碳钢是一种碳含量为约 0.05% 至 3.8%(重量)的钢。美国钢铁协会 (AISI) 对碳钢的定义指出:
1. 对铬、钴、钼、镍、铌、钛、钨、钒、锆或任何其他为获得所需合金效果而添加的元素,没有规定或要求其最低含量;
2. 铜的规定最小值不超过 0.40%;
3. 或以下任何元素规定的最大含量不超过注明的百分比: 锰 1.65%;硅 0.60%;铜 0.60%。
术语碳钢也可用于指代非不锈钢的钢;在此用途中,碳钢可包括合金钢。高碳钢有许多不同的用途,例如铣床、切削工具(如凿子)和高强度线材。这些应用需要更精细的微观结构,从而提高韧性。
随着碳百分比含量的增加,钢有能力通过热处理变得更硬和更强;然而,它的延展性变差。无论进行何种热处理,较高的碳含量都会降低可焊性。在碳钢中,较高的碳含量会降低熔点。
热处理碳钢的目的是改变钢的机械性能,通常是延展性、硬度、屈服强度或抗冲击性。请注意,电导率和热导率仅略有改变。与大多数钢的强化技术一样,杨氏模量(弹性)不受影响。钢材的所有处理都会增加强度,反之亦然。铁在奥氏体相中对碳具有更高的溶解度;因此,所有热处理,除了球化和工艺退火,都是从将钢加热到奥氏体相可以存在的温度开始。然后以中到低的速度对钢进行淬火(热抽出),使碳从奥氏体中扩散出来,形成碳化铁(渗碳体)并留下铁素体,或者以高速度将碳捕获在铁中,从而形成马氏体.钢冷却至共析温度(约 727 °C)的速度会影响碳从奥氏体中扩散出来并形成渗碳体的速度。一般来说,快速冷却会使碳化铁精细分散并产生细晶珠光体,而缓慢冷却会产生较粗的珠光体。冷却亚共析钢(小于 0.77 wt% C)会导致碳化铁层的层状珠光体结构,α-铁素体(接近纯铁)介于两者之间。如果是过共析钢(C 大于 0.77 wt%),则结构为全珠光体,在晶界上形成渗碳体的小晶粒(大于珠光体片层)。共析钢(0.77% 碳)将在整个晶粒中具有珠光体结构,在边界处没有渗碳体。成分的相对数量是使用杠杆规则找到的。以下是可能的热处理类型列表。
合金钢是将总量在 1.0% 至 50% 之间的各种元素合金化以改善其机械性能的钢。合金钢分为两类:低合金钢和高合金钢。两者之间的区别是有争议的。Smith 和 Hashemi 将差异定义为 4.0%,而 Degarmo 等人将其定义为 8.0%。最常见的术语“合金钢”是指低合金钢。
严格来说,每一种钢都是一种合金,但并不是所有的钢都被称为“合金钢”。最简单的钢是铁 (Fe) 与碳 (C) 的合金(约 0.1% 至 1%,取决于类型)。然而,术语“合金钢”是标准术语,指的是除碳外有意添加其他合金元素的钢。常见的合金剂包括锰(最常见的一种)、镍、铬、钼、钒、硅和硼。不太常见的合金包括铝、钴、铜、铈、铌、钛、钨、锡、锌、铅和锆。
以下是合金钢(与碳钢相比)的一系列改进性能:强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、淬透性和热硬度。为了实现这些改进性能中的一些,金属可能需要热处理。
其中一些在奇特和高要求的应用中找到了用途,例如喷气发动机的涡轮叶片和核反应堆。由于铁的铁磁特性,一些钢合金找到了重要的应用,其中它们对磁性的响应非常重要,包括在电动机和变压器中。
球化
当碳钢被加热到大约 700 °C 超过 30 小时时,就会形成球状体。球状体可以在较低温度下形成,但所需时间急剧增加,因为这是一个扩散控制过程。结果是初级结构内的渗碳体棒状或球状结构(铁素体或珠光体,取决于共析体的哪一侧)。目的是软化高碳钢并允许更多的成形性。这是最柔软和最具延展性的钢。
完全退火
碳钢加热至Ac3或Acm以上约40℃,保温1小时;这确保了所有铁素体都转变为奥氏体(尽管如果碳含量大于共析体,渗碳体可能仍然存在)。然后必须以每小时 20 °C (36 °F) 的速度缓慢冷却钢。通常它只是炉冷,此时炉子关闭,钢仍在里面。这导致粗珠光体结构,这意味着珠光体的“带”很厚。完全退火的钢柔软且具有延展性,没有内应力,这对于经济高效的成型通常是必要的。只有球化钢更柔软,更具延展性。
工艺退火
一种用于释放 C 低于 0.3% 的冷加工碳钢的应力的工艺。通常将钢加热至 550–650 °C 并保持 1 小时,但有时温度高达 700 °C。右图[需要澄清] 显示了过程退火发生的区域。
等温退火
它是将亚共析钢加热到上临界温度以上的过程。该温度保持一段时间,然后降至低于下临界温度并再次保持。然后冷却至室温。这种方法消除了任何温度梯度。
归一化
碳钢加热至Ac3或Acm以上约55℃,保温1小时;这确保钢完全转变为奥氏体。然后对钢进行空气冷却,冷却速度约为每分钟 38 °C (100 °F)。这导致精细的珠光体结构和更均匀的结构。正火钢比退火钢具有更高的强度;它具有较高的强度和硬度。
淬火
含至少 0.4 wt% C 的碳钢加热至正火温度,然后在水、盐水或油中快速冷却(淬火)至临界温度。临界温度取决于碳含量,但通常随着碳含量的增加而降低。这导致马氏体结构;一种在变形的体心立方 (BCC) 晶体结构中具有超饱和碳含量的钢,适当地称为体心四方晶 (BCT),具有很大的内应力。因此,淬火钢非常硬但很脆,通常对于实用目的来说太脆了。这些内应力可能会导致表面出现应力裂纹。淬火钢的硬度大约是正火钢的三倍(四倍含碳量更多)。
Martempering (marquenching)
Martempering 实际上不是一种回火程序,因此称为 Marquenching。它是一种在初始淬火后应用的等温热处理形式,通常在熔盐浴中,温度刚好高于“马氏体起始温度”。在此温度下,材料内的残余应力得到释放,一些贝氏体可能会从没有时间转变为其他任何物质的残余奥氏体中形成。在工业中,这是一种用于控制材料延展性和硬度的过程。随着马氏体淬火时间的延长,延展性增加,强度损失最小;钢保持在这种溶液中,直到部件的内部和外部温度平衡。然后以中等速度冷却钢以保持温度梯度最小。这个过程不仅减少了内应力和应力裂纹,而且还增加了抗冲击性。
回火
这是最常见的热处理,因为最终性能可以由回火的温度和时间精确确定。回火包括将淬火钢重新加热到低于共析温度的温度,然后冷却。升高的温度允许形成非常少量的球状体,这会恢复延展性,但会降低硬度。为每种组合物精心选择实际温度和时间。
等温淬火
奥氏体回火过程与马氏回火相同,不同之处在于中断淬火并将钢保持在温度在 205 °C 至 540 °C 之间的熔盐浴中,然后以中等速度冷却。由此产生的钢,称为贝氏体,在钢中产生针状微观结构,与马氏体钢相比,它具有很高的强度(但低于马氏体)、更大的延展性、更高的抗冲击性和更少的变形。等温淬火的缺点是只能用于少数钢材,并且需要特殊的盐浴。
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