Какие сплавы относятся к сталям: Страница по Вашему запросу не найдена

alexxlab | 25.02.1978 | 0 | Разное

Конструкционные стали и сплавы RMS

Конструкционные стали и сплавы

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Ст4 — углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (sв) и текучести (s0.2) и снижается пластичность (d,y). Ст3сп имеет sв=380¸490МПа, s0.2=210¸250МПа, d=25¸22%.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат

: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций.

С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Содержание S<=0.04%, P<=0.035¸0.04%, а также меньшее содержание неметаллических включений.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,…, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают высокой прочностью и высокой пластичностью. sв=330¸340МПа, s0.2=230¸280МПа, d=33¸31%.

Стали без термической обработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,…, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (sв=500¸600МПа, s0.2=300¸360МПа,d =21¸16%). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости.

Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,…, 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.

Легированные конструкционные стали

Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это стали применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.

Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к низколегированным, содержащие 2.5-10% — к легированным, и более 10% к высоколегированным (содержание железа более 45%).

Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении — легированные стали.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква ²А².

Строительные низколегированные стали

Низко легированными называют стали, содержащие не более 0.22% С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1.8% Mn, до 1,2% Si, до 0,8% Cr и другие.

К этим сталям относятся стали 09Г2, 09ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие. Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются.

Для изготовления труб большого диаметра применяют сталь 17ГС (s0.2=360МПа, sв=520МПа).

Арматурные стали

Для армирования железобетонных конструкций применяют углеродистую или низкоуглеродистую сталь в виде гладких или периодического профиля стержней.

Сталь Ст5сп2 — sв=50МПа, s0.2=300МПа, d=19%.

Стали для холодной штамповки

Для обеспечения высокой штампуемости отношение sв/s0.2 стали должно быть 0.5-0.65 при y не менее 40%. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали к вытяжке. Поэтому для холодной штамповки более широко используют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 08Фкп (0.02-0.04% V) и 08Ю (0.02-0.07% Al).

Конструкционные (машиностроительные) цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика.

Сталь 20Х — sв=800МПа, s0.2=650МПа, d=11%, y=40%.

Хромованадиевые стали

. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0.2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.

Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом

Сталь 12Х2Н4А — sв=1150МПа, s0.2=950МПа, d=10%, y=50%.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

Сталь 25ХГМ — sв=1200МПв, s0.2=1100МПа, d=10%, y=45%.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

На ВАЗе широко применяют стали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН.

После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

Сталь 15ХГН2ТА — sв=950МПа, s0.2=750МПа, d=11%, y=55%.

Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.

В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

Сталь 20ХГНР — sв=1300МПа, s0.2=1200МПа, d=10%, y=09%.

Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали

Стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению — низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К1с.

Хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Сталь 30Х — sв=900МПа, s0.2=700МПа, d=12%, y=45%.

Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем (0.9-1.2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до −60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве.

Сталь 40ХГТР — sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.

Хромокремнемарганцевые стали. Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение). Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Сталь 30ХГС — sв=1100МПа, s0.2=850МПа, d=10%, y=45%.

Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.

Сталь 40ХН — sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.

Хромоникелемолибденовые стали. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкостью, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали в воде для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.

Сталь 40ХН2МА — sв=1100МПа, s0.2=950МПа, d=12%, y=50%.

Хромоникелемолибденованадиевые стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.

Сталь 38ХН3МФА — sв=1200МПа, s0.2=1100МПа, d=12%, y=50%.

Стали с повышенной обрабатываемостью резанием

Наиболее часто применяют автоматные стали А12, А20, А40, имеющие повышенное содержание серы (0.08-0.3%), фосфора (<=0.05%) и марганца (0.7-1.0%). Сталь 40Г содержит 1.2-1.55% Mn.

Фосфор, повышая твердость, прочность и охрапчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности.

Стали обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеют пониженный предел выносливости. Поэтому сернистые автоматные стали применяют лишь для изготовления неответственных изделий — преимущественно нормалей или метизов.

Мартенсито-стареющие высоко прочные стали

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенсито-стареющая сталь Н18К9М5Т (<=0.03% С, ~18% Ni, ~9% Co, ~5% Mo, ~0.6 Ti).

Кроме стали Н18К9М5Т нашли применение менее легированные мартенсито-стареющие стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т (sв=1400¸1500МПа), Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ (sв=1600¸1800МПа), KCU=0.35¸0.6 МДж/м2, s0.2=1800¸2000МПа. Мартенсито-стареющие стали имеют высокий предел упругости s0.002=1500МПа.

Мартенсито-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д. Эти стали дорогостоящие.

Высокопрочные стали с высокой пластичностью

(ТРИП- или ПНП-стали)

Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТРИП-сталями или ПНП-сталями. Эти стали содержат 8-14% Cr, 8-32% Ni, 0.5-2.5% Mn, 2-6% Mo, до 2% Si (30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1).

Механические свойства ПНП-сталей: sв=1500¸1700МПа, s0.2=1400¸1550МПа, d=50¸60%. Характерным для это группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости.

Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др.

Рессорно-пружинные стали общего назначения

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, пределом выносливости и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости.

Для пружин малого сечения применяют углеродистые стали 65, 70,75, 85. Сталь 85 — s0.2=1100МПа, sв=1150МПа, d=8%, y=30%.

Более часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали.

Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие высокую прокаливаемость, хорошую прочность и релаксационную стойкость применяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. Сталь 65С2ВА — s0.2=1700МПа, sв=1900МПа, d=5%, y=20%. Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А.

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по техническим свойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь 50ХФА, не склонная к перегреву и обезуглероживанию.

Шарикоподшипниковые стали.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0.95-1.0% С и 1.3-1.65% Cr), а больших сечений — хромомарганцевую сталь ШХ15СГ (0.95-1.05% С, 0.9-1.2% Cr, 0.4-0.65% Si и 1.3-1.65% Mn), прокаливающуюся на большую глубину. Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К сталям предъявляются высокие требования по содержанию неметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также карбидная неоднородность.

Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют цементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газовой цементации, высокого отпуска, закалки и отпуска детали подшипника из стали 20Х2Н4А имеют на поверхности 58-62 HRC и в сердцевине 35-45 HRC.

Износостойкие стали

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0.9-1.3% С и 11,5-14.5% Mn. Она обладает следующими механическими свойствами: s0.2=250¸350МПа, sв=800¸1000МПа, d=35¸45%, y=40¸50%.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках. При небольших ударных нагрузках в сочетании с абразивным изнашиванием либо при чистом абразивном изнашивании мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали 110Г13Л невысокая.

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превращение.

Коррозийно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. Элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок , деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.

Сталь 12Х17 — sв=520МПа, s0.2=350МПа, d=30%, y=75%.

Коррозионно-стойкие стали устойчивы к электрохимической коррозии.

Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабо агрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот).

Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д.

Стали 15Х25Т и 15Х28 используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже −20°С.

Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (азотная кислота).

Сталь 12Х13 — sв=750МПа, s0.2=500МПа, d=20%, y=65%.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплав 04ХН40МДТЮ предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для изготовления аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислоты, применяют никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni-Mo имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.

Для изготовления сварной аппаратуры, работающей в солянокислых средах, применяют сплав Н70МФ.

Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.

Сталь Н70МФ — sв=950МПа, s0.2=480МПа, d=50%.

Двухслойные стали нашли применение для деталей аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде. Эти стали состоят из основного слоя — низколегированной (09Г2, 16ГС, 12ХМ, 10ХГСНД) или углеродистой (Ст3) стали и коррозийно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6мм из коррозийно-стойких сталей (08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13) или никелевых сплавов (ХН16МВ, Н70МФ).

Сталь ХН65МВ — sв=1000МПа, s0.2=600МПа, d=50%.

Криогенные стали

Криогенные стали обладают достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требования высокой коррозийной стойкости. В качестве криогенных сталей применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладноломкости. Для сварных конструкций, работающих при температуре до −196°С, используют стали с 6-7% Ni (ОН6А) и 8.5-9.5% Ni (ОН9А), обладающие низким порогом хладноломкости.

Из этих сталей изготовляют цилиндрические или сферические резервуары для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре не ниже −196°С.

Сталь 10Х14Г14Н4Т — sв=620МПа, s0.2=280МПа, d=45%, y=60%.

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д., работающих при высоких температурах.

Жаропрочные стали благодаря невысокой стоимости широко применяются в высокотемпературной технике, их рабочая температура 500-750°С.

Механические свойства сталей перлитного класса (12К, 15К, 18К, 22К, 12Х1МФ): sв=360¸490МПа, s0.2=220¸280МПа, d=24¸19%. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность.

Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов (15Х11МФ, 40Х9С2, 40Х10С2М) применяют для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок.

Стали аустенитного класса (10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР) предназначены для изготовления пароперегревателей и турбоприводов силовых установок высокого давления.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т. д.).

Часто используют сплав ХН70ВТЮ, обладающий хорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при 700-800°С.

Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергают алитированию.

Глава 1. Коррозионностойкие стали и сплавы / Глава 1.1. Классификация и особенности коррозионностойких сталей и сплавов

К коррозионностойким относят стали и сплавы, содержащие > 12 % Сr, а также дополнительно легированные Ni, Mo, Сu, Si, Ti, Nb, N и некоторыми другими элементами. Их содержание зависит от агрессивности коррозионной среды и требований, предъявляемых к физико-механическим свойствам сталей и сплавов.

Коррозионностойкие стали и сплавы применяют для изготовления технологического оборудования, работающего в условиях воздействия на металл различных, как правило, высоко агрессивных коррозионных сред (неорганические и органические кислоты, их смеси, растворы щелочей и солей, морская и минерализованные пластовые воды, влажная атмосфера и т.д.) и механических нагрузок (статических, динамических, циклических или комбинированных).

Многие коррозионностойкие стали и сплавы имеют также и другие важные для практического использования свойства. Например, стали, содержащие > 12 % Сr, а также Si и Аl, обладают повышенной жаропрочностью (в основном стали и сплавы аустенитного класса). Ударная вязкость аустенитных сталей незначительно уменьшается вплоть до низких температур, поэтому их широко используют в криогенной технике. Стали этого класса являются парамагнитными, вследствие чего применяются в качестве коррозионностойких немагнитных материалов.

Хром – основной легирующий элемент для большинства коррозионностойких сталей. Его минимальное содержание, при котором сталь еще является коррозионностойкой в слабоагрессивных растворах и влажной атмосфере, составляет 12 %.

Никель обеспечивает сталям и сплавам высокую стойкость в слабо окисляющих и неокисляющих растворах. В сочетании с хромом он способствует образованию в стали гомогенной структуры аустенита, что повышает ее коррозионную стойкость. При этом также возрастают пластичность и вязкость стали. Если использовать никель в качестве матрицы сплава вместо железа, то можно путем легирования его некоторыми элементами (например Сr и Мо) создать сплавы, коррозионностойкие в сильноагрессивных средах (серная и соляная кислоты), в которых высоколегированные стали на основе железа склонны к коррозии.

Кроме хрома и никеля, коррозионностойкие стали и сплавы дополнительно легируют ферритообразующими (Si, Al, Mo, W, V, Ti, Nb) и аустенитообразующими (N, Мn, Сu, Со) элементами. Их вводят в различных количествах и сочетаниях, которые зависят от требований, предъявляемых к коррозионной стойкости, механическим и технологическим свойствам материалов. По структурному признаку, то есть в зависимости от структуры материалов и особенностей ее изменения при проведении термообработки, коррозионно-стойкие стали и сплавы подразделяют на следующие классы:

• мартенситные нержавеющие стали, имеющие повышенное содержание углерода. Они подвержены полному фазовому α ↔ γ превращению, и при охлаждении на воздухе с температур несколько выше Ас3 в них образуется мартенсит;
• полуферритные нержавеющие хромистые стали, имеющие пониженное содержание углерода и повышенное содержание хрома или добавки ферритообразующих элементов. Они подвержены частичному фазовому α ↔ γ превращению, и при охлаждении на воздухе в этих сталях вместо двухфазной структуры аустенита и феррита образуется мартенсито-ферритная структура;
• ферритные нержавеющие стали, имеющие повышенное содержание хрома или добавки ферритообразующих элементов. Они не подвержены фазовому превращению α ↔ γ. К этому же классу относятся стареющие [list_item] ферритные нержавеющие стали, в которых при определенных режимах термообработки из феррита выделяется σ – фаза;
• феррито-аустенитные стали, имеющие из-за наличия в них аустенитообразующих элементов устойчивую структуру аустенита, который не подвержен превращению в мартенсит при охлаждении. Матрица сталей данного класса – феррит. Особенностью этих сталей является увеличение в них количества феррита и уменьшение количества аустенита при нагреве. При охлаждении с высоких температур соотношение фаз изменяется в обратной пропорции;
• аустенито-ферритные стали, которые аналогичны сталям четвертого класса, но преобладающей фазой в них при любых условиях является аустенит. К ним относятся Cr-Ni, Cr-Mn и Cr-Mn-Ni нержавеющие стали, как содержащие, так и не содержащие ферритообразующие элементы;
• аустенитные стали, в которых из-за наличия определенного количества аустенитообразующих элементов формируется устойчивая структура аустенита. Если они содержат более 0,02 % С, то после отпуска имеют аустенито-карбидную структуру со стабилизированными карбидами Ti или Nb и нестабилизированными карбидами Сr;
• стали переходного класса, которые представляют собой аустенитные или аустенито-ферритные стали со структурой неустойчивого аустенита. Они склонны к упрочнению при проведении определенной термообработки или в ходе обработки холодом после закалки вследствие образования аустенитомартенситной структуры;
• аустенитные стареющие стали, к которым относятся хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали, содержащие Nb или V и N. Они отличаются значительной коррозионной стойкостью и имеют высокую прочность;
• аустенитные сплавы на основе Ni, Ni и Cr, Ni и Мо, а также сочетаний никеля с некоторыми другими элементами. В этих сплавах железо либо отсутствует, либо имеется в малых количествах. Сплавы этого класса могут быть нестареющими или стареющими, в которых происходит выделение интерметаллидов или образование упорядоченных структур.

