Может ли волоконный лазер сваривать? Исследование возможностей
Представьте себе технику сварки, которая обеспечивает непревзойденную точность, скорость и качество, при этом минимизируя тепловые искажения и легко интегрируется в…
Сталь — это сплав железа и углерода, а углеродистая сталь является разновидностью стали, широко используемой в промышленном производстве. Содержание углерода в углеродистой стали варьируется от 0,05% до 2,1%, что существенно влияет на её механические свойства. В этой статье представлен обзор углеродистой стали и влияние содержания углерода на её прочность и пластичность.
Углеродистая сталь — это сплав железа с углеродом. Хотя чистое железо само по себе не отличается высокой прочностью, добавление углерода значительно усиливает этот материал. Сырой чугун, используемый для производства стали, содержит большое количество углерода.
В процессе переработки сырого чугуна снижается содержание углерода, что позволяет получать различные виды углеродистой стали с разными механическими характеристиками. Варианты углеродистой стали различаются по концентрации углерода до 2,1%, а при превышении этого уровня материал становится чугуном.
Изменение содержания углерода позволяет получать различные типы углеродистой стали, как описано ниже:
Данная разновидность стали применяется при производстве кузовных деталей автомобилей, труб, строительных профилей (двутавров, швеллеров, уголков), пищевых банок, а также в строительстве и мостостроении.
Содержание углерода в низкоуглеродистой стали составляет менее 0,25%. Такая сталь упрочняется не термической обработкой, а холодной деформацией (для образования мартенсита). Благодаря низкой прочности этот вид стали остается сравнительно мягким материалом. Низкоуглеродистая сталь отлично подходит для обработки на станках благодаря высокой пластичности и экономичности.
Если в низкоуглеродистую сталь добавляются никель, медь, ванадий или молибден, то она становится высокопрочной низколегированной сталью (ВПНС). ВПНС обладает большей прочностью по сравнению с обычными низкоуглеродистыми сталями. Высокая пластичность облегчает формовку и обработку, а коррозионная стойкость превышает аналогичные показатели обычной низкоуглеродистой стали.
Содержание углерода в этом типе стали составляет от 0,25% до 0,60%, а марганца — от 0,60% до 1,65%.
Для улучшения механических свойств среднеуглеродистую сталь подвергают термической обработке: аустенитизации (нагрев до температуры, при которой структура меняется с феррита на аустенит), закалке и отпуску, что приводит к формированию мартенситной микроструктуры.
Дополнительное легирование элементами, такими как хром, молибден и никель, улучшает жаропрочность и упрочняет этот вид стали. Закалённая среднеуглеродистая сталь прочнее низкоуглеродистой, но это достигается за счет снижения пластичности и вязкости.
Высокоуглеродистая сталь
В данном типе стали содержание углерода и марганца составляет соответственно 0,60–1,25% и 0,30–0,90%. По сравнению с другими видами, высокоуглеродистая сталь обладает наибольшей прочностью и твёрдостью, но наименьшей пластичностью. Благодаря обязательной закалке и отпуску, такие стали крайне износостойки.
Некоторые виды высокоуглеродистой стали включают инструментальные и штамповые стали с добавлением ванадия, хрома, молибдена или вольфрама, что способствует формированию износостойкой структуры.
В статье, опубликованной в Journal of Materials Research and Technology, описывается производство новой средне-марганцевой низкоплотной стали с алюминием. Анализировалась эволюция микроструктуры на различных масштабах, включая характеристики аустенита и распределение марганца.
Результаты показали, что добавление алюминия расширяет температурное окно отжига, облегчая термическую обработку и повышая её эффективность. При отжиге при 780°C и последующем охлаждении в течение 3 минут примерно половина материала сохраняла аустенитную структуру, однако внешний вид и содержание марганца различались. Более длительный отжиг (20 минут) приводил к формированию более крупных участков аустенита с меньшим содержанием марганца, а короткие интервалы (4 минуты) — к образованию мелких обогащённых марганцем зон.
Прочностные характеристики стали зависят от механической стабильности и доли объёма аустенита. Образец, отожжённый 4 минуты, продемонстрировал высокое значение прочности на разрыв — 1192 МПа и относительное удлинение до 33% благодаря медленному проявлению эффекта трансформационно-индуцированной пластичности (TRIP).
Аналогично, другая публикация в Journal of Materials Research and Technology изучала влияние высокого давления (2 и 3 ГПа) на особенности мартенситного превращения и механические свойства низколегированной среднеуглеродистой стали (40Cr).
Для исследования изменений микроструктуры стали использовались методы электронной обратно-рассеянной дифракции (EBSD), спектроскопии Мёссбауэра и трансмиссионной электронной микроскопии (ТЕМ). Результаты показали, что при высоком давлении формируется смесь пластинчатого и игольчатого мартенсита, причём доля пластинчатого мартенсита возрастала с увеличением давления.
В исследовании, опубликованном в Metals, рассматривалось влияние содержания углерода в высокопрочных сталях на микроструктуру и вязкость определённой зоны (крупнозернистой зоны термического влияния — CGHAZ) при имитации сварки с различными тепловыми нагрузками.
С помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и EBSD изучались структурные изменения. Испытания по ударной вязкости Шарпи выявили переход структуры от игольчатого бейнита к зернистому бейниту при 0,04% углерода и тепловом вводе свыше 20 кДж/см. Для стали с содержанием углерода 0,12% и увеличением теплового ввода наблюдался переход от игольчатого мартенсита к игольчатому бейниту, а затем к зернистому бейниту.
Из-за параллельного расположения структурных элементов, таких как пучки игл, и проникновения аустенита в материал, образец с высоким содержанием углерода и большим числом границ высоких углов (HAGBs) продемонстрировал меньшую вязкость при 20 кДж/см по сравнению с низкоуглеродистым аналогом.
В целом, широкий диапазон содержания углерода в стали подчёркивает его значительное влияние на механические свойства, определяя сферы применения материала в различных отраслях. Низкоуглеродистая сталь — наиболее востребованный вариант для строительства и автомобилестроения благодаря доступности и пластичности.
При добавлении марганца и проведении правильной термообработки среднеуглеродистая сталь достигает оптимального баланса прочности и пластичности. Однако в процессе легирования для повышения стойкости к агрессивным средам пластичность часто жертвуется ради прочности.
Высокоуглеродистая сталь обладает выдающейся твёрдостью и износостойкостью, но при этом уступает по гибкости; однако такие стали незаменимы там, где требуется высокая износостойкость. В целом, взаимосвязь между характеристиками стали и содержанием углерода остаётся ключевой.
Эти исследования подчёркивают постоянный прогресс материаловедения, раскрывая не только универсальность углеродистой стали, но и сложность изменения её свойств для удовлетворения требований самых разных областей применения.
