Что такое низколегированная сталь: свойства, марки и области применения, которые необходимо знать

Мы надеемся, что вы знаете, что железо является вторым по использованию материалом после алюминия. Если вы углубитесь в его историю, то железо используется примерно с 1200 г. до н. э. Сталь была представлена ​​в 1856 г. До сих пор в мире используются сотни или тысячи стальных сплавов. Эти сплавы различаются по составу, способу их укрепления и их свойствам и т. д. Эта статья познакомит вас с низколегированной сталью, ее свойствами, марками и сферами применения. Итак, начнем с краткого введения в низколегированную сталь:

Что такое низколегированная сталь?

Низколегированная сталь означает, что эта серия содержит очень малое количество легирующих элементов, т. е. <5%. Эта сталь имеет баланс между механическими свойствами и стоимостью. Например, если вы видите нержавеющую сталь, которая является высоколегированным материалом, она очень дорогая по сравнению с этой сталью из-за легирующих элементов, а значит и механических свойств. Мы подробно рассмотрим, насколько низколегированная сталь является важным материалом в нашем мире.

Состав низколегированной стали

После извлечения железа из доменной печи легирующие элементы используются для изготовления различных стальных сплавов. Как мы уже упоминали ранее, низколегированная сталь состоит всего из 5% легирующих элементов и 95% Fe. В этом разделе представлена ​​исчерпывающая информация о том, какие легирующие элементы используются и почему.

Ключевые легирующие элементы и их роль

Низколегированная сталь содержит всего 0.1–0.3% углерода. Другие ключевые элементы включают Cr, Mo, Ni, V, Ti и W. Низкое содержание C в этой стали делает ее прочнее и пластичнее. Давайте выясним роль других легирующих элементов в низколегированной стали:

Хром, молибден и никель

Chromium

Низколегированная сталь содержит 1–8 % Cr, который используется для обеспечения коррозионной стойкости и твердости соответствующих материалов.

Молибден

Mo добавляется в диапазоне 0.1% - 0.7%. Роль этого элемента заключается в повышении прокаливаемости и производительности при высоких температурах.

Никель

В низколегированные марки стали добавляют Ni в количестве от 0.8% до 3%, что повышает прочность и коррозионную стойкость.

Ванадий, титан и вольфрам

Ванадий

Роль V заключается в повышении прочности и твердости низколегированной стали. Он добавляется в диапазоне 0.03% - 0.16% в различные марки стали.

Титан

Ti контролирует C/N и используется для измельчения зерна в низколегированных сталях. Его процентное содержание составляет 0.01% - 0.1%.

вольфрама

В марки низколегированной стали добавляется 0.2% - 1% W, что повышает износостойкость и жаропрочность.

Типичные примеры состава низколегированной стали

В следующей таблице представлены различные марки низколегированной стали с соответствующими стандартами, составом и областями применения.

Низколегированная сталь AISI 4340 является одним из прочных материалов, поэтому ее используют в шасси самолетов.

Основные свойства низколегированной стали

Свойства любого материала важно понимать перед тем, как использовать его в приложениях. Легирующие элементы в любом материале сильно влияют на механические свойства этого материала. В этом разделе представлено краткое описание механических свойств низколегированного стального материала.

Механические свойства

Механические свойства означают прочность, ударную вязкость, пластичность и т. д. Эти свойства являются основой для использования материала в соответствующих приложениях. Если материал имеет хорошие механические свойства, вы можете использовать его даже в суровых условиях, таких как сопло ракеты и т. д.

Силы

Сталь AISI 4340 — это марка высокопрочной низколегированной стали; ее прочность, а именно 655 МПа, превосходит прочность углеродистой стали и используется в авиационных редукторах.

Прочность

Прочность означает, насколько материал может противостоять напряжению до того, как он сломается. Низколегированные стали имеют хорошую прочность, т.е. 40 - 100 Дж из-за содержания Ni.

тягучесть

Мы знаем, что низколегированная сталь обладает хорошей прочностью, но при этом она демонстрирует умеренное удлинение (10–20%) при растягивающих нагрузках.

Свариваемость и формуемость

При сварке низколегированных сталей существует опасность образования трещин, поэтому целесообразно предварительно нагреть деталь до температуры около 150–200 °C, чтобы избежать образования трещин.

Различные марки показывают разные уровни формуемости. Сталь HSLA показывает лучшую формуемость, чем высокопрочная сталь, например, 4340.

Устойчивость к коррозии и износу

• Поскольку низколегированная сталь имеет в своем составе Cr и Ni, она демонстрирует хорошую коррозионную стойкость в нормальных условиях.
• Хорошая износостойкость благодаря легирующим элементам Mo и V.

Распространенные типы и марки низколегированной стали

Мы классифицируем низколегированные стали в зависимости от способа их термообработки, используемых легирующих элементов, их свойств и областей применения и т. д. Существует множество типов и марок низколегированной стали; некоторые из них обсуждаются ниже в этом разделе.

Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали

Эти стали обладают более высокой прочностью, хорошей формуемостью и свариваемостью благодаря определенным легирующим элементам, таким как V, Nb, Ti и т. д. Эти стали можно использовать в конструкционных элементах, автомобильных шасси и т. д. Наиболее часто используемые марки этой серии — ASTM A572 и ASTM A588.

Закаленные и отпущенные (Q&T) низколегированные стали

Эти стали обладают балансом между прочностью (предел текучести до 1400 МПа), твердостью и вязкостью благодаря сочетанию закалки и отпуска. Вы можете использовать эти стали в военных транспортных средствах, нефтегазовом оборудовании. Его распространенные марки включают AISI 4140, 4340.

Хром-молибденовые (Cr-Mo) низколегированные стали

Благодаря легирующим элементам Cr (0.5–1.5%) и Mo (0.1–0.3%) эти стали демонстрируют хорошую прочность и сопротивление ползучести даже при высоких температурах. Распространенные марки этой серии включают 4140 и 4130. Вы можете использовать эти стали в аэрокосмических компонентах, зубчатых передачах, котлах и т. д.

Низколегированные стали никель-хром-молибденовые (Ni-Cr-Mo)

Легирующие элементы

Ni (1–3%), Cr (0.5–1.5%) и Mo (0.2–0.5%)

Основные свойства

Эти стали обладают хорошей усталостной прочностью, вязкостью и прокаливаемостью.

Области применения

Его можно использовать в шасси самолетов и компонентах тяжелой техники.

Оценки

AISI 4340, EN24

Погодостойкая сталь (COR-TEN сталь)

Легирующие элементы, такие как Cu, Cr и P, помогают этим сталям достичь лучшей коррозионной стойкости, создавая оксидный слой на поверхности. Его обычные марки — COR-TEN A/B и ASTM A588. Эти стали используются в строительстве мостов и железнодорожных вагонов.

Плюсы и минусы использования низколегированных сталей

До сих пор мы обсуждали плюсы низколегированной стали, как баланс между механическими свойствами, но у нее есть и некоторые минусы. Мы выясним здесь как плюсы, так и минусы использования этой стали:

Преимущества материалов из низколегированной стали

Его основные преимущества:

Высокое отношение прочности к весу

Углеродистая сталь обладает более высоким показателем, поэтому ее можно использовать в строительстве и автомобилестроении.

Долговечность

При циклических нагрузках эти стали обеспечивают более длительный срок службы, что снижает затраты на техническое обслуживание.

Прочность

Легирующие элементы, такие как Cr и Ni, обеспечивают повышенную прочность и высокую ударопрочность.

• Эти свойства позволяют широко использовать их в различных отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, строительство и аэрокосмическая промышленность.

Ограничения материалов из низколегированной стали

Материалы из низколегированной стали имеют следующие недостатки, которые могут ограничивать их использование в определенных областях применения:

• Низколегированные стали не имеют повышенного содержания Cr и Ni, поэтому их нельзя использовать в жестких коррозионных условиях, таких как морская среда или высокие температуры.
• При высоких температурах высока склонность к ползучести.
• Не всякая низколегированная сталь легко сваривается. Некоторые марки, например 4140, могут трескаться, если их предварительно не нагреть. Поэтому перед сваркой требуется предварительный нагрев (150–300°C).

Технологии производства и обработки низколегированной стали

После легирующих элементов, технологии производства и обработки отвечают за эксплуатационные характеристики соответствующих материалов в приложениях. Существуют различные технологии, такие как прокатка, ковка, отжиг и т. д. Эти технологии или процессы используются в соответствии с желаемыми свойствами этого материала.

Процессы термообработки

Если говорить о низколегированной стали, то процессы термообработки включают отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Эти процессы термообработки обеспечивают различную твердость и прочность, поэтому нужно быть внимательным при выборе конкретной термообработки.

Отжиг и нормализация

Отжиг

Если вам нужна мягкость или обрабатываемость низколегированной стали, вам необходимо провести отжиг этого материала. Он измельчает зернистую структуру.

Нормализация

Нормализация вызывает повышение прочности и твердости, хотя и очень низкое, поскольку приводит к мелкозернистой структуре. Эта термическая обработка приводит к однородным свойствам детали из низколегированной стали.

Закалка и отпуск (ЗиО)

Закалка

Закалка приводит к образованию мартенситной микроструктуры. Мы нагреваем изделие до температуры около 900 °C, а затем окунаем его в воду или масло. Это значительно увеличивает твердость и прочность.

Отпуск

Закалка вызывает хрупкость материала. Чтобы уменьшить отпуск, мы нагреваем закаленную часть примерно до 500^oC, затем воздушное охлаждение. Это приводит к повышению прочности, но снижению твердости.

Обработка низколегированной стали

В производстве используется множество методов обработки. К наиболее распространенным методам относятся фрезерование, шлифование, точение и т. д. Мы выбираем конкретную операцию обработки в соответствии с требуемыми допусками, точностью и формой.

Рекомендуемые режущие инструменты и методы

Твердосплавные и металлокерамические режущие инструменты способны резать низколегированную сталь, не снижая целостности материала.