Отличительной особенностью коррозионностойких сталей и сплавов, которые всегда содержат углерод и 0,01-0,03 % азота (в случае, если он не введен специально), является наличие в структуре карбидов и нитридов. При проведении термообработки, горячей пластической деформации или сварки они могут выделяться или растворяться в твердом растворе.

Описание и область применения железных сплавов

Описание и область применения железных сплавов

Термин «железоуглеродистые сплавы» применяется для сплавов железа с углеродом и классифицируются по содержанию в них углерода, как показано в Табл. 1. Чистое железо — относительно мягкий материал, и его трудно использовать в каких-либо коммерческих целях.

Сплавы железа с углеродом

Материал	Процентное содержание углерода
Сталь	0.05…2.14
Ковкий чугун	2.4…2.9
Литейный чугун	2.2…4.3

Термин «углеродистая сталь» употребляется для таких сталей, у которых, по существу, присутствуют только железо и углерод, а термин «легированная сталь» — для сплава, в который входят другие элементы. Нержавеющие стали относятся к сплавам, имеющим высокое процентное содержание хрома, а следовательно, высокое сопротивление коррозии. Термин «инструментальная сталь» определяет углеродистые стали или сплавы, которые были закалены и подвергнуты отпуску и обладают необходимыми свойствами для применения их в качестве инструментального материала.

Далее перечислены различные типы железоуглеродистых сплавов.

Легированные стали

Термин «низколегированная сталь» используется для сплавов сталей, имеющих легирующие добавки меньше 2%, «среднелегированная сталь» содержит добавки от 2% до 10%, а «высоколегированная сталь» имеет добавки выше 10%. Во всех случаях количество углерода в сплавах меньше 1%. К сталям добавляются такие простые элементы, как алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, фосфор, кремний, сера, титан, вольфрам, ниобий, бор и ванадий.

Имеется целый ряд технологических способов, при использовании которых легирующие элементы могут влиять на свойства стали. Основные из них следующие: 1. Условие затвердевания стали. 2. Форма карбидов. 3. Форма графита. 4. Стабильность аустенита или железа. 5. Изменение критической скорости охлаждения. 6. Улучшение коррозионного сопротивления. 7. Изменение условий роста зерна. 8. Улучшение обрабатываемости на станках.

(См. Система кодирования сталей, Составы легированных сталей, Параметры ползучести, Обрабатываемость на станках, Сопротивление окислению, Механические свойства легированных сталей, Термические свойства, Применение легированных сталей.)

Углеродистые стали

Как уже отмечалось, в углеродистых сталях присутствуют только железо и углерод. Такие стали с содержанием углерода меньше 0.80% называются доэвтектоидными, с содержанием углерода между 0.80% и 2.14% — заэвтектоидными относительно эвтектоидного состава 0.8% С. Стали с содержанием углерода между 0.10% и 0.25% обозначают как мягкие, между 0.20% и 0.50% — как сред неуглерод истые, а при содержании углерода более чем 0.50% — как стали с повышенным содержанием углерода. Равновесная диаграмма состояния железо—углерод показана на Рис. 3.1.

(См. Система кодирования сталей, Составы углеродистых сталей, Параметры ползучести, Твердость, Ударные свойства, Обрабатываемость на станках, Механические свойства углеродистых сталей, Термические свойства, Применение углеродистых сталей.)

Литейные чугуны

Литейные чугуны могут быть разделены на 5 основных категорий:

1. Серые чугуны. Содержат углерод (графит) в пластинчатой форме. Большинство типов серого чугуна имеют графит в перлитовой структуре.

2. Пластичные чугуны, или чугуны с шаровидным графитом. Содержат графит в форме шаровидных включений, образовавшихся во время литья при добавлении к расплавам магния или церия. Материал имеет большую пластичность, чем серые чугуны.

3. Белые чугуны¹. В них нет графита, содержат твердый цементит.

4. Ковкие чугуны. Получаются при тепловой обработке белых чугунов. Их иногда разделяют на две категории, ферритовый и перлитовый, или рассматривают как три группы: белосердечный, черносердечный и перлитовый. Ковкие чугуны имеют лучшую тягучесть, чем серые литейные чугуны, и это, в сочетании с их высоким пределом на растяжение, способствует их широкому применению.

5. Высоколегированные чугуны. Сплавы, которые содержат соответствующие добавки таких элементов, как кремний, хром, никель или алюминий. Их можно рассматривать как две категории чугунов: безграфитные белые чугуны и чугуны, содержащие графит. Безграфитные белые чугуны имеют очень высокое сопротивление истиранию. В содержащих графит чугунах он находится в форме чешуек или шаровидных включений, и к ним применимы определения теплового сопротивления серых и пластичных чугунов. Такие типы чугунов имеют весьма высокое коррозионное сопротивление и называются коррозионностойкими.

(См. Система кодирования литейных чугунов, Составы литейных чугунов, Ударные свойства, Механические свойства литейных чугунов, Тепловые свойства, Применение литейных чугунов.)

Автоматные стали

Эти стали имеют улучшенную обрабатываемость на станках (резанием) как следствие добавки серы, свинца, селена и/или кальция. Такие стали называются соответственно сернистыми, свинцовосодержащими, селеносодержащими и/или кальцийсо-держащими автоматными. Фосфор может тоже улучшать обрабатываемость стали, способствуя образованию самоломающейся стружки во время механической обработки.

(См. Кодирование сталей, Составы автоматных сталей, Обрабатываемость на станках, Механические свойства автоматных сталей.)

Мартенситно-стареющие высокопрочные стали

Мартенситно-стареющие высоколегированные стали обладают значительной прочностью, которая может быть увеличена выделением вторичных фаз (преципитатов). Это сплавы железа с никелем (8…22%), иногда с кобальтом и очень малым содержанием углерода (меньше 0.03%). Для старения в мартенсите сплавы легируют титаном, молибденом, вольфрамом. Никель и кобальт уменьшают растворимость легирующих добавок в а-железе (Fe_a), что приводит к упрочнению при старении и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Содержание углерода небольшое, поскольку относительно высокое содержание никеля приводит к образованию графита в структуре, что может вызвать снижение прочности и твердости стали.

Типичная тепловая обработка состоит в нагреве стали выше 830°С и охлаждении на воздухе. В результате получается безуглеродистый мартенсит. Последующая механическая обработка и деформация стали приводят к увеличению ее твердости путем выделения преципитатов при нагреве выше 500°С в течение двух или трех часов. До обработки материал имеет типичный предел прочности на растяжение около 700 МПа, или МНм², и твердость 300 HV, в то время как после обработки соответственно около 1700 МПа, или МНм², и 550 HV.

(См. Составы мартенситно-стареющих сталей и Механические свойства мартенситно-стареющих сталей.)

Нержавеющие стали

Есть несколько типов нержавеющих сталей: ферритные, мартенситные и аустенитные. В их состав входит хром, повышающий сопротивление коррозии.

Ферритные стали содержат хрома 12…25% и меньше 0.1% углерода. Такие стали после охлаждения жидкого состояния только изменяются к ферриту и таким образом, поскольку не образуется аустенит, затвердевают при закалке и не могут дать мартенсит. Тем не менее они могут твердеть при холодной обработке.

Мартенситные стали содержат хрома 12… 18% и углерода 0.1… 1.2%. После охлаждения жидкого состояния они образуют аустенит и, таким образом, могут твердеть путем закалки до заданного состояния структуры мартенсита с частицами карбида хрома. Мартенситные стали подразделяются на три группы: нержавеющие чугуны, нержавеющие стали и высокохромистые стали. Нержавеющие чугуны содержат около 0.1% углерода и 12… 13% хрома, нержавеющие стали — 0.25…0.30% углерода и 11… 13% хрома, а высокохромистые стали — 0.05…0.15% углерода, 16… 18% хрома и 2% никеля.

Аустенитные стали содержат хрома 16…26%, более 6% никеля и очень мало углерода, 0.1% или менее. Такие сплавы полностью аустенитные при всех температурах. Они могут твердеть и при закалке, и при холодной обработке.

Во время сварки у нержавеющих сталей могут происходить структурные изменения, которые снижают коррозионную стойкость материала. Этот эффект, известный как разрушение сварного соединения, является результатом выделения преципитатов хрома, богатого карбидами на границах зерен. Единственный путь к преодолению его заключается в стабилизации стали путем добавки к ней других элементов, таких как ниобий и титан, которые имеют большее сходство с углеродом, чем хром, и таким образом формируются карбиды во включениях преципитатов в хроме.

(См. Система кодирования нержавеющих сталей, Составы нержавеющих сталей, Параметры ползучести, Сопротивление окислению, Механические свойства нержавеющих сталей, Тепловые свойства, Применение нержавеющих сталей.)

Инструментальные стали

Не имеющие примесей углеродистые стали обладают твердостью благодаря высокому содержанию в них углерода. Эти стали нуждаются в закалке в холодной воде для получения максимальной твердости. К сожалению, они немного хрупкие и им не хватает пластичности. Там, где требуется материал с умеренной пластичностью, может применяться углеродистая сталь с содержанием углерода около 0.7%. А там, где твердость является основным требованием, а ударная вязкость не важна, могут применяться углеродистые стали с содержанием углерода около 1.2%.

Сплавы инструментальных сталей делаются более твердыми и более износостойкими при добавлении к ним элементов, способствующих появлению стойких твердых карбидов. В качестве таких элементов применяются марганец, хром, молибден, вольфрам и ванадий. Марганцевая инструментальная сталь содержит примерно 0.7… 1% углерода и 1.0…2.0% марганца. Такая сталь закалена в масле от температуры 780…800°С и затем отпущена. Марганец может быть частично заменен хромом, что только улучшит вязкость стали. Сопротивление ударной нагрузке у инструментальных сталей предназначается для улучшения вязкости при воздействии на них ударами. Для этого необходимо мелкое зерно, которое получают при добавлении ванадия. Инструментальные стали, рассчитанные на применение в процессах с деформированием в горячем состоянии, требуют сохранения своих свойств при рабочих температурах. Хром и вольфрам, если они добавлены к сталям в форме карбидов, которые имеют и стойкость, и твердость, сохраняют свойства стали до высоких температур.

Стали, используемые для обработки с высокой скоростью на станках, называются быстрорежущими инструментальными сталями. В результате обработки материал нагревается. Такие стали не должны отпускаться при высоких температурах, которые появляются во время обработки на станках. Считается, что комбинация вольфрама и хрома в виде карбидов, сформированных при этих элементах, дает требуемые свойства стали. Они будут особенно прочны при высоких температурах.

(См. Кодирование инструментальных сталей, Составы инструментальных сталей, Свойства инструментальных сталей, Применение инструментальных сталей.

