Углеродистая сталь и нержавеющая сталь: Основные различия

I. Легированные элементы стали

Сталь

Сталь - это собирательный термин для обозначения сплавов железа с содержанием углерода от 0,02% до 2,04% по массе. Химический состав стали может существенно различаться. Сталь, содержащая только углерод, называется углеродистой или простой сталью.

Однако в процессе производства в сталь часто добавляют различные легирующие элементы в зависимости от ее назначения, например, марганец, никель и ванадий.

В зависимости от характеристик и сферы применения они подразделяются на конструкционную сталь, инструментальную сталь и сталь для специальных целей.

Углерод

Присутствуя во всех сталях, углерод является самым важным упрочняющим элементом. Он помогает повысить прочность стали. Инструментальная сталь, как правило, должна содержать более 0,6% углерода, также известная как высокоуглеродистая сталь.

Хром

Хром повышает износостойкость, твердость и, самое главное, устойчивость к коррозии. Если в стали содержится более 13% хрома, она считается нержавеющей. Тем не менее, все стали могут ржаветь, если за ними не ухаживать должным образом.

Марганцовка

Марганец - важнейший элемент, способствующий формированию зернистой структуры, повышающий вязкость, прочность и износостойкость. Он используется для раскисления стали в процессе термообработки и прокатки.

Марганец присутствует в большинстве виды стали используется для ножей и ножниц, за исключением A-2, L-6 и CPM 420V.

Молибден

Как карбидообразующее вещество, молибден предотвращает хрупкость стали и сохраняет ее прочность при высоких температурах. Он содержится во многих сталях.

Воздушно-твердеющие стали (такие как A-2, ATS-34) всегда содержат 1% или более молибдена, что позволяет им закаливаться на воздухе.

Никель

Никель обеспечивает прочность, коррозионную стойкость и вязкость. Он присутствует в сплавах L-6, AUS-6 и AUS-8.

Кремний

Кремний способствует повышению прочности. Как и марганец, он используется в процессе производства стали для поддержания ее прочности.

Вольфрам

Вольфрам повышает износостойкость. Для производства быстрорежущей стали его смешивают с хромом или марганцем в соответствующем соотношении. Быстрорежущая сталь M-2 содержит значительное количество вольфрама.

Ванадий

Ванадий повышает износостойкость и пластичность. Карбид ванадия используется в производстве стальные прутья. Многие виды стали содержат ванадий, в том числе M-2, Vascowear, CPM T440V и 420VA, которые отличаются высоким содержанием ванадия.

Основное отличие BG-42 от ATS-34 заключается в содержании ванадия.

II. Виды стали

(1) Обычная сталь

   a. Углеродистая конструкционная сталь:

(a) Q195;
(b) Q215 (A, B);
(c) Q235 (A, B, C);
(d) Q255 (A, B);
(e) Q275.

   b. Низколегированная конструкционная сталь

   c. Обычная конструкционная сталь для конкретных целей

(2) Качественная сталь (включая высококачественную сталь)

a. Конструкционная сталь:

(a) Высококачественная углеродистая конструкционная сталь;

(b) Легированная конструкционная сталь;

(c) Пружинная сталь;

(d) Сталь со свободной резкой;

(e) Несущая сталь;

(f) высококачественная конструкционная сталь для конкретных целей.

b. Инструментальная сталь:

(a) Углеродистая инструментальная сталь;

(b) Легированная инструментальная сталь;

(c) Быстрорежущая инструментальная сталь.

c. Сталь со специальными характеристиками:

(a) Нержавеющая кислотостойкая сталь;

(b) Жаропрочная сталь;

(c) Электрическое отопление легированная сталь;

(d) Электротехническая сталь;

(e) Высокомарганцевая износостойкая сталь.

III. Что такое углеродистая сталь?

Главный механические свойства стали зависит от содержания углерода. Сталь, не содержащую большого количества легирующих элементов, иногда называют простой углеродистой сталью или углеродистой сталью.

Углеродистая сталь, также известная как простая углеродистая сталь, относится к железоуглеродистым сплавам с содержанием углерода (WC) менее 2%.

Помимо углерода, углеродистая сталь обычно содержит небольшое количество кремния, марганца, серы и фосфора.

