закалочная среда, для получения определенных свойств.

Механические свойства среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистая сталь популярна благодаря своему составу и сбалансированным механическим свойствам. Однако, если требуется дополнительное повышение прочности и твердости, мы можем добиться этого с помощью термообработки, сохраняя при этом приемлемые значения пластичности и ударной вязкости.

Прочность и твердость

Среднеуглеродистая сталь обладает хорошей прочностью и твердостью, которые обычно соответствуют требованиям к компонентам, несущим умеренные нагрузки и износостойким изделиям. Средние значения прочности и твердости среднеуглеродистых сталей (в нормализованном или горячекатаном состоянии) приведены ниже. Эти значения могут незначительно варьироваться в зависимости от марки стали и технологии обработки.

• Предел прочности на разрыв: 550 - 850 МПа
• Предел текучести: 350 - 600 МПа
• Твердость по Бринеллю: 170–230 HB (может быть повышено до 280–300+ HB) (после термообработки)

Сталь AISI 1045 — наиболее популярная марка среднеуглеродистой стали. Обычно её предел прочности составляет около 635 МПа, но при термообработке он может быть повышен до значений около 900 МПа, что делает её пригодной для изготовления болтов и автомобильных валов из среднеуглеродистой стали.

тягучесть

Сборка молоточка пианино

Несмотря на то, что пластичность снижается с добавлением углерода, среднеуглеродистые стали обычно сохраняют приемлемую гибкость. 15-25% удлинение при разрыве Это значение, как правило, считается достаточным для безопасной деформации под неожиданными нагрузками, а не для внезапного разрушения.

Прочность

Среднеуглеродистые стали демонстрируют хорошую ударную вязкость в нормализованном состоянии. Однако чрезмерное закаливание или полное игнорирование стадии отпуска могут резко снизить ударную вязкость. Именно поэтому важны контролируемые и правильные циклы термообработки.

Физические свойства среднеуглеродистой стали

Еще одно огромное преимущество среднеуглеродистой стали заключается в том, что она обладает идеальными физическими свойствами для изготовления промышленных компонентов. Это отличный выбор для применений, требующих прочности и предсказуемого температурного режима.

Таблица 3: Физические свойства среднеуглеродистой стали

Марки и стандарты среднеуглеродистой стали

Стержни из среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистая сталь выпускается в широком диапазоне стандартизированных марок, разработанных для удовлетворения конкретных требований к прочности, ударной вязкости и обрабатываемости. Эти марки имеют схожее содержание углерода, но различаются главным образом составом, технологиями обработки и термообработкой. Понимание этих различий имеет важное значение для выбора правильной марки стали для критически важных с точки зрения производительности и изготовленных на заказ компонентов.

Серия AISI 10xx (сталь AISI 1045 и другие популярные марки)

Наиболее распространенные среднеуглеродистые стали относятся к серии AISI 10xx. Понять это обозначение просто: первые две цифры обозначают класс стали, а последние две — процентное содержание углерода. Например, если мы расшифруем сталь AISI 1045:

• "10" обозначает обычную углеродистую сталь.
• "45" означает 0.45% углерода

В таблице 4 перечислены некоторые популярные марки среднеуглеродистых сталей. Из них наиболее распространенной является сталь AISI 1045, которая находит широкое применение в самых разных отраслях промышленности.

Таблица 4: Популярные марки среднеуглеродистой стали и области их применения.

Является ли сталь AISI 4140 среднеуглеродистой?

Сталь AISI 4140 технически является низколегированной сталью. не углеродистая стальИногда его упоминают в категории среднеуглеродистой стали, поскольку он содержит 0.38-0.43% углерода, что численно относит его к среднеуглеродистым сталям.

Однако сталь AISI 4140 содержит хром (0.8-1.1%) и молибден (0.15-0.25%) в качестве основных легирующих элементов. Из-за этого она классифицируется как легированная сталь, а не как обычная углеродистая сталь. AISI 4140 обладает превосходной закаливаемостью и усталостной прочностью и широко используется для коленчатых валов, шестерен и валов, работающих в условиях высоких нагрузок.

Международные эквиваленты марок среднеуглеродистой стали AISI

Среднеуглеродистые стали серии AISI 10xx в мире признаются под разными обозначениями. В разных стандартах могут встречаться разные форматы обозначений, но эти марки в целом эквивалентны по содержанию углерода и механическим свойствам.

Таблица 5: Различные обозначения среднеуглеродистой стали в соответствии с различными стандартами.

Как выбрать подходящую марку углеродистой стали?

Для выбора подходящей марки среднеуглеродистой стали необходимо четкое понимание инженерных требований. Выбор материала требует глубокого исследования компонента для определения четких требований, ограничений, условий окружающей среды и финансовых возможностей. Ключевые факторы, которые необходимо учитывать при выборе среднеуглеродистой стали, следующие:

• Требования к механической нагрузке
• Требования к износостойкости и эксплуатационным характеристикам поверхности
• Толщина сечения и закаливаемость
• Ограничения в производстве и переработке
• Экологические условия и условия обслуживания
• Стоимость и наличие материалов

Настоятельно рекомендуется проконсультироваться с соответствующими экспертами, прежде чем принимать окончательное решение.