Применение литейных чугунов

Материал	Применение
Серые чугуны	Водопроводные трубы, цилиндры двигателей и поршней, машинное литье, оболочки коленчатых рычагов, машинные инструментальные матрицы дыропробивных прессов, колпаки люков
Белый чугун	Закаленные водой детали, такие как измельчающие дроблением предметы и оборудование дробилок
Ковкие чугуны	Зубчатые втулки, педали, рычаги, основной скобяной товар, велосипедные и мотоциклетные рамы
Вязкие чугуны	Трубопроводы, кривошипные валы для тяжелого режима работы
Белый абразивно стойкий чугун	Оборудование переработки абразивных материалов и дробильные кулачки
Коррозионностой-кий сплав	Изделия, обладающие кислотоупорностью. Сплав с повышенным содержанием кремния, из-за чего очень хрупкий и трудно обрабатывается на станках
Теплостойкий серый сплав	Высокостойкий к теплу, а также к коррозии. Ni Мп 13 7 немагнитный
Теплостойкий пластичный сплав	Упругий и пластичный при низких температурах. Высокопластичные никелевые сплавы имеют низкое тепловое расширение

Типичные области применения ковких алюминиевых сплавов

Сплав	Применение
Нелегированный алюминий
1050	Изготовленные холодным прессованием трубы, химическое оборудование
1060	Химическое оборудование
1100	Тонколистовой обработанный металл, вытянутые в нить пустотелые изделия
1200	Изготовленные холодным прессованием трубы, обработанный тонколистовой металл
Сплавы алюминий—медь
2011	Изделия с винтовой нарезкой
2014	Авиационные конструкции, рамы для вагонов
2024	Авиационные конструкции, вагонные колеса
2219	Применяется для высокой прочности сварных соединений в конструкциях, работающих при температуре 350°С и выше, например авиационные детали
2618	Части авиационных двигателей
Сплавы алюминий—марганец
3003	Нерастягиваемые сварные соединения, обработанный тонколистовой металл, скобяные изделия, емкости хранилищ, резервуары под давлением, химическое оборудование
3004	Обработанный тонколистовой металл, емкости хранилищ
3105	Скобяные изделия, обработанный тонколистовой металл
Сплавы алюминий—магний
5005	Электрические проводники, архитектурные детали отделки, в основном нерастягиваемые
5050	Скобяные изделия, змеевики труб
5052	Обработанный тонколистовой металл, гидравлические трубы
5083	Резервуары со швами, полученными при сварке давлением, детали морских судов, автомобилей и самолетов
5086	Тоже
5154	Сварные конструкции, емкости хранилищ, резервуары под давлением
5252	Для отделки автомобилей и приборов
5454	Сварные конструкции, резервуары под давлением, детали для конструкций морских судов
5456	Высокая прочность сварных конструкций. Емкости хранилищ, резервуары под давлением, детали для конструкций морских судов
Сплавы алюминий—магний—кремний
6061	Хорошее коррозионное сопротивление. Вагоны и морские суда, трубопроводы, арматура
6063	Архитектурные детали (прессованные), трубы, фурнитура
6151	Умеренная прочность, сложная горячая объемная штамповка. Детали автомобилей и других машин
6262	Изделия с винтовой нарезкой
Сплавы алюминий—цинк—магний—медь
7075	Гидравлическое оборудование, самолетные конструкции
7178	Тоже

Типичные области применения литейных сплавов

AA/BS		Применение
Сплавы алюминии—медь
208.0		Песочный литейный сплав основного назначения — для выхлопных патрубков и клапанов станин
213.0		Головки цилиндров автомобилей, мешалки моечных машин
222.0	LM12	Поршни
242.0		Поршни в двигателях с высоким к.п.д.
295.0		Для литья, требующего высокой прочности и сопротивления ударам
Сплавы алюминий—кремний—медь/магний
308.0		Сплав непрерывного кокильного литья основного назначения
319.0	LM4/21	Сплав основного назначения—для частей двигателей
336.0	LM13	Сплав непрерывного кокильного литья
355.0	LM16	Обладает высокой прочностью и герметичностью под давлением. Станины насосов, кожухи кривошипов, корпуса компрессоров
356.0	LM25	Для сложной формы литья, требующего прочности и пластичности. Кожухи трансмиссий, колеса вагонов, блоки цилиндров, части небортовых моторов, лопасти вентиляторов, пневматический режущий инструмент
360.0	LM9	Сплав основного назначения—для литья в пресс-форму. Кожухи инструментов
380.0	LM24	Отлитый в пресс-форму сплав
390.0	LM30	Тоже
Сплавы алюминий—кремний
413.0	LM20	Отлитый в пресс-форму сплав, для большого сложного литья с тонкими секциями, например каркасов пишущих машинок
С443.0	LM18	Отлитый в пресс-форму сплав, для отливок, требующих высокого сопротивления коррозии и ударам
Сплавы алюминий—магний
514.0	LM5	Сплав песочного литья
520.0	LM10	Тоже

Железоуглеродистые сплавы – Технология металлов

Железоуглеродистые сплавы

Категория:

Технология металлов

Железоуглеродистые сплавы

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.

Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся техническое железо, конструкционная и и инструментальная сталь.

Чугуном называют сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.

Рис. 1. Проба на навивание проволоки

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси: кремний и марганец в десятых долях процента (0,15— 0,60%), сера и фосфор в сотых долях процента (0,05—0,03%) каждого элемента.

Сталь с содержанием углерода до 0,7% применяется для изготовления листов, ленты, проволоки, рельсов, таврового и уголкового железа и различного фасонного профиля, а также для многочисленных деталей в машиностроении (шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т. п.).

Сталь с содержанием углерода свыше 0,7% применяется для изготовления различного режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, бородки, зубила и др.). Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Машиностроительный чугун применяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на белый, серый и ковкий. Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (FesC — цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун. При отжиге цементит разлагается на железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния. Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т. п.). Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

В чистом виде железо в природе почти не встречается.

Железо находится в земной коре в виде химических соединений, чаще всего с кислородом, образуя естественные минеральные соединения — железные руды, в которых содержание железа доходит до 60—70%.

Общее содержание железа в земной коре составляет около 4,2%. Сравнительное содержание железа и других металлов приведено на рис. 2.

Получение железа и стали непосредственно из руды возможно, но в настоящее время оно экономически невыгодно и не имеет промышленного значения.

Основная масса стали производится в такой последовательности: железная руда — чугун — сталь; первоначальным продуктом переработки железных руд является чугун, из которого различными способами получают сталь.

Рис. 2. Распределение элементов в земной коре

Реклама:

Читать далее:

Производство чугуна

Статьи по теме:

Руководство по выбору черных металлов и сплавов железа: типы, характеристики, применение

Черные металлы и сплавы – это материалы на основе железа, которые используются в широком спектре промышленных применений. Железо – мягкий серебристый металл, четвертый по содержанию элемент в земной коре. Чистое железо невозможно получить путем плавления, но небольшое количество примесей может сделать его во много раз прочнее, чем оно существует в чистом виде. Соединения оксида железа при смешивании с алюминиевым порошком используются для создания термитных реакций в процессах сварки и очистки.

Железные сплавы и материалы

Существует ряд различных типов сплавов, содержащих железо. Некоторые из наиболее важных включают углеродистые стали, легированные стали, нержавеющие стали, инструментальные стали, чугун и мартенситностареющую сталь.

Углеродистые стали – это стали, в которых основной легирующей добавкой является углерод. Низкоуглеродистая сталь является наиболее распространенной из-за невысокой стоимости. Он не хрупкий и не пластичный, имеет относительно низкую прочность на разрыв и податлив. Твердость поверхности можно повысить за счет науглероживания.Высокоуглеродистые стали имеют более высокое содержание углерода, что обеспечивает гораздо более высокую прочность за счет пластичности.

Легированные стали – это стали (железо и углерод), легированные другими металлами для улучшения свойств. Наиболее распространенными металлами в низколегированных сталях являются молибден, хром и никель, которые улучшают свариваемость, формуемость, износостойкость и коррозионную стойкость.

Нержавеющие стали – это стали, содержащие не менее 10% хрома. Существует множество сортов нержавеющей стали, но наиболее распространенный сорт, используемый для типичных коррозионно-стойких применений, – это тип 304, также известный как 18-8.Термин 18-8 относится к количеству хрома (18%) и никеля (8%) в сочетании с железом и другими элементами в меньших количествах. Поверхность металла обозначается цифрами от 3 до 8, где 3 – самая грубая, а 8 – зеркальная поверхность. Другие характеристики, которые следует учитывать, включают текстуры и покрытия.

Инструментальная сталь – это особая сталь, предназначенная для изготовления инструментов. Они известны своей прочностью, устойчивостью к истиранию, способностью удерживать режущую кромку и / или своей устойчивостью к деформации при высоких температурах.Доступны три типа инструментальной стали: стали для холодной обработки, используемые в средах с более низкими рабочими температурами, стали для горячей обработки, используемые при повышенных температурах, и быстрорежущие стали, способные выдерживать даже более высокие температуры, что дает им возможность резать на более высоких скоростях.

Чугун – это железный сплав, полученный из передельного чугуна, легированный углеродом и кремнием. Углерод добавляется к базовому расплаву в количествах, превышающих пределы растворимости в железе, и осаждается в виде частиц графита.Кремний добавляется в расплав для образования зародышей графита, который оптимизирует свойства чугуна. Часто считается дешевым, грязным и хрупким металлом; Сегодня чугун привлекает гораздо больше внимания и используется из-за его обрабатываемости, легкого веса, прочности, износостойкости и демпфирующих свойств.

Мартенситностареющая сталь – это безуглеродистый железоникелевый сплав с добавками кобальта, молибдена, титана и алюминия. Термин «мартенсит» происходит от механизма упрочнения, при котором сплав превращается в мартенсит с последующим упрочнением при старении.Мартенситностареющие стали с пределом текучести от 1400 до 2400 МПа относятся к категории сверхвысокопрочных материалов. Высокая прочность сочетается с отличной ударной вязкостью и свариваемостью.

Технические характеристики

Выбор металлических сплавов требует анализа требуемых размеров и технических характеристик. Размеры, которые следует учитывать, включают:

• Наружный диаметр (OD)
• Внутренний диаметр (ID)
• Общая длина
• Общая толщина

Другие важные характеристики (в зависимости от области применения) включают форму продукта, предел прочности, предел текучести, точку плавления, проводимость, коррозионную стойкость, пластичность и пластичность.Эти свойства различаются в зависимости от метода формования и состава сплава.

Приложения

Черные металлы и сплавы используются в бесчисленных сферах применения в качестве строительных материалов, медицинских устройств, инструментов, магнитных сердечников, проводов, а также в аэрокосмической, военной и медицинской областях.

Изображение предоставлено:

Викимедиа

Читайте мнения пользователей о черных металлах и железных сплавах

Никель и жаропрочные сплавы

Никелевые сплавы – это металлы, полученные из никеля в качестве основного элемента с другим материалом.Он объединяет два материала, чтобы обеспечить более желательные характеристики, такие как более высокая прочность или коррозионная стойкость. Благодаря своим уникальным свойствам, он используется в разнообразном оборудовании в самых разных отраслях промышленности.

Continental Steel and Tube – специализированные поставщики никеля всех сортов и форм.

НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ (20, 155, 200, 201, 255, 400, 405, 600, 601, 617, 625, 718, X750, 800H, 825, 925, C22, C276, INVAR 36 и другие)

Общие формы включают

ТРУБКА, ПЛИТА, ЛИСТ, ПЛАСТИНА, КРУГЛЫЙ ПРУТ, ПРОВОД, ФИТИНГИ и др.

Что такое никелевые сплавы?

Никелевый сплав образуется путем соединения никеля с другими металлами, обычно с титаном, медью, алюминием, железом и хромом.Приблизительно 3000 сплавов на основе никеля используются, образуя продукцию для многих отраслей промышленности. Примерно 90% всего нового никеля, продаваемого каждый год, используется для создания сплавов. Самым популярным из них является нержавеющая сталь, на долю которой приходится примерно две трети производимых новых никелевых сплавов.

Среди улучшений этого материала:

• Повышенная универсальность
• Повышенная прочность
• Повышенная коррозионная стойкость
• Стойкость к окислению
• Повышенная прочность при повышенных и пониженных температурах
• Магнитные свойства
• Электронные свойства

Многие сплавы на основе никеля обладают превосходными характеристиками при температурах выше 1000 ° C, что делает их хорошо подходящими для чрезвычайно суровых условий окружающей среды.Они обладают превосходной стойкостью к окислению при высоких температурах, сохраняя при этом качественную свариваемость, обрабатываемость и пластичность.

Никелевый сплав

имеет средний срок службы от 25 до 35 лет и может служить намного дольше в зависимости от области применения. Благодаря увеличенному сроку службы этот материал более рентабелен, чем другие металлы. Никелевый сплав подлежит вторичной переработке и является одним из наиболее перерабатываемых материалов во всем мире. Примерно половина никеля в изделиях из нержавеющей стали поступает из вторичного никелевого материала.

Для чего используются никелевые сплавы?

Этот материал часто используется в разнообразном оборудовании и предметах, которые люди используют каждый день. Примеры включают:

• Сотовые телефоны
• Пищевое оборудование
• Медицинское оборудование
• Лабораторное оборудование
• Транспорт
• Самолет
• Фармацевтические препараты
• Строительные материалы
• Авиационные и силовые турбины
• Атомные энергетические системы

Отрасли, в которых используется никелевый сплав

Такие отрасли, как энергетика, химическая, нефтехимическая и энергетическая отрасли, в критических областях используют никелевые суперсплавы – те, которые обладают превосходной стойкостью к окислению и жаропрочностью.Сплавы никеля, хрома и молибдена обеспечивают повышенную коррозионную стойкость.

Суперсплавы изготавливаются путем добавления сбалансированного количества элементов, включая хром, алюминий, кобальт и титан, для создания оптимальных направленно-затвердевших или монокристаллических структур, придающих материалу прочность, превышающую прочность обычной стали. Эти сплавы на основе никеля используются в чрезвычайно жарких средах, например, в газовых турбинах для выработки электроэнергии и в самолетах.

Никелевый сплав, включающий железо, популярен в электронной и специальной технике.Никелевые сплавы с медью используются в морской технике из-за их коррозионных свойств в морской воде. На рынки машиностроения по состоянию на 2015 год приходилось 27% всех применений никеля для конечного использования.