Углеродистая сталь может быть классифицирована на три типа в зависимости от ее применения: углеродистая конструкционная сталь, углеродистая инструментальная сталь и конструкционная сталь свободной резки. Углеродистая конструкционная сталь может быть дополнительно разделена на конструкционную сталь для зданий и конструкционную сталь для машин.

По способу выплавки углеродистую сталь можно разделить на мартеновскую, конвертерную и электропечную.

В соответствии с методом раскисления углеродистая сталь может быть классифицирована как кипящая сталь (F), убитая сталь (Z), полуубитая сталь (b) и специальная убитая сталь (TZ).

На основе содержание углеродаУглеродистая сталь может быть разделена на низкоуглеродистую (WC ≤ 0,25%), среднеуглеродистую (WC 0,25%-0,6%) и высокоуглеродистую (WC > 0,6%).

По содержанию фосфора и серы углеродистую сталь можно разделить на обычную углеродистую сталь (с более высоким содержанием фосфора и серы), высококачественную углеродистую сталь (с более низким содержанием фосфора и серы), высококачественную сталь высшего качества (с еще более низким содержанием фосфора и серы) и специальную высококачественную сталь.

Как правило, с увеличением содержания углерода в углеродистой стали увеличивается твердость и прочность, но снижается пластичность.

IV. Что такое нержавеющая сталь?

Нержавеющая сталь, также известная как кислотостойкая сталь, состоит из двух основных компонентов: нержавеющей стали и кислотостойкой стали. Проще говоря, сталь, способная противостоять атмосферной коррозии, называется нержавеющей, а сталь, способная противостоять коррозии в химической среде, называется кислотостойкой. Нержавеющая сталь - это высоколегированная сталь, основу которой составляет железо марки 60%, а также легирующие элементы, такие как хром, никель и молибден.

Если сталь содержит более 12% хрома, она устойчива к коррозии и ржавчине в атмосфере и разбавленной азотной кислоте. Это объясняется тем, что хром может образовывать на поверхности стали плотно прилегающую пленку оксида хрома, эффективно защищающую ее от коррозии. Содержание хрома в нержавеющей стали обычно превышает 14%, однако нержавеющая сталь не полностью защищена от ржавления.

В прибрежных районах или местах с сильным загрязнением воздуха, когда в воздухе содержится большое количество хлорид-ионов, на открытой поверхности нержавеющей стали могут появиться пятна ржавчины. Однако эти пятна ржавчины ограничиваются поверхностью и не вызывают коррозии внутренней матрицы нержавеющей стали.

Как правило, сталь с содержанием хрома (Wcr) выше, чем 12%, демонстрирует характеристики нержавеющей стали. Нержавеющая сталь может быть дополнительно классифицирована на пять категорий в зависимости от ее микроструктуры после термической обработки: ферритная нержавеющая сталь, мартенситная нержавеющая стальАустенитная нержавеющая сталь, аустенитно-ферритная (дуплексная) нержавеющая сталь и нержавеющая сталь, упрочняемая осадками.

Нержавеющую сталь принято классифицировать по матричной структуре:

Ферритная нержавеющая сталь: Содержит от 12% до 30% хрома. Его коррозионная стойкость, вязкость и свариваемость улучшается с увеличением содержания хрома. По сравнению с другими типами нержавеющей стали она обладает лучшей устойчивостью к коррозионному растрескиванию под действием хлоридов.

Аустенитная нержавеющая сталь: Содержит более 18% хрома, а также около 8% никеля и небольшое количество молибдена, титан, азот и другие элементы. Он обладает превосходными комплексными свойствами и может противостоять коррозии в различных средах.

Аустенитно-ферритная (дуплексная) нержавеющая сталь: Сочетает в себе преимущества аустенитного и ферритная нержавеющая стальи проявляет суперпластичность.

Мартенситная нержавеющая сталь: Обладает высокой прочностью, но плохой пластичностью и свариваемостью.

V. Углеродистая сталь против нержавеющей стали

Цвет: Нержавеющая сталь содержит больше хрома и никеля, в результате чего имеет серебристый вид. Углеродистая сталь состоит в основном из углерода и железа, в меньшем количестве металлические элементыЭто придает ему преимущественно железный, более темный цвет.

Текстура поверхности: Нержавеющая сталь, благодаря высокому содержанию других металлических элементов, имеет гладкую поверхность. Углеродистая сталь, содержащая больше железа и углерода, имеет более шероховатую поверхность и не обладает гладкостью нержавеющей стали.

