Сварка стали 101: Почему низкоуглеродистая сталь сваривается, а высокоуглеродистая - нет?

По химическому составу сталь можно разделить на два основных типа: углеродистая и легированная.

Углеродистые стали подразделяются на:

(i) Низкоуглеродистая сталь: содержание углерода < 0,25%
(ii) Среднеуглеродистая сталь: содержание углерода 0,25 - 0,60%
(iii) Высокоуглеродистая сталь: содержание углерода > 0,60%

Низкоуглеродистая сталь, часто называемая мягкой, содержит менее 0,25% углерода. Она характеризуется относительно низкой прочностью, твердостью и пластичностью. К этой категории относится большинство обычных углеродистых конструкционных сталей и некоторые высококачественные углеродистые конструкционные стали. Мягкая сталь обычно используется для изготовления конструкционных элементов, не требующих термической обработки, а также для механических деталей, где необходима износостойкость, которая может быть достигнута за счет науглероживания или других видов поверхностной закалки.

Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода от 0,25% до 0,60% хорошо поддается горячей обработке и механической обработке, но плохо сваривается. Она обладает более высокой прочностью и твердостью по сравнению с низкоуглеродистой сталью, но меньшей пластичностью и вязкостью. Среднеуглеродистая сталь может использоваться непосредственно в холоднокатаном или холоднотянутом виде, а также после термической обработки без дополнительной обработки.

При правильной закалке и отпуске среднеуглеродистая сталь демонстрирует отличные общие механические свойства. Она может достигать максимальной твердости около HRC55 (эквивалент HB538) и прочности на разрыв в диапазоне от 600 до 1100 МПа. Благодаря этим характеристикам среднеуглеродистая сталь является наиболее распространенным материалом среди среднепрочных сплавов. Она находит широкое применение в строительстве и изготовлении различных механических компонентов.

Высокоуглеродистая сталь, содержащая от 0,60% до 1,70% углерода, также известна как инструментальная сталь. Она пригодна для закалки и отпуска, но обладает плохой свариваемостью. Содержание углерода определяется в зависимости от конкретного применения:

• Углеродистая сталь 0.75%: Используется для ударных инструментов, таких как молотки и ломы
• Углеродистая сталь 0,90% - 1,00%: Используется в режущих инструментах, таких как сверла, метчики и развертки

Каждая марка углеродистой стали обладает уникальными свойствами и выбирается в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к применению, с учетом таких факторов, как прочность, твердость, пластичность и обрабатываемость.

Сравнение сварочные свойства из низкоуглеродистой и высокоуглеродистой стали

Сравнение сварочных свойств низкоуглеродистой и высокоуглеродистой стали

Свариваемость стали в первую очередь зависит от ее химического состава, причем содержание углерода является наиболее важным фактором. Хотя другие легирующие элементы могут влиять на свариваемость, их воздействие обычно менее значительно по сравнению с углеродом.

Низкоуглеродистая сталь (обычно <0,25% C) обладает отличной свариваемостью и часто не требует особых мер предосторожности. Однако при сварке в низкотемпературных средах, толстых листов или для высокопроизводительных применений может потребоваться использование основных электродов и предварительный подогрев. Если содержание углерода и серы приближается к верхнему пределу для низкоуглеродистой стали, необходимо принять дополнительные меры для предотвращения термического растрескивания. К ним относятся использование высококачественных сварочных материалов с низким содержанием водорода, предварительная и послесварочная термообработка, а также оптимизация конструкции соединения.

Среднеуглеродистая сталь (0,25-0,60% C) более восприимчива к образованию трещин под действием сварки, особенно с увеличением содержания углерода. Это связано с большей закаливаемостью зоны термического влияния (ЗТВ), что повышает риск холодного растрескивания и снижает общую свариваемость. Кроме того, содержание углерода в металле шва увеличивается пропорционально основному материалу, что еще больше повышает риск растрескивания.

Присутствие серы в среднеуглеродистой стали может значительно увеличить вероятность образования горячих трещин во время сварки. Чтобы снизить эти риски, очень важно выбирать основные электроды с высокими характеристиками трещиностойкости. Проведение надлежащей термической обработки до и после сварки также может эффективно снизить склонность к образованию трещин за счет управления термическими напряжениями и микроструктурными изменениями.

Высокоуглеродистая сталь (>0,60% C) обладает наиболее сложными сварочными характеристиками из-за повышенного содержания углерода. Это приводит к высоким сварочным напряжениям и значительному увеличению риска как горячего, так и холодного растрескивания в зоне HAZ. Сварные швы из высокоуглеродистой стали особенно склонны к образованию горячих трещин по сравнению с их среднеуглеродистыми аналогами. Поэтому высокоуглеродистая сталь редко используется в общем сварочном производстве и в основном ограничивается специализированными применениями, такими как ремонтная сварка или наплавка износостойких деталей.

Послесварочная термообработка, в частности отпуск, необходима для всех сварных швов из углеродистой стали, особенно из средне- и высокоуглеродистых сталей. Этот процесс служит для снятия остаточных напряжений, стабилизации микроструктуры и значительного снижения риска образования трещин с задержкой. Правильный отпуск может значительно улучшить механические свойства, вязкость и общие эксплуатационные характеристики сварного соединения.

Для достижения оптимальных результатов при сварке углеродистых сталей необходимо учитывать такие факторы, как температура предварительного и промежуточного подогрева, контроль подачи тепла, выбор соответствующего присадочного металла и параметры послесварочной термообработки. Эти параметры должны быть тщательно подобраны в соответствии с конкретным содержанием углерода и требованиями к применению для получения высококачественных, бездефектных сварных швов с требуемыми механическими свойствами.