Системы очистки сточных вод и водопровода увеличили использование этого типа нержавеющей стали, поскольку она обеспечивает очень низкую скорость коррозии при работе с водой даже при высоких расходах. Он также обладает невероятной прочностью и пластичностью, а также прост в изготовлении, что позволяет использовать менее дорогостоящие методы соединения при сборке трубопроводов.

Найдите решение для ваших нужд

Никелевый сплав

имеет отличные преимущества перед другими металлами во многих областях применения. Прочность и стойкость делают его подходящим для повседневного использования в критических суровых условиях. Чтобы получить дополнительную информацию о продуктах Continental Steel из никелевых сплавов, запросите расценки сегодня.

В чем разница между сплавом и чистым металлом?

Металлы составляют большую часть таблицы Менделеева.В чистом виде каждый металл имеет свою характерную массу, температуру плавления и физические свойства. Смешивание двух или более этих металлов в смеси с новым набором свойств образует сплав, композитный металл, который может иметь совершенно разные характеристики.

Химический состав

Чистые металлы по определению состоят из одного элемента. Образцы этих металлов не содержат ничего, кроме атомов одного металлического вещества. Сплавы содержат два или более элемента или сплавов, расплавленных и смешанных вместе, поэтому их химические формулы состоят из более чем одного элемента.Например, чистое металлическое железо состоит только из атомов железа. Сталь, сплав железа и углерода, в основном содержит атомы железа с изолированными атомами углерода, которые придают ей прочность. Добавление хрома или молибдена к стали дает еще один сплав: нержавеющую сталь.

Ковкость и пластичность

Одна из причин, по которой производители объединяют чистые металлы для образования сплавов, заключается в изменении физических свойств металлов. Чистые металлы могут быть слишком мягкими для регулярного использования, но их легирование делает их прочнее.Как чистый металл, золото так легко сгибается и растягивается, что быстро потеряет форму, если его превратить в кольцо и носить на пальце. Производители ювелирных изделий сплавили чистое золото с серебром, медью или цинком для повышения прочности и жесткости металла. Золото придает цвет и устойчивость к коррозии; другие металлы вносят свой вклад в их прочность. В результате получилось кольцо из 14-каратного золота, которое выдерживает ежедневное ношение.

Реакционная способность

В своем естественном элементном состоянии некоторые чистые металлы сильно реагируют с окружающей средой, окисляясь и разъедая, пока они не станут непригодными для использования.Смешивание этих металлов с менее химически активными металлами изменяет их реакционную способность, продлевая срок службы легированного элемента. Нержавеющая сталь получила свое название от того факта, что она не ржавеет и не ржавеет, как инструмент из чистого железа. Легирование металлов – это один из способов сделать их менее реактивными и более подходящими для нужд производителя.

Масса

Легкие металлы, такие как алюминий и титан, уменьшают массу чистых металлов, с которыми они легируются. Эти более легкие сплавы играют жизненно важную роль в аэрокосмической промышленности, поскольку они позволяют производителям проектировать и строить более легкие корабли.Легкий реактивный истребитель может вместить больше топлива, оборудования и боеприпасов, чем тяжелый. Колеса из алюминиевого сплава облегчают общий вес автомобиля, способствуя увеличению расхода топлива и увеличению скорости на гоночной трассе.

Термическая устойчивость и точка плавления

Легирование металлов изменяет их термическую стойкость. Поскольку они состоят из двух или более чистых металлов, сплавы не имеют единой точки плавления, а вместо этого плавятся в диапазоне температур. Их молекулярная структура может повысить общий диапазон плавления металла по сравнению с любым из составляющих его металлов.Увеличение диапазона плавления металла имеет важные последствия для промышленного и коммерческого использования. SR-71 Blackbird, один из самых технологически продвинутых самолетов-разведчиков своего времени, полагался на легкую раму из титанового сплава, чтобы выдерживать тепловые нагрузки при его сверхзвуковых полетах.

Легирующие элементы чугуна и стали

16 февраля 2018 г., Публикуется в статьях: EE Publishers, Статьи: Vector.

Джерома Штрауса, 1966

Полвека назад технология металлов выделила два отдельных подразделения материалов в рамках своей деятельности: черные и цветные металлы.

Интенсивные исследования, проведенные в последующие годы, изменили это раннее разделение. Область цветных металлов все еще существует, но теперь она определяется менее четко, поскольку разрыв между сплавами железа и сплавами из категории цветных металлов, основанными на никеле, хроме, молибдене и других, был перекрыт металлами с новыми свойствами и использует. Следовательно, необходимо определить, что подразумевается под «сталью».

Общие термины известны всем: «алюминий», «бронза», «сталь» и другие.Варианты и причины их существования широко не известны.

При использовании стали может требоваться способность выдерживать высокие напряжения в простых или сложных комбинациях при температурах окружающей среды, а также при умеренно повышенных, очень высоких или даже очень низких температурах; подача режущей способности; сохранение неизменности размеров при изменении температуры и истирании; износостойкость в тяжелых условиях эксплуатации; устойчивость к разрыву при ударе; не ухудшается при воздействии коррозии, а также при сочетании этих и других требований.

Даже без должным образом обозначенных легирующих элементов сталь простейшего типа сама по себе является сплавом, связанными элементами из железа и углерода. Также обратите внимание, что железо существует в двух аллотропных формах, альфа и гамма, которые различаются типом регулярного расположения атомов железа и, следовательно, свойствами сталей, состоящих из них.

Их появление контролируется:

• Количество присутствующего углерода.
• Легирующие элементы и их количества.
• Термическая обработка, а именно температура, до которой нагревается стальное изделие, и скорость его охлаждения, которая влияет на закалку, отпуск, отжиг и т. Д.

Альфа-железо

Составной частью зерен простой незакаленной стали является альфа-железо, также называемое ферритом. Выше критической температуры альфа-железо переходит в гамма-форму, а компонент с углеродом в растворе называется аустенитом. Если эту форму охладить очень медленно, она превратится в более или менее крупные частицы феррита и карбида железа, но при быстром охлаждении до комнатной температуры это не удастся полностью, а приобретет повышенную твердость.Эта форма называется мартенситом.

Большинство современных легированных сталей, а также некоторые чугуны представляют собой сложные составы, в которых каждый легирующий элемент вносит особые свойства, но уравновешивает этот вклад с другими присутствующими легирующими элементами.

Марганец является подходящим началом, хотя бы потому, что он присутствует во всех сталях для предотвращения хрупкости в горячем состоянии (вызванной серой, содержащейся в рудах и топливе), а также во всех чугунах для уменьшения охрупчивания в холодном состоянии.Это результат крупных чешуек графита, которые также образуются из серы.

В более низких процентах марганец добавляется к низко- и среднеуглеродистым сталям до 1,6%. Он обеспечивает прочность и способность к закалке, но вызывает отпускную хрупкость, и поэтому такие стали необходимо охлаждать быстро, а не медленно после отпуска – последний предназначен для уменьшения напряжения из-за закалки, вызванного быстрым охлаждением выше температуры превращения.

Добавление других элементов сводит к минимуму эту проблему, в то время как другие могут ее преувеличивать.Большие добавки марганца существенно снижают температуру превращения, и, если присутствует достаточное количество углерода, быстрое охлаждение сохраняет при комнатной температуре аустенит, обычно стабильный только при высокой температуре. Продукт представляет собой прочную и износостойкую марганцевую сталь Hadfield, ее износостойкость обусловлена ​​комбинированным истиранием и ударом, образующим поверхностный мартенсит из нестабильного аустенита.

Никель

Роль никеля, некарбидообразователя и сильного стабилизатора аустенита, одинакова и противоположна.Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали с содержанием никеля от 1 до 5% обладают высокой прочностью, хорошей вязкостью и пластичностью. Способность к закалке намного выше, чем у простых сталей.

Благодаря низкому содержанию углерода и 9% никеля, ударная вязкость и пластичность сохраняются при довольно низких температурах, поэтому эта сталь используется в качестве емкостей для сжиженных углеводородных газов и в других кислородсодержащих применениях.

В диапазоне 15–20% никеля низкоуглеродистые стали являются мартенситными при медленном охлаждении от горячих рабочих температур и при соответствующем количестве других элементов плюс специальная термообработка дают новую группу сплавов.Снижение температуры превращения никелем настолько эффективно, что при содержании 30% сталь остается аустенитной при комнатной температуре независимо от термообработки или содержания углерода и является чрезвычайно прочной.

Кобальт также снижает температуру превращения, но образует карбид, хотя и нестабильный. Уменьшает закаливающую способность. Он используется в сложных легированных сталях, но редко используется отдельно и никогда в чугуне.

Далее мы рассмотрим четыре элемента, которые используются в значительных количествах: хром, ванадий, молибден и вольфрам.Все они являются прочными твердосплавными формовщиками и обладают значительной способностью к закалке и другими особыми свойствами. Однако их следует рассматривать отдельно из-за их индивидуального влияния на стали с разным содержанием углерода и в разных областях использования, а затем и в некоторых из их многочисленных сложных ассоциаций.

Хром

Хром, который составляет наибольшую тоннаж из четырех карбидообразующих элементов, оказывает незначительное упрочняющее действие на сталь при низком содержании углерода.Однако в присутствии углерода образуется несколько соединений железо-хром-углерод, и получаемые в результате стали развивают высокую прочность; хорошая глубина закалки при быстром охлаждении из аустенитного состояния; умеренно повышенная коррозионная стойкость даже при 1 или 2% хрома и повышенная износостойкость.

Хотя большинство низкоуглеродистых и среднеуглеродистых хромистых сталей также содержат различные количества молибдена, ванадия и никеля, большие поковки с высокой и однородной прочностью изготавливались из сталей с 0,25 – 0,45% углерода и около 3% хрома. как единственный легирующий элемент.

Намного более важна стандартная сталь для шарикоподшипников и некоторых роликовых подшипников, которая содержит 1% углерода и 1,5% хрома. Это универсальный, износостойкий и ударопрочный продукт в шарикоподшипниках размером до 4 дюймов. в диаметре. Вместе хром и углерод повышают температуру превращения и замедляют реакцию при охлаждении.

Тенденция хрома к карбидообразованию является основной причиной его включения в чугун. В количестве 0,5 – 1% он упрочняет железо, создавая внутреннюю структуру, лишенную свободного феррита, которая является слабой и мягкой.Его добавляют в никель и медьсодержащее железо, чтобы противодействовать тенденции графитизации, которая приводит к ослаблению. Это влияние настолько очевидно, что ковкое железо не может быть эффективно произведено, если содержание хрома в нем превышает примерно 0,03%.

Это вклады в низколегированные стали и чугуны. Однако более широко известен эффект, вызываемый добавками большого количества хрома, а именно подход к невосприимчивости к воздействию широкого спектра коррозионных растворов и атмосфер.Высокое содержание хрома – основа нержавеющей стали; при его отсутствии его замечательное свойство теряется. Однако обычно не осознается, что все семейство нержавеющих сталей содержит в основном этот один легирующий элемент. Фактически, среди нержавеющих сталей есть три различных семейства: ферритные, мартенситные и аустенитные. Первые два – стали с высоким содержанием хрома; последнее, делимое на два подсемейства, является сложным и будет рассмотрено позже.

Ферритно-хромистые стали имеют очень низкое содержание углерода, обычно значительно ниже 0,1%, и диапазон содержания хрома от примерно 12 до почти 30%.При содержании хрома выше 20% они обладают превосходной стойкостью к образованию накипи при воздействии высоких температур, хотя и не слишком прочными в горячем состоянии, но более сложные сплавы обладают этой способностью наряду с высокой прочностью при еще более высоких температурах. Все эти гладкие хромистые стали имеют серьезный недостаток: укрупнение зерна и серьезное охрупчивание при нагревании (как при сварке). Эту слабость можно до некоторой степени контролировать, добавляя небольшое количество азота. Однако это привело к ограниченному использованию.

При увеличении содержания углерода до 0,1% или более высокохромистые стали являются мартенситными, что означает, что их можно аустенитизировать путем нагревания до достаточных температур с последующим быстрым охлаждением с образованием твердого мартенсита. Легированная сталь с 13% хрома и 0,1% углерода или немного больше, все еще называемая «нержавеющим чугуном», долгое время использовалась для лопаток турбин.

Молибден

Молибден содержится в низколегированной конструкционной стали; среднеуглеродистые стали; быстрорежущая сталь; нержавеющая сталь и другие.По отдельности он используется в низкоуглеродистой стали для изготовления листов и профилей, в среднеуглеродистой стали для умеренной инженерной прочности и в более углеродистой стали (0,6%) для легких рессор, но в меньшей степени, чем в сложных комбинациях.

Молибден упрочняет как феррит, так и аустенит, замедляет превращение и препятствует разупрочнению при отпуске для снятия напряжений в закаленных сталях (быстро охлаждаемых из аустенитного состояния).

В легированных сталях, таких как марганцовистая сталь, которая проявляет отпускную хрупкость, этот недостаток может быть исправлен добавлением 0,25% молибдена.Хромовые и хромоникелевые стали (которые часто имеют одно и то же ограничение) обладают аналогичными преимуществами от добавления молибдена.