Магнетизм: Углеродистая сталь обладает магнитными свойствами на своей поверхности и может притягиваться магнитом. Нержавеющая сталь, как правило, немагнитна при нормальных условиях и не притягивается магнитами.

Содержание углерода: Механические свойства углеродистой стали зависят от содержания в ней углерода, при этом сталь содержит менее 2% углерода и, как правило, не добавляет значительного количества легирующих элементов. В отличие от этого, нержавеющая сталь, чтобы сохранить устойчивость к коррозии, имеет относительно низкое содержание углерода, обычно не превышающее 1,2%.

Содержание сплава: Углеродистая сталь содержит небольшое количество легирующих элементов, таких как кремний, марганец, сера и фосфор. Нержавеющая сталь имеет более высокое содержание легирующих элементов, в основном хрома и никеля, превышающее 12%.

Устойчивость к коррозии: Углеродистая сталь с низким содержанием легирующих элементов обладает более слабой коррозионной стойкостью. Нержавеющая сталь с более высоким содержанием хрома и никеля обладает более сильной коррозионной стойкостью.

Различие между углеродистой и нержавеющей сталью заключается прежде всего в их коррозионной стойкости. Однако нержавеющая сталь, обладая превосходными свойствами, выполняет функции, которые другие виды стали не могут заменить в практическом применении.

Например, некоторые жаропрочные нержавеющие стали и нержавеющие стали с отличными поверхностными характеристиками широко используются в качестве декоративных материалов.

Кроме того, исключительные механические свойства нержавеющей стали делают ее незаменимой в различных отраслях производства.

Обычная сталь, также известная как углеродистая сталь, представляет собой железоуглеродистый сплав. В зависимости от содержания углерода она подразделяется на низкоуглеродистую сталь, среднеуглеродистую сталь и чугун.

Обычно сталь с содержанием углерода менее 0,2% называют низкоуглеродистой сталью, также известной как мягкое железо или чистое железо; сталь с содержанием углерода в пределах 0,2-1,7% называют сталью; а сталь с содержанием углерода более 1,7% называют чугуном.

1. Сталь с содержанием хрома выше 12,5% обладает высокой устойчивостью к коррозии под воздействием внешних сред (кислот, щелочей) и поэтому называется нержавеющей сталью.

В зависимости от внутренней структуры стали, нержавеющая сталь может быть разделена на мартенситную, ферритную, аустенитную, ферритно-аустенитную и закаленную осадкой, всего 55 типов, указанных в национальном стандарте GB3280-92.

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с аустенитной нержавеющей сталью (некоторые называют ее никелевой) и мартенситной нержавеющей сталью (некоторые называют ее "нержавеющим железом", что с научной точки зрения неверно и чревато недоразумениями).

Типичные марки аустенитной нержавеющей стали включают 0Cr18Ni9, или "304", и 1Cr18Ni9Ti. Мартенситная нержавеющая сталь, используемая для изготовления ножниц и ножей, в основном включает марки 2Cr13, 3Cr13, 6Cr13, 7Cr17 и т.д.

2. Различия в составах этих двух типов нержавеющей стали приводят к разным внутренним микроструктурам металла.

3. Аустенитная нержавеющая сталь, благодаря высокому содержанию хрома и никеля (около 18% хрома и более 4% никеля), имеет аустенитную внутреннюю структуру.

Эта структура немагнитна и не притягивается магнитом. Она широко используется для изготовления декоративных материалов, таких как трубы из нержавеющей стали, вешалки для полотенец, столовых приборов, печей и т. д.

4. Мартенситная нержавеющая сталь используется для изготовления ножей и ножниц. Поскольку режущие инструменты должны быть острыми, они должны обладать определенной твердостью.

Этот тип нержавеющей стали должен пройти термическую обработку для изменения внутренней структуры и повышения твердости, чтобы использоваться в качестве режущий инструмент.

Но этот тип нержавеющей стали имеет закаленную мартенситную внутреннюю структуру и является магнитным, то есть может притягиваться магнитом.

Поэтому нельзя просто определить, является ли материал нержавеющей сталью, основываясь на его магнетизме.