Области применения среднеуглеродистой стали

Автомобильный полуось

Превосходное сочетание свойств среднеуглеродистой стали пользуется большой популярностью среди инженеров в строительной, машиностроительной и автомобильной отраслях. Именно поэтому она широко используется в компонентах, подверженных умеренным и высоким напряжениям, циклическим нагрузкам и износу. 

Валы и оси

Благодаря высокой прочности на растяжение и усталостной прочности широко используется в автомобильных валах, полуосях и валах силовых передач.

Шестерни и муфты

Используется в качестве материала для зубчатых передач, шестерен и механических муфт, подверженных высоким контактным напряжениям. 

Кованые компоненты

Широко используется в гаечных ключах, стержнях и молотках благодаря высокой прочности, ударостойкости и долговечности.

Механические и машинные детали

Широко используется в коленчатых валах, шатунах и вращающихся компонентах машин, которые подвергаются комбинированным крутящим и изгибающим нагрузкам в условиях циклической эксплуатации.

Строительная и тяжелая техника

Болты, штифты, подъемные элементы и конструкционные соединители из среднеуглеродистой стали пользуются большой популярностью благодаря своей высокой несущей способности и устойчивости к механическому износу.

Преимущества среднеуглеродистой стали

Сбалансированные механические свойства

Благодаря превосходному сочетанию свойств среднеуглеродистой стали, она одновременно обеспечивает высокую прочность и ударную вязкость. Это делает ее идеально подходящей для несущих конструкций, требующих хорошей устойчивости к деформациям и динамическим нагрузкам.

Высокая чувствительность к термической обработке

Это позволяет нам экспериментировать со свойствами материала в процессе обработки и термообработки. Одним из важнейших преимуществ этого свойства является возможность получения твердых, износостойких поверхностей с прочными внутренними стержнями. Такие поверхности широко используются при изготовлении шестерен, кулачков и компонентов, подверженных усталостным нагрузкам.

Хорошая обрабатываемость в необработанном состоянии. 

Среднеуглеродистые стали легко поддаются механической обработке перед термообработкой. Поэтому мы можем легко обрабатывать их, придавая им различную геометрию, до окончательной термообработки. Это значительно снижает износ инструмента и производственные затраты. стальные материалы, используемые в общей механической обработке.

Широкая доступность и стандартизация

Поскольку большинство среднеуглеродистых сталей стандартизированы в мировом масштабе (например, AISI 1045 и C45 — это одна и та же марка, но по разным стандартам) и легко доступны, выбор материала, контроль качества и замена становятся очень простыми.

Экономичность

Среднеуглеродистая сталь обеспечивает высокие механические характеристики без добавления дорогостоящих легирующих элементов. Поэтому она широко используется в серийном производстве компонентов, где использование легированных сталей привело бы к неоправданным затратам и избыточному проектированию.

Ограничения среднеуглеродистой стали

Более низкая пластичность по сравнению с низкоуглеродистой сталью.

Формообразование и холодная формовка среднеуглеродистых сталей довольно сложны из-за высокого содержания углерода в них.

Умеренная свариваемость

При необходимости сварки материал следует предварительно нагреть, а после сварки провести надлежащую термическую обработку, чтобы избежать растрескивания.

Ограниченная коррозионная стойкость

Среднеуглеродистая сталь не является идеальным выбором, если ваша главная цель — коррозионная стойкость. Если вам необходимо использовать эту сталь в агрессивных средах, обязательны покрытия или соответствующие стратегии защиты поверхности. В противном случае рекомендуется рассмотреть альтернативные стали, такие как AISI 4140.

Риск хрупкости из-за неполной термической обработки.

Недостаточный отпуск или полное игнорирование отпуска могут привести к чрезмерной твердости и потере ударной вязкости, что может увеличить риск хрупкого разрушения.

Более низкая закаливаемость по сравнению с легированной сталью. 

В случае очень толстых сечений обычные среднеуглеродистые стали могут не обеспечивать равномерную твердость по всему поперечному сечению.

Обработка металлов на заказ 

Пролеантех Мы предоставляем высококачественные услуги по механической обработке металла для изготовления деталей и прецизионных компонентов на заказ. Мы предлагаем широкий выбор материалов и подклассов стали, включая среднеуглеродистые марки стали. 

Почему стоит сотрудничать с Boda?

• Расширенные возможности обработки на станках с ЧПУ
• Широкий выбор сплавов и материалов.
• Быстрая обработка заказов и поддержка на всех этапах производства, от прототипов до крупномасштабного производства.
• Конкурентное ценообразование

Получить бесплатная цитата онлайн сегодня!

Заключение

Среднеуглеродистая сталь — отличный выбор для проектов, требующих высокой прочности и ударной вязкости, а также низкой пластичности. Например, для валов и осей силовых передач. Существует множество марок среднеуглеродистой стали на выбор, и некоторые из них легко поддаются термообработке для повышения ударной вязкости.