Молибден считается даже более эффективным в чугуне, чем хром, в обеспечении прочности при добавлении в количестве от 0,25 до 1%. Его широко используют в автомобилестроении, в основном для поршней и тормозных барабанов.

Поведение вольфрама существенно отличается от ванадия. Он образует сложные карбиды с железом, и они, когда они существуют в виде дискретных частиц (трудно растворяемых в матрице), обладают чрезвычайной твердостью и износостойкостью.Он также повышает температуру превращения, замедляет превращение и требует высокой температуры для эффективного отверждения.

Ванадий

Ванадий относится к числу сильнодействующих карбидообразователей. Его основная функция в стали для строительства – сдерживать укрупнение зерна во время нагрева для аустенитизации и последующего быстрого охлаждения. При этом увеличивается предел эластичности без ожидаемого снижения пластичности и вязкости.

Ванадий для этих целей вводится в количестве 0,02 – 0,2% в зависимости от марки стали.

Обе функции ванадия используются в сочетании с более мягкими деоксидантами, такими как марганец и кремний, и предотвращают деокисление алюминия и, таким образом, предотвращают влияние волокнистых структур на ударную вязкость и пластичность. Многие мелкие инструменты изготавливаются из сталей с содержанием углерода от 0,6 до 1,4% и ванадия в том же диапазоне или, для полного карбидного эффекта, до 0,5%.

В некоторых отливках из чугуна используется преимущество ванадия в качестве измельчителя зерна и упрочнения матрицы.Обычно это большие отливки, требующие износостойкости. Количество ванадия обычно не превышает 0,2%, хотя в прошлом добавлялось до 0,5%.

В небольших количествах кремний присутствует почти во всех сталях, за исключением обычных конструкционных плит, профилей и других материалов, где требуется лишь умеренная прочность и важна экономия. Количество составляет от 0,2 до 0,35% и было добавлено для контроля кислорода, вводимого при плавке, рафинировании и литье.

Кремний, однако, увеличивает прочность и способность к упрочнению, что обеспечивает его использование в цилиндрических пружинах тяжелого сечения, обычно называемых силикомарганцевой сталью. Это обозначение, однако, неверно, поскольку содержание марганца около 0,8% не выше, чем во многих углеродистых и низколегированных сталях, тогда как содержание кремния в этой пружинной стали колеблется от 1,5 до 2%.

К сожалению, сталь иногда бывает отпускной и требует соответствующего обращения. Одно из чрезвычайно важных применений кремния в качестве единственного легирующего элемента – это листовая форма, например, в слоях трансформаторов.Здесь несколько марок имеют очень низкое содержание углерода, а диапазон кремния составляет от чуть более 1% до почти 5%.

Кремний присутствует в составе всего чугуна, в обычном сером чугуне в количестве 3% или чуть меньше, в чугунах из-за устойчивости к образованию накипи при умеренно высоких температурах примерно в два раза больше, и в очень специальных чугунах из-за стойкости к кислотной коррозии примерно при 14%.

Медь также является средством обеспечения коррозионной стойкости. В низкоуглеродистых сталях чаще всего используется только на уровне около 0,2%, а в чугуне его добавляют почти до 3%.

Сера и фосфор

Сера способствует хрупкости стали в горячем состоянии, а фосфор делает то же самое в стали в холодном состоянии. Однако есть смягчающие обстоятельства. Содержание серы может быть увеличено до 0,35%, если присутствует достаточно высокое содержание марганца. Полученный продукт затем содержит мелкие частицы сульфида марганца, которые разбивают стружку, выходящую из режущего инструмента во время обработки, на мелкие кусочки, вместо того, чтобы образовывать длинные завитки, которые мешают простоте работы.Это быстрорежущие стали, используемые в автоматических винтовых станках. Фосфор также может повышаться до 0,15%, но в сочетании с другими легирующими элементами способствует высокой прочности и умеренной коррозионной стойкости без соответствующей потери пластичности.

При обработке изделий из нескольких сплавов в первую очередь будут рассматриваться изделия с низким содержанием сплавов и конструкционные применения, затем инструментальные стали и, наконец, богатые сплавами комбинации, такие как нержавеющая сталь и стали с очень высокой прочностью при высоких температурах. температуры.

За последние 25 лет наблюдается медленный, но неуклонный рост сталей с низким содержанием легкого, используемых в основном для изготовления листов и конструкционных профилей с полезной конструкцией. Сейчас их так много, что в недавнем сборнике перечислено около 200 вариантов, произведенных 24 американскими производителями. Легирующие элементы включают до 1,6% марганца с обычным кремнием и примерно 0,01-0,05% ванадия, колумбия, титана или циркония или, альтернативно, до 0,6% молибдена; 1% никель; 1% хрома; 1,3% меди и следы бора или различные комбинации этих нескольких элементов.Этот класс стали с повышенным содержанием кремния (0,5%), меди и хрома, а также фосфором сверх обычного ограничения (0,1 – 0,15%) демонстрирует стойкость к атмосферной коррозии в пять раз большую, чем у обычной углеродистой стали. .

Низколегированная сталь
Низколегированная сталь используется в очень больших объемах для деталей машин, автомобильных и авиационных механизмов, железнодорожного оборудования, станков и др. Сюда входят простые стали с содержанием молибдена 0,15-0,3%; 0,3–1,15% хромистых сталей и группы с 0,2–0,6% никеля, 0,3–0,6% хрома и 0,08–0,25% молибдена, а также сталей в следующие диапазоны более высокого содержания сплава:

• Хром 0,4 – 1,1%; молибден 0,08 – 0,35%.
• Хром 0,5 – 1,1%; ванадий 0,1 – 0,15%.
• Никель 1,65 – 2%; хром 0,4 – 0,9%.
• Молибден 0,2 – 0,3%.
• Никель 3,25 – 3,75%; молибден 0,2 – 0,3%.
• Никель 3 – 3,5%; хром 1 – 1,4%.
• Молибден 0,08 – 0,15%.

Составы в категории инструментальных сталей одинаково разнообразны. Никеля в этой области не так много, легирующими элементами являются углерод; хром; вольфрам; молибден; ванадий и кобальт.В одном особом случае марганец является лучшим материалом для штампов для вырубки и некоторых измерительных инструментов, в которых изменение размеров при закалке и отпуске должно быть минимальным или практически нулевым, группа сталей с немногим менее 1% углерода и 1,5 – 2% марганца и , иногда небольшое количество хрома, вольфрама или ванадия.

Переход от аустенита к мартенситу приводит к увеличению объема стали, которая приобретает твердость при быстром охлаждении. Регулировка состава и последующий отпуск в соответствии с толщиной матрицы позволяет избежать общего изменения.

Быстрорежущие инструментальные стали для резки металла – это в основном вольфрам-хромованадиевые стали с частичной или полной заменой вольфрама на молибден. Они сильно различаются по всем элементам, кроме хрома, который лучше всего составляет около 4%. Вольфрам варьируется до 18%, молибден до 9%, ванадий от 1 до 5%, кобальт до 12% и содержание углерода от 0,7 до 1,5%.

В диапазоне содержания никеля 15–20% стали с этим единственным легирующим элементом являются мартенситными при медленном охлаждении после ковки или горячей прокатки.Этим материалам было посвящено много исследований, и на основе этих исследований было получено семейство сталей с очень низким содержанием углерода (0,03%), примерно с 18% никеля; 8% кобальта; 3-5% молибдена и 0,2 – 0,7% титана плюс очень небольшое количество алюминия, бора, циркония и кальция.

Последние четыре контролируют кислород и азот, вводимые в сталь во время плавки. Эти мартенситностареющие стали подвергаются комбинированной аустенизации и обработке на твердый раствор с образованием мартенсита при охлаждении на воздухе, а затем повторно нагреваются (состариваются) до низкой температуры отпуска, при которой происходит выделение упрочняющих частиц.

Аустенитные нержавеющие стали, содержащие хром и никель в качестве основных легирующих элементов, делятся на две категории. Один полностью аустенитный, имеет низкий коэффициент текучести, чрезвычайно пластичен и не поддается закалке. Умеренное твердение может быть достигнуто на небольших участках холодной обработкой. Наиболее широко производимая композиция этого типа содержит приблизительно 18% хрома и 8% никеля с содержанием углерода менее 0,1%.

В отличие от гладких хромистых сталей, устойчивых к окисляющим кислотам, таким как азотная, эти хромоникелевые стали лучше работают при контакте с неокисляющими кислотами, такими как серная и соляная кислота, присутствие 3% молибдена улучшает эти характеристики.Однако эта аустенитная сталь подвержена агрессивному воздействию на границах ее зеренной структуры, если содержание углерода не превышает 0,03%.

Второй тип аустенитной нержавеющей стали относится к мартенситностареющей никелевой стали, но имеет более низкую прочность и коррозионную стойкость. Стали этой группы обычно имеют тенденцию быть аустенитными, но из-за более низкого содержания сплава (13-17% хрома; 4-8% никеля с меньшими добавками молибдена, алюминия, меди или ванадия) могут преобразовываться при умеренном нагревании. высокая температура (750 ° C) до мартенсита.Последующее старение при несколько более низкой температуре приводит к выделению упрочняющих частиц без серьезной потери коррозионной стойкости.

Более богатые сплавы

Гораздо более богатые сплавы, все еще классифицируемые как стали, используются для еще более эффективного использования в коррозионных средах или для повышения прочности и устойчивости к образованию накипи при повышенных температурах. Они могут быть ферритными или аустенитными и быть похожими на своих родственников с более низким содержанием сплава, в зависимости от того, преобладает ли хром или никель, и от степени присутствия других элементов.Среди этих элементов – группа сталей, содержащих в своей деформируемой форме не более 0,15% углерода и 12-20% хрома с более высоким процентным содержанием никеля.

Эти стали являются примером того, как свойства двух легирующих элементов не обязательно являются аддитивными. Например, мартенситностареющая сталь с содержанием 18% никеля не известна своей коррозионной стойкостью или высокотемпературной стойкостью, однако, когда никель добавлен в таком же количестве к гладким хромистым нержавеющим сталям, прочность при температурах и устойчивость к образованию окалины повышаются.

Титан и алюминий используются в некоторых высоколегированных сталях в количествах не более нескольких процентов. Они часто используются в стали с высоким содержанием хрома и никелем. Их влияние оказывается двояким: они вносят вклад в прочность и постоянство окалины, образующейся при высоких температурах, и объединяются, особенно с никелем, с образованием металлических соединений, которые могут растворяться при нагревании при повышенной температуре и осаждаться при более низких температурах в форма упрочняющих частиц.

Использование бериллия и бора позволяет точно контролировать состав стали. В сложной хром-кобальт-никелевой стали с небольшими количествами молибдена и колумбия (но с 50% железа) добавление 0,8% бериллия, как сообщалось, удвоило прочность и почти в четыре раза увеличило выход при 650 ° C.

Что касается бора, то в последнее время было много применений в высоколегированных сталях. Первое значительное использование было 30 лет назад на углеродистой стали и стали с 1,5% марганца, что сделало возможным упрочнение сечений с размерами, ранее неизвестными для этих сталей.В настоящее время стандартной практикой является содержание бора от менее 0,001% до не более 0,003% в некоторых углеродистых и низколегированных сталях, но для предотвращения неконтролируемых потерь требуются специальные ферросплавы.

Благодарность

Эта статья основана на статье, первоначально опубликованной в Optima, том 16, сентябрь 1966 г., и переиздается здесь с разрешения.
Свяжитесь с Марианой Якобс, ICMEESA, тел. 011 615-4304, [email protected]

Статьи по теме

Портал ресурсов правительства ЮАР по коронавирусу COVID-19

Постановлениями министерства предлагается 13813 МВт новых построек ГЭС, ни Eskom

Настало время для южноафриканской национальной ядерной компании Necsa

Разбираясь со слоном в комнате, это Эском…

Интервью с министром полезных ископаемых и энергетики Гведе Манташе

Самые твердые металлы на Земле

Мы в первую очередь относим металл к твердым материалам.Однако на практике твердость определяется множеством свойств, которые позволяют отнести сталь и ее сплавы к числу самых твердых металлов.

Итак, что такое твердость? Это способность материала выдерживать внешние нагрузки без разрушения. Твердость металла зависит от многих качеств и параметров, таких как его прочность на растяжение и сжатие, точка превращения металла в форму, точка остаточной деформации, трещиностойкость и т. Д.

Твердые сплавы и природные металлы

Сплавы – это продукт соединения различных металлов.Они проистекают из необходимости иметь металлы с широким спектром характеристик, в том числе различной твердостью. Одним из важных сплавов в этом смысле является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода. Итак, какие металлы считаются самыми твердыми на Земле?

Поскольку твердость металла зависит от целого ряда атрибутов, трудно однозначно классифицировать металлы от самых твердых до самых мягких. Шкала твердости металлов зависит от того, какое свойство является ключевым для данной области применения.

Сталь и ее сплавы

Сталь

– это прочный сплав железа и углерода с добавками других элементов, включая кремний, марганец, ванадий, ниобий и т. Д. Различные методы легирования позволяют производить стали с совершенно разными свойствами.