Технологии концевых фрез с переменной спиралью и трохоидального фрезерования обычно применяются для обработки низколегированной стали.

Советы по достижению точности и чистоты поверхности

Для достижения точности и хорошего качества поверхности воспользуйтесь следующими советами:

1. Для получения более гладкой поверхности используйте инструменты с закругленными концами.
2. Чтобы избежать вибраций во время обработки, надежно закрепите заготовку.
3. Используйте охлаждающую жидкость для поддержания низкой температуры инструментов и заготовок.

Типичные области применения и примеры деталей из низколегированной стали

В этом разделе вы увидите, как низколегированная сталь используется в различных отраслях промышленности.

Автомобильная и транспортная промышленность

Сталь AISI 4140 используется в компонентах шасси и деталях подвески в автомобильной и транспортной промышленности.

Аэрокосмические и авиационные конструкции

В аэрокосмической и авиационной промышленности сталь AISI 4340 используется для изготовления шасси и несущих каркасов.

Стройтельство и инфраструктура

Стали HSLA используются в этой отрасли при строительстве мостов и строительных балок.

Энергетика и производство электроэнергии

Сталь 16Mo3 используется в сосудах высокого давления и трубопроводных системах в энергетике и производстве электроэнергии.

Сравнение низколегированной стали с другими типами стали

Как мы уже упоминали ранее, сегодня используется более 100 видов стали. В этом разделе мы сравнили низколегированную сталь с некоторыми наиболее распространенными видами стали.

Низколегированная сталь против углеродистой стали

Среднеуглеродистые стали, такие как AISI 1045, известны как углеродистые стали. Низколегированная сталь (AISI 1040) превосходит углеродистую сталь по прочности.

Низколегированная сталь — это то же самое, что и низкоуглеродистая сталь?

Нет, оба отличаются по легирующим элементам, свойствам и применению. Углеродистая сталь дешевле низколегированной или мягкой стали, но не рекомендуется.

Различия в прочности и применении

• Низколегированная сталь используется в шасси, строительных балках и т. д.
• Углеродистая сталь используется в штампах, режущих инструментах и ​​т. д.

Низколегированная сталь против нержавеющей стали

Нержавеющую сталь легче сваривать, чем низколегированную сталь, а низколегированные марки стали легче обрабатывать.

Низколегированные марки стали демонстрируют сильный магнетизм, однако нержавеющая сталь им не обладает.

Различия в коррозионной стойкости и стоимости

Нержавеющая сталь, например AISI 304, демонстрирует отличную коррозионную стойкость по сравнению с низколегированной сталью, например 42CrMo4. Причина в пассивном слое оксида хрома в нержавеющей стали.

Низколегированная сталь против высоколегированной стали

В этом разделе приводится разница между низколегированной и высоколегированной сталью.

Уровни легирующих элементов и различия в использовании

В следующей таблице показана четкая разница между низколегированной и высоколегированной сталью по легирующим элементам и применению.

Как выбрать подходящую марку низколегированной стали для вашего проекта

Всегда есть какие-то критерии выбора любого материала для любого проекта. Ниже приведены некоторые рекомендации, которые помогут вам выбрать правильную марку низколегированной стали для вашего проекта.

Определение требований проекта

Во-первых, вам следует знать уровень прочности, необходимый для вашего проекта, затем условия эксплуатации и, наконец, ваш бюджет.

Свариваемость и обрабатываемость

При изготовлении или обработке компонентов важными свойствами являются свариваемость и обрабатываемость. Выбирайте тот сплав, который обеспечивает легкую свариваемость и формуемость при изготовлении или обработке.

Решения для обработки на станках с ЧПУ от Tuofa

Toufa — это китайская компания, которая выделяется своими возможностями производства высокоточных и аккуратных компонентов. Наши передовые машины и опытные рабочие обеспечат вам жесткие допуски для ваших критических целей. Мы доставим вовремя и по самым низким ценам относительно рынка.

Заключение

Наконец, делается вывод, что низколегированные стали играют важную роль в нашем мире из-за их применения в строительстве, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Низколегированные марки стали обеспечивают баланс между прочностью и пластичностью с приемлемой коррозионной и износостойкостью. Поскольку существует множество марок низколегированной стали, вам следует выбрать нужную марку в соответствии с вашей рабочей средой, прочностью, свариваемостью и формуемостью и, наконец, вашим бюджетным лимитом.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем разница между легированной и низколегированной сталью?

Если легированная сталь содержит менее 5% легирующих элементов, мы называем ее низколегированной сталью, и наоборот.

Может ли низколегированная сталь легко ржаветь?

Fe реагирует с кислородом очень быстро. Мы знаем, что низколегированная сталь содержит менее 10% Cr, что делает ее подверженной ржавлению и коррозии.

Подходит ли низколегированная сталь для применения в условиях высоких температур?

Да, некоторые виды низколегированной стали содержат до 1% Mo, что позволяет им хорошо работать при высоких температурах.

Является ли сталь 4140 или 4340 низколегированной?

Да, оба вида стали низколегированные и содержат Cr и Mo.