VI. Бесшовные трубы из нержавеющей стали в сравнении с бесшовными трубами из углеродистой стали

Различие между бесшовными трубами из нержавеющей стали и бесшовными трубами из углеродистой стали заключается, прежде всего, в различных правилах проектирования этих двух видов стали, что означает, что их правила проектирования не являются взаимозаменяемыми. Вкратце различия можно описать следующим образом:

Во-первых, нержавеющая сталь упрочняется в процессе холодной обработки благодаря явлению, называемому закалкой. Например, при изгибе она проявляет анизотропию, имея различные свойства в поперечном и продольном направлениях.

Увеличение прочности при холодной обработке может быть использовано для повышения коэффициента безопасности, особенно если площадь изгиба мала по сравнению с общей площадью, что делает это увеличение незначительным.

Во-вторых, кривая "напряжение-деформация" для нержавеющей стали отличается от кривой для углеродистой стали. Предел упругости нержавеющей стали составляет примерно 50% от предела текучести, что, согласно стандартным нормам, ниже предела текучести среднеуглеродистой стали.

Наконец, у нержавеющей стали нет определенного предела текучести. Вместо этого предел текучести обычно обозначается σ0,2 и считается эквивалентным значением.

VII. Термическая обработка и показатели механических свойств стали

Термическая обработка это процесс, который позволяет изменять физические свойства металла с помощью нагрева и охлаждения. С помощью термообработки можно улучшить микроструктуру стали, чтобы она соответствовала определенным физическим требованиям.

К числу характеристик, достигаемых в ходе этого процесса, относятся прочность, твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются с помощью таких методов термообработки, как закалка и отпуск, отжиг, и поверхностное упрочнение.

ЗакаливаниеЗакалка предполагает равномерный нагрев металла до соответствующей температуры, затем быстрое погружение в воду или масло для резкого охлаждения, либо охлаждение на воздухе или в морозильной камере для достижения необходимой твердости.

Отпуск необходимо после закалки, так как сталь становится хрупкой и склонной к разрушению из-за напряжения, вызванного быстрым охлаждением.

Чтобы устранить эту хрупкость, сталь закаливают, нагревая до соответствующей температуры или цвета, а затем быстро охлаждают.

Хотя этот процесс несколько снижает твердость стали, он повышает ее вязкость и уменьшает хрупкость.

Отжиг это метод, используемый для устранения внутреннее напряжение в стали и гомогенизировать ее. Процесс включает в себя нагрев стали выше критической температуры, а затем помещение ее в сухую золу, известь, асбест или герметизацию внутри печи для медленного охлаждения.

Твердость относится к способности материала противостоять проникновению внешнего объекта. Распространенный метод испытания твёрдость стали это обработка края заготовки напильником, где глубина следов от напильника указывает на степень твердости.

Однако этот метод не отличается высокой точностью. Современные испытания на твердость обычно проводятся с помощью твердомера. Тест на твердость по Роквеллу - один из наиболее часто используемых тестов.

Твердомер Роквелла измеряет глубину проникновения алмазного индентора в металл; чем глубже проникновение, тем ниже твердость. Глубина проникновения может быть точно считана с циферблата, и это показание называется числом твердости по Роквеллу.

Ковка это процесс, при котором металлу придают форму с помощью молота. Когда сталь нагревается до температуры ковки, ее можно ковать, гнуть, вытягивать и придавать ей форму. Большинство сталей легко поддаются ковке, если их нагреть до яркого вишнево-красного цвета. Один из распространенных методов повышения твёрдость стали это закаливание.

Хрупкость означает склонность металла к легкому разрушению. Например, чугун очень хрупок и может даже треснуть при падении. Существует тесная связь между хрупкостью и твердостью; как правило, материалы с высокой твердостью обладают и высокой хрупкостью.

Пластичность (также известная как ковкость) относится к способности металла постоянно деформироваться без разрушения под воздействием внешних сил. Вязкие металлы можно вытягивать в тонкую проволоку.

Эластичность Свойство металла деформироваться под действием внешних сил и возвращаться в исходную форму после их снятия. Пружинная сталь - высокоэластичный материал.

Податливость также известный как подделываемостьЭто еще одно описание пластичности или мягкости металла. Легируемость - это свойство металла деформироваться без разрушения при ударах молотом или прокатке.

Прочность это способность металла выдерживать вибрации или удары. Жесткость противоположна хрупкости.