Таким образом, высокоуглеродистая сталь представляет собой сплав железа с высоким содержанием углерода. Он прочный, относительно недорогой, прочный и хорошо подходит для металлообработки. Некоторые недостатки включают плохую закаливающую способность и низкую термостойкость, которые делают высокоуглеродистую сталь чувствительной к агрессивным средам.

Область применения: производство оснастки, деталей машин и сложных механизмов, элементов металлоконструкций. Важным предварительным условием для этих приложений является отсутствие коррозии.

Сталь со сплавом железа и никеля – одно из самых твердых соединений. Хотя существует несколько его разновидностей, углеродистая сталь, легированная никелем, обычно увеличивает предел текучести сплава до 1420 МПа с пределом прочности на разрыв до 1460 МПа.

Применения: Сплавы на основе никеля используются в некоторых типах мощных ядерных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предотвращения коррозии урановых стержней.

Нержавеющая сталь – это коррозионно-стойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности на разрыв до 1600 МПа. Как и любая другая сталь, этот сплав обладает высокой устойчивостью к ударам и занимает среднее место по шкале твердости Мооса.

Области применения: нержавеющая сталь как коррозионно-стойкий материал широко используется в различных областях, включая нефтехимическую промышленность, тяжелое машиностроение, строительство, производство электроэнергии, судостроение, пищевую промышленность и бытовую технику.

Сверхтвердые сплавы

Сплавы с карбидом вольфрама, титаном или танталом в основе обладают твердостью, с которой не мог сравниться даже молот Тора.

Титан – это природный металл, который СМИ и кинематографисты часто называют сверхтвердым материалом.Его соотношение прочности и веса почти вдвое больше, чем у стальных сплавов. Его отношение прочности на разрыв к плотности является самым высоким среди всех металлов, превосходя вольфрам, который, однако, имеет более высокие оценки, чем титан по шкале Мооса. При этом титановые сплавы прочные и легкие.

Области применения: Титан и его сплавы часто используются в аэрокосмической технике для обшивки космических аппаратов, топливных баков и деталей реактивных двигателей. Также он широко распространен в судостроении, строительстве трубопроводов для агрессивных сред и в качестве каркасного материала.

Как природный металл с самой высокой прочностью на разрыв, вольфрам часто сочетается со сталью и другими металлами для получения еще более прочных сплавов. Однако вольфрам хрупок и разрушается при ударе, что является одним из его недостатков.

Применения: Вольфрам используется в сталелитейной промышленности для производства легированных сталей и различных сплавов, в электротехнике для элементов осветительного оборудования, в тяжелой и авиационной технике, а также в космической и химической промышленности.Сплав вольфрама и углерода (карбид вольфрама) содержится в режущих инструментах, таких как ножи и дисковые пилы, а также в прочных рабочих частях горного оборудования и катков.

Тантал обладает сразу тремя преимуществами: он твердый, плотный и устойчивый к коррозии. Он относится к тугоплавким металлам, как и вольфрам.

Области применения: Тантал используется для изготовления электроники и сверхмощных конденсаторов для персональных компьютеров, смартфонов, фотоаппаратов и автомобильной электроники.

Инновационные сплавы

Есть сплавы, которые, несмотря на недавние открытия, уже получили признание благодаря своим превосходным свойствам и широко используются в аэрокосмической технике и медицинской промышленности.

Алюминид титана – это сплав титана и алюминия, устойчивый к высоким температурам и коррозии, но довольно хрупкий и не поддающийся формованию. Тем не менее, он оказался полезным при производстве специальных защитных покрытий.

Сплав титана и золота – еще один уникальный материал, разработанный несколько лет назад группой ученых из университетов США. Основная задача этих ученых заключалась в создании чего-то более прочного, чем титан, которое можно было бы использовать для медицинских протезов, контактирующих с биологической тканью. Титановые протезы, хотя и прочные, относительно быстро изнашиваются и требуют замены каждые десять лет. С другой стороны, сплав титана и золота оказался в четыре раза прочнее, чем сплавы, которые в настоящее время используются в протезировании.

10 самых прочных металлов в мире

Сегодня мы рассмотрим 10 самых прочных металлов в мире. По очевидным причинам ученым, конструкторам и инженерам важно знать свойства многих элементарных металлов и их бесчисленных сплавов.

Прочность металла или сплава определяется рядом свойств, и при выборе металла важно, чтобы выбранный металл имел правильные свойства для применения.Например, по общей прочности ничто не сравнится со сталью. Если вам нужна твердость, то вольфрам – это то, что вам нужно, и близкий соперник как стали, так и вольфрама, с свойствами, близкими к обоим, – это титан.

Конечно, алмаз сложнее, а графен жестче, но мы ограничиваем наш список 10 самыми прочными металлами в мире.

10 самых прочных металлов в мире

1. Углеродистая сталь
2. Сталь-железо-никелевый сплав
3. Нержавеющая сталь
4. Вольфрам
5. Карбид вольфрама
6. Титан
7. Алюминид титана
8. Инконель
9. Сплавы Хром

Свойства 10 самых прочных металлов в мире

Когда ученый-материаловед говорит о «силе», он смотрит на ряд свойств, которые определяют их как прочные.

Прочность на растяжение

Когда мы говорим о прочности на разрыв, мы смотрим на измерение силы, которая потребуется, чтобы протянуть что-либо, например, кабель, проволоку, канат или структурную балку, такую ​​как балка, до точки, в которой это нарушает. Измерение представляет собой максимальное напряжение перед разрушением, обычно измеряемое в фунтах на квадратный дюйм (PSI).

Например, тесто для печенья имеет низкий предел прочности на разрыв, а сталь – высокий предел прочности.

Прочность на сжатие

Это мера того, насколько хорошо материал сопротивляется сжатию.Проще говоря, это твердость материала. Это также можно измерить в фунтах на квадратный дюйм. Другой способ измерения прочности на сжатие – использование шкалы Мооса. По этой шкале от 0 до 10, 0 – самый мягкий, а 10 – самый жесткий. Неудивительно, что бриллианты имеют 10 баллов по шкале. Прочность на сжатие – важное свойство инструментальных материалов.

Предел текучести

Предел текучести означает, насколько хорошо балка, сделанная из определенного металла, сопротивляется изгибу и остаточной деформации.Это очень важный показатель для инженеров-строителей. Металл будет изгибаться до определенной степени, и это упругое состояние, состояние, когда металл возвращается к своей первоначальной форме после изгиба, полезное свойство пружинных сталей. Как только металл достиг пластичного состояния, он выходит из строя. Измеряется в мегапаскалях (МПа).

Ударная вязкость

Способность материала противостоять ударам без разрушения. Возвращаясь к алмазу, он имеет шкалу Мооса 10, но может быть разбит при ударе молотком.В то время как по стали можно ударить молотком, не разбиваясь, головка молота сама по себе сделана из стали.

Сплавы

и природные металлы

Итак, теперь, когда мы рассмотрели свойства, давайте составим список 10 самых прочных металлов в мире. Но сначала давайте проясним, что большинство этих «металлов» на самом деле не классифицируются как металлы. Сплавы – это комбинации металлов, и основная причина их изготовления – получение более прочного материала – см. Диаграмму ниже.

Самый важный сплав – это сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода и намного тверже, чем любой из двух ее элементарных компонентов.Металлурги создают сплавы из большинства металлов, даже из стали, и они входят в списки самых твердых металлов. Мы будем называть все эти металлы, поскольку они по-прежнему состоят в основном из элементарных металлов.

Диаграмма, показывающая, что делает сплав более прочным, чем чистый металл

1. Углеродистая сталь

Этот сплав железа и углерода (отсюда и название) был с нами на протяжении веков. Это также очень широко используемый металл, и можно сказать, что мы живем в эпоху стали. Углеродистая сталь высоко ценится по всем четырем свойствам, определяющим прочность.

• Он имеет предел текучести 260 мегапаскалей
• Прочность на растяжение 580 Моа
• Около 6 по шкале Мооса
• Высокая ударопрочность

Сталь может быть в 1000 раз прочнее железа

2. Сплав сталь-железо-никель

Есть несколько вариантов этого, но в целом смешивание углеродистой стали с никелем увеличивает текучесть и предел прочности на растяжение этого сплава намного выше, чем у простой старой углеродистой стали.

• Он имеет предел текучести 1420 МПа
• Предел текучести 1460 МПа

Железо и никель являются наиболее распространенными металлами в металлических метеоритах и ​​в плотных металлических ядрах планет, таких как Земля.

3. Нержавеющая сталь

Это специальный сплав стали, хрома и марганца. В результате такого смешения получается коррозионно-стойкий металл с удивительными свойствами. Его свойства делают его подходящим для токарной и фрезерной обработки.Вы можете ознакомиться со всеми сплавами нержавеющей стали, которые мы храним здесь.

• Предел текучести до 1560 МПа
• Прочность на разрыв до 1600 МПа
• Высокая ударопрочность
• От 5,5 до 6,3 по шкале Мооса

Если у вас есть кусок нержавеющей стали, вы можете можно использовать для удаления запаха с рук после измельчения чеснока и лука.

4. Вольфрам

Известный в старину как Вольфрам, этот особый металл имеет наивысшую прочность на растяжение среди всех встречающихся в природе металлов.В естественном состоянии не используется часто, так как он хрупкий и склонен к разрушению при ударах. Вот почему его легируют другими металлами и сплавами для создания еще более прочных сплавов.

• Предел прочности при 1725 МПа
• Предел текучести при 750 МПа
• Низкая ударопрочность
• Показатели твердости 7,5 по шкале Мооса

Вольфрам имеет самую высокую точку плавления из всех металлов при 6191,6 ° F , если быть точным.

5.Карбид вольфрама

Как мы объясняли выше, вольфрам по своей природе очень хрупкий, поэтому его нужно легировать другим материалом. В сочетании с углеродом образуется карбид вольфрама. Твердость этого материала делает его идеальным для использования в инструментах с режущими кромками, от обычных ножей до дисковых пил и сверл, и, конечно же, в обрабатывающей промышленности с ЧПУ.

• Предел текучести от 300 до 1000 МПа
• Предел текучести от 500 до 1500 МПа
• Высокая ударопрочность
• Самый твердый металлический сплав, от 9 до 9.5 по шкале Мооса

Военные используют вольфрам для изготовления пуль и ракет, используемых для «кинетической бомбардировки». В этом типе атаки для пробивания брони используется сверхплотный материал, а не взрывчатка.

6. Титан

Часто используется в аэрокосмической промышленности из-за того, что это самый прочный металл в мире в соотношении фунт за фунт. Чистый титан имеет низкий предел текучести – от 275 до 580 МПа. Поэтому его обычно легируют для получения более сильных вариаций.

• Предел прочности на разрыв 980 МПа
• Титановые сплавы могут иметь предел текучести до 1200 МПа
• 6 по шкале твердости Мооса

Титан – единственный элемент, который будет гореть в чистом газообразном азоте, кислород не требуется.

7. Алюминид титана

Этот специализированный сплав, также известный как гамма-алюминид титана, состоит из титана, алюминия и ванадия. Сплавы из алюминида титана обеспечивают превосходные высокотемпературные характеристики при малом весе лопаток турбин и не уступают по прочности сплавам на основе никеля, но составляют лишь половину веса.

• Имеет предел прочности на разрыв 880 МПа.
• . Предел текучести 800 МПа. На ° F жарче.

  8. Inconel®

  Возможно, вы никогда не слышали об этом сплаве, но этот суперсплав входит в десятку самых прочных металлов в мире. Смесь аустенита, никеля и хрома.Это специальный сплав, который сохраняет свою прочность в экстремальных условиях, например при высоких температурах. Эта способность делает его идеальным для применения в высокоскоростных турбинах и ядерных реакторах.

  • Предел прочности на разрыв до 1103 МПа
  • Предел текучести до 758 МПа

  Inconel® является зарегистрированным товарным знаком Special Metals Corporation.

  9. Хром

  Этот блестящий сверхтвердый металл слишком хрупок, чтобы его можно было использовать во многих областях.Поэтому он легирован другими металлами, чтобы сделать его более твердым. В естественном состоянии это самый твердый металл. Идеально подходит для гальваники.

  • Предел прочности около 418 МПа
  • Предел текучести 316 МПа
  • Оценка 9 по шкале твердости Мооса

  Оружие знаменитой Терракотовой армии династии Цинь в Китае было покрыто отложениями хрома, которые помог предотвратить потускнение.

  10. Магниевые сплавы

  Этот особо прочный металлический сплав мы оставили напоследок.И не зря ученые до сих пор экспериментируют с различными сплавами магния для создания новых сплавов. Это уже было названо самым прочным и легким металлом на свете. Легче алюминия и прочнее титановых сплавов. Если металл используется в автомобилях, он автоматически сэкономит 40% топлива без каких-либо изменений в двигателе.

  Сплавов создается так много, что значения предела прочности или предела текучести устареют в течение нескольких месяцев. Просто знайте это – фунт за фунтом, нет ничего сильнее.

  Сообщается, что Apple работает над собственным магниевым сплавом для использования в качестве корпуса для своих телефонов, ноутбуков и планшетов.

  Инженерные материалы | MechaniCalc

  ПРИМЕЧАНИЕ. Эта страница использует JavaScript для форматирования уравнений для правильного отображения. Пожалуйста, включите JavaScript.

  ---

  Технические материалы относится к группе материалов, которые используются при строительстве искусственных конструкций и компонентов.Основная функция инженерного материала – выдерживать приложенную нагрузку без разрушения и чрезмерного прогиба. Основные классификации технических материалов включают металлы, полимеры, керамику и композиты. На этой странице обсуждаются важные характеристики материалов каждого из этих классов, а также предоставляются таблицы свойств материалов.

  Состав

  Металлы – это наиболее часто используемый класс конструкционных материалов.Особенно распространены металлические сплавы, которые образуются путем объединения металла с одним или несколькими другими металлическими и / или неметаллическими материалами. Комбинация обычно происходит в процессе плавления, смешивания и охлаждения. Целью легирования является улучшение свойств основного материала желаемым образом.

  Состав металлических сплавов описывается с точки зрения процентного содержания различных элементов в сплаве, где процентное содержание измеряется по массе.

  Сплавы черных металлов

  В черных сплавах железо является основным элементом.К этим сплавам и относятся стали и чугуны. Ферросплавы являются наиболее распространенными металлическими сплавами из-за обилия железа, простоты производства и высокой универсальности материала. Самый большой недостаток многих ферросплавов – низкая коррозионная стойкость.

  Углерод – важный легирующий элемент во всех сплавах черных металлов. Как правило, более высокие уровни углерода увеличивают прочность и твердость, а также снижают пластичность и свариваемость.

  Углеродистая сталь

  Углеродистые стали в основном представляют собой смесь железа и углерода.Они могут содержать небольшие количества других элементов, но углерод является основным легирующим ингредиентом. Эффект от добавления углерода – увеличение прочности и твердости.

  Большинство углеродистых сталей – это простые углеродистые стали , которые бывают нескольких типов.

  Низкоуглеродистая сталь

  Низкоуглеродистая сталь содержит менее 0,30% углерода. Он отличается низкой прочностью, но высокой пластичностью. Некоторого упрочнения можно добиться холодной обработкой, но она плохо поддается термической обработке.Низкоуглеродистая сталь хорошо сваривается и недорога в производстве. Обычно низкоуглеродистая сталь используется для изготовления проволоки, конструкционных профилей, деталей машин и листового металла.

  Среднеуглеродистая сталь

  Среднеуглеродистая сталь содержит от 0,30% до 0,70% углерода. Его можно подвергать термообработке для увеличения прочности, особенно при более высоком содержании углерода. Среднеуглеродистая сталь часто используется для изготовления осей, шестерен, валов и деталей машин.

  Высокоуглеродистая сталь

  Высокоуглеродистая сталь содержит около 0.От 70% до 1,40% углерода. Он имеет высокую прочность, но низкую пластичность. Обычно используются сверла, режущие инструменты, ножи и пружины.

  Таблица материалов из углеродистой стали

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных углеродистых сталей. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  AISI 1020	Горячекатаный	32	50	25	29e6	0.283	0,32
  	Холодная обработка	60	70	5
  	снятие напряжения	50	65	10
  	Отожженный	28	48	30
  	Нормализованное	34	55	22
  AISI 1045	Горячекатаный	45	75	15	29e6	0.283	0,32
  	Холодная обработка	80	90	5
  	снятие напряжения	70	80	8
  	Отожженный	35	65	20
  	Нормализованное	48	75	15
  ASTM A36		36	58	21	29e6	0.283	0,3
  ASTM A516	Класс 70	38	70	17	29e6	0,283	0,3
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  Низколегированная сталь

  Низколегированные стали, также обычно называемые легированными, содержат менее 8% общих легирующих ингредиентов.Низколегированные стали обычно прочнее углеродистых сталей и имеют лучшую коррозионную стойкость.

  Некоторые низколегированные стали обозначаются как высокопрочные низколегированные (HSLA) стали. Что отличает стали HSLA от других низколегированных сталей, так это то, что они предназначены для достижения определенных механических свойств, а не для соответствия определенному химическому составу.

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства некоторых распространенных легированных сталей. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  AISI 4130	Горячекатаный	70	90	20	29e6	0.283	0,32
  	снятие напряжения	85	105	10
  	Отожженный	55	75	30
  	Нормализованное	60	90	20
  AISI 4140	Горячекатаный	90	120	15	29.7e6	0.283	0,32
  	снятие напряжения	100	120	10
  	Отожженный	60	80	25
  	Нормализованное	90	120	20
  ASTM A242		46	67	18	30e6	0,282	0.3
  ASTM A302	Класс А	45	75	15	29e6	0,282	0,29
  	Класс C	50	80	17
  ASTM A514	Закаленная и отпущенная	100	110	18	29e6	0,283	0,3
  ASTM A517	Марка F	100	115	16	29e6	0.280	0,29
  ASTM A533	Класс 1	50	80	18	29e6	0,282	0,29
  	Класс 2	70	90	16
  	Класс 3	83	100	16
  ASTM A572	Класс 50	50	65	18	30e6	0.283	0,3
  ASTM A588		50	70	18	29.7e6	0,280	0,28
  ASTM A633	Класс E	55	75	18	29.7e6	0,280	0,28
  ASTM A656	Класс 50	50	60	20	29e6	0.282	0,29
  	Класс 60	60	70	17
  	Класс 70	70	80	14
  	Класс 80	80	90	12
  	Класс 100	100	110	12
  ASTM A710	Класс А	80	85	20	29.7e6	0,280	0,3
  HY-80		80	—	18	29.7e6	0,280	0,3
  HY-100		100	—	16	29.7e6	0,284	0,3
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  Инструментальная сталь

  Инструментальная сталь в основном используется для изготовления инструментов, используемых в производстве, например режущих инструментов, сверл, штампов, штампов и долот. Легирующие элементы обычно выбираются для оптимизации твердости, износостойкости и ударной вязкости.

  нержавеющая сталь

  Нержавеющие стали обладают хорошей коррозионной стойкостью, в основном за счет добавления хрома в качестве легирующего ингредиента. Нержавеющие стали имеют содержание хрома не менее 11%.Пассивация происходит при содержании хрома не менее 12%, и в этом случае защитная инертная пленка из оксида хрома образуется поверх материала и предотвращает окисление. Коррозионная стойкость нержавеющей стали является результатом этой пассивации.

  В таблице ниже приведены типичные составы нержавеющих сталей:

  Элемент	Аустенитный	Ферритный	Мартенситный
  Углерод	0.03 – 0,25%	0,08 – 0,20%	0,15 – 1,2%
  Хром	16–26%	11–27%	11,5 – 18%
  Никель	3,5 – 22%	—	—
  Марганец	2%	1–1,5%	1%
  Кремний	1-2%	1%	1%
  ПРИМЕЧАНИЕ : Таблица адаптирована из Lindeburg.

  Аустенитная нержавеющая сталь

  Аустенитная нержавеющая сталь – наиболее распространенная форма нержавеющей стали. Обладает самой высокой стойкостью к общей коррозии среди нержавеющих сталей. Это также самая свариваемая из нержавеющих сталей из-за низкого содержания углерода. Его можно укрепить только холодной обработкой. Аустенитные нержавеющие стали обычно дороже других нержавеющих сталей из-за содержания никеля. Аустенитные нержавеющие стали не являются магнитными, в отличие от ферритных и мартенситных нержавеющих сталей.Общие области применения включают крепеж, сосуды под давлением и трубопроводы.

  Ферритная нержавеющая сталь

  Ферритная нержавеющая сталь имеет высокое содержание хрома и среднее содержание углерода. Он имеет скорее хорошую коррозионную стойкость, чем высокую прочность. Как правило, его нельзя упрочнить с помощью термической обработки, а укрепить можно только с помощью холодной обработки.

  Мартенситная нержавеющая сталь

  Мартенситная нержавеющая сталь имеет высокое содержание углерода (до 2%) и низкое содержание хрома.Это более высокое содержание углерода является основным отличием ферритных и мартенситных нержавеющих сталей. Из-за высокого содержания углерода трудно сваривать. Его можно укрепить путем термической обработки. Общие области применения включают столовые приборы и хирургические инструменты.

  Дуплекс из нержавеющей стали

  Дуплексная нержавеющая сталь содержит как аустенитную, так и ферритную фазы. Она может иметь в два раза большую прочность, чем аустенитная нержавеющая сталь. Он также обладает высокой ударной вязкостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью.Дуплексная нержавеющая сталь обычно сваривается так же, как и аустенитная, но у нее есть температурный предел.

  Нержавеющая сталь с дисперсионным упрочнением

  Нержавеющая сталь с дисперсионным упрочнением может быть упрочнена с помощью дисперсионного твердения, которое представляет собой процесс упрочнения при старении. Эти материалы обладают высокой прочностью, а также высокой устойчивостью к коррозии и температуре.

  Таблица материалов из нержавеющей стали

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных нержавеющих сталей. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Класс	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  AISI 201	Аустенитный	Отожженный	40	75	40	28e6	0.289	0,27
  AISI 202	Аустенитный	Отожженный	40	75	40	28e6	0,289	0,27
  AISI 302	Аустенитный	Отожженный	30	75	40	28e6	0,289	0,27
  AISI 304	Аустенитный	Отожженный	30	75	40	28e6	0.289	0,29
  AISI 304L	Аустенитный	Отожженный	25	70	40	28e6	0,289	0,28
  AISI 316	Аустенитный	Отожженный	30	75	40	28e6	0,289	0,26
  AISI 316L	Аустенитный	Отожженный	25	70	40	28e6	0.289	0,26
  AISI 405	Ферритный		25	60	20	29e6	0,282	0,28
  AISI 410	Мартенситный	Отожженный	40	70	16	29e6	0,282	0,28
  		Закаленная и отпущенная	80	100	12
  AISI 430	Ферритный		30	60	20	29e6	0.282	0,28
  AISI 446	Ферритный	Отожженный	40	65	16	29e6	0,282	0,28
  15-5PH	Мартенситная дисперсионная закалка	H900	170	190	10	28,5e6	0,283	0,27
  		h2025	145	155	12
  		х2150	105	135	16
  17-4PH	Мартенситная дисперсионная закалка	H900	170	190	10	28.5e6	0,282	0,27
  		h2025	145	155	12
  		х2150	105	135	16
  17-7PH	Полуустенитная дисперсионная закалка	Th2050	150	177	6	29e6	0,276	0,28
  A-286	Аустенитное дисперсионное твердение		95	140	15	29.1e6	0,287	0,31
  Сплав 2205	Дуплекс аустенитно-ферритный		65	95	25	28,5e6	0,287	0,27
  Ферраллий 255	Дуплекс аустенитно-ферритный		80	110	15	28,5e6	0,287	0.27
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  Чугун

  Чугун – это сплав черных металлов с высоким содержанием углерода, обычно более 2%. Углерод, присутствующий в чугуне, может иметь форму графита или карбида. Чугуны имеют низкую температуру плавления, что делает их пригодными для литья.

  Серый чугун

  Серый чугун – самый распространенный тип.Уголь имеет форму чешуек графита. Серый чугун – хрупкий материал, и его прочность на сжатие намного выше, чем на разрыв. Поверхность излома серого чугуна имеет серый цвет, отсюда и название.

  Ковкий чугун (чугун с шаровидным графитом)

  Добавление магния в серый чугун улучшает пластичность материала. Полученный материал называется чугун с шаровидным графитом , потому что магний заставляет чешуйки графита формировать сферические узелки.Его также называют ковким чугуном . Чугун с шаровидным графитом обладает хорошей прочностью, пластичностью и обрабатываемостью. Обычно используются коленчатые валы, шестерни, корпуса насосов, клапаны и детали машин.

  Белый чугун

  Белый чугун имеет углерод в виде карбида, что делает его твердым, хрупким и трудным для обработки. Белый чугун в основном используется для изготовления износостойких деталей, а также для производства ковкого чугуна .

  Ковкий чугун

  Ковкий чугун получают путем термической обработки белого чугуна. Термическая обработка улучшает пластичность материала при сохранении его высокой прочности.

  Таблица материалов чугуна

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных чугунов. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Класс	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  ASTM A159	Серый чугун	G1800	—	18	—	9.6 – 14e6	0,264	0,26
  		G2500	—	25	—	12–15e6
  		G3000	—	30	—	13–16,4e6
  		G3500	—	35	—	14,5 – 17e6
  		G4000	—	40	—	16–20e6
  ASTM A536	Ковкий чугун	60-40-18 класс	40	60	18	24.5e6	0,256	0,29
  		65-45-12 класс	45	65	12	24,5e6	0,256	0,3
  		Марка 80-55-06	55	80	6	24,5e6	0,256	0,31
  		класс 100-70-03	70	100	3	24.5e6	0,256	0,3
  		Класс 120-90-02	90	120	2	23,8e6	0,256	0,28
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  ---

  ---

  Алюминиевые сплавы

  Чистый алюминий мягкий и хрупкий, но для повышения прочности его можно легировать.Чистый алюминий обладает хорошей коррозионной стойкостью благодаря оксидному покрытию, которое образуется на материале и предотвращает окисление. Легирование алюминия снижает его коррозионную стойкость.

  Алюминий – широко используемый материал, особенно в аэрокосмической промышленности, из-за его легкого веса и устойчивости к коррозии. Несмотря на то, что алюминиевые сплавы обычно не так прочны, как стали, они, тем не менее, имеют хорошее соотношение прочности и веса.

  Алюминиевые сплавы названы в соответствии с 4-значным числом, где первая цифра указывает на основной легирующий элемент.Код обработки следует за 4-значным числом, которое указывает на состояние и обработку материала.

  Серия	Основной легирующий элемент	термообрабатываемый
  1XXX	Нет (технически чистый)	№
  2XXX	Медь	Есть
  3XXX	Марганец	№
  4XXX	Кремний	Нет (в основном)
  5XXX	Магний	№
  6XXX	Магний и кремний	Есть
  7XXX	Цинк	Есть

  Суффикс	Лечение
  -F	В состоянии изготовления
  -O	Отожженный
  -HX	Холодная обработка (деформационная закалка)
  -TX	Раствор термообработанный, осажденный твердый

  Все алюминиевые сплавы серий 2000, 6000 и 7000 могут подвергаться термообработке, поэтому они могут обеспечить высочайшую прочность.Прочие сплавы можно упрочнить холодной обработкой.

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных алюминиевых сплавов. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  Al 2014	Т6, Т651	59	67	7	10.5e6	0,101	0,33
  Al 2024	Т4	40	62	10	10,5e6	0,1	0,33
  Al 5052	ч42	23	38	9	10.1e6	0,097	0,33
  Al 5083	h216, h421	31	44	10	10.3e6	0,096	0,33
  	h42	31	56	12
  Al 6061	Т4	16	26	16	9.9e6	0,098	0,33
  	Т6	35	38	8
  Al 7075	Т6, Т651	68	78	6	10.3e6	0,101	0,33
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  Никелевые сплавы

  Никелевые сплавы обладают высокой температурной и коррозионной стойкостью. Общие легирующие ингредиенты включают медь, хром и железо. Распространенные никелевые сплавы включают монель, калий-монель, инконель и хастеллой.

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных никелевых сплавов. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  Хастеллой C-276	Раствор отожженный	41	100	40	29.8e6	0,321	0,28
  Инконель 625	1 класс	55	110	30	29,8e6	0,305	0,28
  	2 класс	40	100	30
  Инконель 686	1 класс	85	120	20	29.8e6	0.315	0,28
  	2 класс	125	135	20
  	3 класс	150	160	20
  Инконель 718	Раствор, отожженный и выдержанный	120	150	20	29.4e6	0,297	0,29
  	Термообработка на раствор	150	180	10
  Инконель 725	Раствор отожженный	40	75	45	29.6e6	0,3	0,31
  	Раствор, отожженный и состаренный	120	150	20
  Монель 400	Отожженный	25	70	35	26e6	0,319	0,32
  	Горячекатаный	40	75	30
  	Холодная обработка, снятие напряжений	50	80	20
  Монель К-500	Отожженные и состаренные	85	130	20	26e6	0.306	0,32
  	Холодная обработка и выдержка	100	140	15
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  Медные сплавы

  Медные сплавы обычно характеризуются как электропроводящие, имеющие хорошую коррозионную стойкость и относительно легкие в формовании и литье.Хотя медные сплавы являются полезным инженерным материалом, они также очень привлекательны и обычно используются в декоративных целях.

  Медные сплавы в основном состоят из латуни и бронзы. Цинк – основной легирующий компонент латуни. Олово является основным легирующим элементом большинства бронз. Бронзы также могут содержать алюминий, никель, цинк, кремний и другие элементы. Бронза обычно прочнее латуни, но при этом сохраняет хорошую коррозионную стойкость.

  Алюминиевая бронза Сплавы очень твердые и обладают хорошими износостойкими свойствами, поэтому обычно используются в подшипниках.Бериллиево-медные сплавы обладают хорошими прочностными и усталостными свойствами, а также хорошей износостойкостью при правильной смазке. Бериллиевая медь обычно используется для изготовления пружин, подшипников и втулок.

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных медных сплавов. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  70/30 Медно-никелевый	Отожженный	18	45	30	21.8e6	0,323	0,3
  	Холодная обработка	50	65	10
  90/10 Медно-никелевый сплав	Отожженный	15	38	30	20,3e6	0,323	0,3
  	Холодная обработка	30	50	15
  Алюминий бронза		32	85	12	15.5e6	0,269	0,316
  Бериллий Медь	Раствор термообработанный	75	85	8	18,5e6	0,298	0,27
  	Термическая обработка осадков	140	165	3
  Никель-алюминий бронза 632	Отожженный	34	90	10	16.7e6	0,274	0,32
  	Закаленная	50	90	15
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  Титановые сплавы

  Титановые сплавы легкие, прочные и обладают высокой коррозионной стойкостью. Их плотность намного ниже, чем у стали, и превосходное соотношение прочности и веса.По этой причине титановые сплавы используются довольно часто, особенно в аэрокосмической промышленности. Одним из основных недостатков титановых сплавов является высокая стоимость.

  Есть три категории титановых сплавов: альфа-сплавы, бета-сплавы и альфа-бета-сплавы. Альфа-сплавы не поддаются термообработке и вместо этого упрочняются за счет процессов упрочнения твердого раствора. Бета- и альфа-бета-сплавы могут быть упрочнены термической обработкой, в первую очередь за счет дисперсионного твердения.

  Титановые сплавы идентифицируются по процентному содержанию легирующих элементов, например Ti-6Al-4V.

  В таблице ниже представлены типичные механические свойства нескольких распространенных титановых сплавов. ^{(Примечание 1)}

  Материал	Состояние	Предел текучести Прочность [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Ultimate Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Удлинение %	Упругость Модуль [psi]	Плотность [фунт / дюйм 3 ]	Коэффициент Пуассона
  Коммерчески чистый	2 класс	40	50	20	14.8e6	0,163	0,34
  Ti-5Al-2.5Sn	Отожженный	110	115	10	15.5e6	0,162	0,31
  Ti-6Al-4V	5 класс	120	130	10	16e6	0,16	0,31
  Ti-6Al-4V, ELI	23 класс	110	120	10	16.5e6	0,16	0,31
  Ti-5-1-1-1	32 класс	85	100	10	16e6	0,16	0,31
  ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.

  ---

  ---

  Полимеры

  Полимеры – это материалы, которые состоят из молекул, образованных длинными цепочками повторяющихся звеньев.Они могут быть натуральными или синтетическими. Многие полезные технические материалы представляют собой полимеры, такие как пластмассы, каучуки, волокна, клеи и покрытия. Полимеры подразделяются на термопластичные полимеры, термореактивные полимеры (термореактивные полимеры) и эластомеры.

  Термопластические полимеры

  Классификация термопластов и реактопластов основана на их реакции на нагрев. Если нагреть термопласт, он размягчит и расплавится. Как только он остынет, он вернется в твердую форму.Термопласты не претерпевают никаких химических изменений при многократном нагревании и охлаждении (если температура не является достаточно высокой, чтобы разорвать молекулярные связи). Поэтому они очень хорошо подходят для литья под давлением.

  Термореактивные полимеры

  Термореактивные материалы обычно нагреваются во время первоначальной обработки, после чего они становятся постоянно твердыми. Термореактивные материалы не тают при повторном нагревании. Однако, если приложенное тепло становится чрезмерным, термореактивный материал ухудшается из-за разрыва молекулярных связей.Термореактивные материалы обычно имеют большую твердость и прочность, чем термопласты. Они также обычно имеют лучшую стабильность размеров, чем термопласты, а это означает, что они лучше сохраняют свои первоначальные размеры при изменении температуры и влажности.

  Эластомеры

  Эластомеры – это высокоэластичные полимеры с механическими свойствами, подобными резине. Эластомеры обычно используются для уплотнений, клеев, шлангов, ремней и других гибких деталей.Прочность и жесткость резины можно повысить с помощью процесса, называемого вулканизацией , который включает добавление серы и воздействие на материал высокой температуры и давления. Этот процесс вызывает образование поперечных связей между полимерными цепями.

  ---

  Керамика

  Керамика – это твердые соединения, которые могут состоять из металлических или неметаллических элементов. К основным классам керамики относятся стекло, цементы, изделия из глины, огнеупоры и абразивы.

  Керамика обычно имеет отличную коррозионную и износостойкость, высокую температуру плавления, высокую жесткость и низкую электрическую и теплопроводность. Керамика – тоже очень хрупкий материал.

  Стекло

  Очки – это обычные материалы, которые используются в приложениях, включая окна, линзы и контейнеры. Стекла аморфны, тогда как остальная керамика в основном кристаллическая. Основные преимущества очков – прозрачность и простота изготовления.Основным элементом большинства стекол является диоксид кремния, и другие компоненты могут быть добавлены для изменения его свойств. Общие процессы, используемые для формования стекла, включают:

  • нагрев до плавления, затем разливание в формы для отливки полезных форм
  • нагрев до мягкости, затем прокатка
  • нагрев до мягкости, затем обдувание до желаемой формы

  Цемент

  Цементы – это материалы, которые после смешивания с водой образуют пасту, которая затем затвердевает.Благодаря этой характеристике цементам можно придавать полезные формы в виде пасты, прежде чем они затвердеют в жесткие конструкции. Штукатурка Парижа – один из распространенных цементов. Самый распространенный цемент – портландцемент, который получают путем смешивания глины и известняка с последующим обжигом при высокой температуре. Портландцемент используется для образования бетона, который получают путем смешивания его с песком, гравием и водой. Его также можно смешать с песком и водой для образования раствора. Как и другая керамика, цемент слаб на растяжение, но силен на сжатие.Цемент очень дешев в производстве, и он широко используется при строительстве зданий, мостов и других крупных сооружений.

  Изделия из глины

  Глина – очень распространенный керамический материал. Его можно смешать с водой, придать ему форму, а затем отвердить путем обжига при высокой температуре. Две основные классификации изделий из глины включают изделий из конструкционной глины и изделий из белой глины . Изделия из структурной глины находят применение, в том числе в кирпиче, плитке и трубопроводах.Белые изделия видят приложения, включая гончарные изделия и сантехнику.

  Огнеупоры

  Огнеупорная керамика может выдерживать высокие температуры и экстремальные условия окружающей среды. Они также могут обеспечить теплоизоляцию. Кирпич – самая распространенная огнеупорная керамика.

  Абразивы

  Абразивная керамика – это твердый материал, который используется для резки, шлифования и износа других более мягких материалов. Типичные свойства абразивов включают высокую твердость, износостойкость и термостойкость.Абразивные материалы могут быть либо прикреплены к поверхности (например, шлифовальные круги и наждачная бумага), либо использоваться в виде рыхлых зерен (например, пескоструйной очисткой). Обычные абразивные материалы включают цементированный карбид, карбид кремния, карбид вольфрама, оксид алюминия и кварцевый песок. Алмаз – тоже отличный абразив, но он стоит дорого.

  ---

  Композиты

  Композитный материал – это материал, в котором один или несколько взаимно нерастворимых материалов смешаны или связаны вместе. Основными классами композитов являются композиты в виде частиц, волокнистые композиты и слоистые композиты.

  Композиты из твердых частиц

  Композиты в виде частиц создаются путем добавления частиц одного материала к матрице (материал наполнителя). Частицы обычно составляют менее 15% от общего объема материала. Частицы добавляются для устранения некоторых недостатков матричного материала.

  Волокнистые композиты

  Волокнистый композит – это материал, в котором волокна одного материала заключены в матрицу. Волокна несут большую часть напряжения, а матрица служит для удержания волокон на месте и передачи напряжения между волокнами.Волокна могут быть короткими и произвольно ориентированными или длинными и непрерывными.

  Ламинированные композиты

  Ламинированные композиты создаются путем объединения слоев композитных материалов. Слои обычно различаются ориентацией волокон или самим материалом. Сэндвич – это обычные материалы, в которых легкий материал (например, пенопласт или соты) помещается между слоями прочного и жесткого материала.

  ---

  PDH Classroom предлагает курс повышения квалификации на основе этой справочной страницы по инженерным материалам. Этот курс можно использовать для выполнения требований к кредитам PDH для поддержания вашей лицензии PE.

  Теперь, когда вы прочитали эту справочную страницу, получите за нее кредит!

  ---

  Банкноты

  Примечание 1: Данные о свойствах материала

  Представленные данные о свойствах материала предназначены для репрезентативности описываемого материала.Приведенные значения имеют тенденцию к консервативному концу диапазона и могут использоваться в качестве базовых проектных значений для предварительного проектирования. Однако эти значения не соответствуют какой-либо конкретной спецификации, поэтому их нельзя использовать в окончательном дизайне без предварительной консультации с соответствующими спецификациями материалов. Данные предоставляются «как есть» без каких-либо явных или подразумеваемых гарантий.