Көміртекті болаттың беріктігі қандай?

Көміртекті болаттың механикалық қасиеттерін түсіну

Қуаттылық көміртекті болат негізгі үш механикалық қасиетке байланысты: созылу беріктігі, беріктігі және қаттылық деңгейі. Тартылу беріктігі туралы сөз қозғағанда, біз материалдың бөлінуінен бұрын қанша күшке төтеп бере алатынын қарастырамыз. Өткен жылы жарияланған жаңа зерттеулерге сәйкес жоғары көміртекті болаттар 800 МПа-дан асады. Қуаттылық металдың қалыпты өзгеруіне байланысты. Көміртегі аз нұсқалар әдетте 350 МПа шамасында болады, ал жылу процестерімен өңделгендер 1000 МПа-дан оңай өтуге болады. Қаттылық бойынша бұл Rockwell C шкаласы деп аталатын әдіспен өлшенеді. Көміртек мөлшері неғұрлым жоғары болса, болат соғұрлым қатты болады, өйткені кристалл тор құрылымында микроскопиялық ақаулар көп, олар оны сіркіре алмай, жалпысынан жақсы тозуға мүмкіндік береді.

Тартымдылық, беріктік және қаттылық сипатталады

Тартылу беріктігі салмақтың қанша екенін көрсетеді көміртекті болат бұзылып кетпестен ұстай алады, бұл көпiрлер мен ауыр машина бөлшектерi сияқты заттар үшiн өте маңызды. Мысалы, ASTM A36 конструкциялық болатқа қарасақ, оның тартылу беріктігі 400-550 МПа аралығында болады. Бірақ 1095 сияқты құралдар үшін жасалған болаттарды қарасақ, олар дұрыс жылумен өңделгеннен кейін 1000 МПа-дан асады. Енді өнімділік беріктігі - бұл материалдың тұрақты жұмыс істеу кезінде не істей алатынын шектейтін тағы бір маңызды фактор. 1045 орташа көміртекті болаттан жасалған автомобильдің краншафтылары жалпы алғанда шамамен 450 МПа қысыммен тұрып қалады. Қаттылығы жағынан, төмен көміртекті түрлерге 70 HRB-дан жоғары көміртекті түрлерге 65 HRC-ге дейін көтеріледі. Бұл жоғары көміртекті болаттарды уақыт өте келе тозуға қарсы тұру керек кесу құралдары үшін өте жақсы таңдау етеді.

Көміртектің құрамы беріктікке және өнімділікке қалай әсер етеді

Көміртек деңгейін 0,05 пайыздан 1,0 пайызға дейін өзгерту өндірушілерге қажетті беріктіктік қасиеттерін нақты реттеуге мүмкіндік береді. Материалдар ғылым шоуының 2023 жылы жарық көрген зерттеулеріне сәйкес, көміртектің 0,2% -дан 0,8% -ға дейін көтерілуі тартылу беріктігін 60% -ға арттырады, бірақ бұл диапазон ішінде сыйымдылығы 70% -ға төмендейді. Оның практикалық мәні өте қарапайым. Көмiртек аз болаты 0,05 - 0,3% көмiртекi бар, ол машина корпусының қабырғалары сияқты бөлшектер үшiн өте жақсы жұмыс iстейдi. Екінші жағынан, көміртек мөлшері 0,6 - 1,0 пайыз болатын болат өте қатты және берік болады. Бұл оларды кесу құралдары, пышақтар және машиналарда қолданылатын ауыр бұлақтарға арналған идеалдық таңдау етеді.

Көміртек деңгейі жоғары болса, созылу беріктігін арттыратын ғылым

Болаттың ішінде көміртек көп болғанда, ол мықтырақ болады, өйткені оның ішінде темір карбиді (Fe3C) пайда болады, ол негізінен ығысу деп аталатын кішкентай қозғалыстарды бұзады. 0,8% көміртек құрамы - бұл "толық перлитті құрылым" деп аталады. Бұл феррит пен цементиттің араласқан қабаттары сияқты, бұл бір уақытта мықты да, икемді де нәрселерді жасайды. Бірақ егер біз сол жағымды нүктеден өткен болсақ, металл бойынша көп карбидтер осы ыдысты желілерді қалыптастыра бастайды. Сондықтан материалдан барынша көп пайда алу үшін жылумен өңдеу өте маңызды. Қазіргі кезде өндірушілер дәндерді кішірейту үшін бақылаудағы дөңгелектеу сияқты әдістерді қолданады. Бұл қоспаға қосымша көміртек қосылмай-ақ, беріктікті арттырады. Бұл тәсіл өндіріс жағдайында тиімді шығындарды сақтай отырып, жақсы қасиеттерге қол жеткізуге көмектеседі.

Төмен, орташа және жоғары көміртекті болаттардың беріктігін салыстыру

Төмен көміртекті болат: құрылыстық мақсаттарда беріктік пен формалану қабілеті

Көміртек құрамы 0,05% - 0,32% аралығында, аз көміртекті болат 20,30034,700 пси (ASTM A36 2023) созылу беріктігіне қол жеткізеді. Бұл дәрежеде құрылыс арқалықтары, автомобиль қаңқалары және металл табақтарды қолдану үшін иілгіштігі мен дәнекерлеу қабілеті басым. Оның 30105 кси-ин1⁄2 сыну беріктігі жер сілкінісіне төзімді құрылымдар үшін өте маңызды.

Орташа көміртекті болат: механикалық пайдалану үшін беріктік пен беріктікті теңестіру

0,30-0,60% көміртек, AISI 1045 секілді орташа дәрежелі қалыңдығы 72,000 psi-ге жетімді, ал көміртек деңгейі төмен қалыңдығы 78%-ға жоғары. Жылумен өңдеуді сөндіру және қатаң ету арқылы қатаңдығын 210 HB-ға дейін арттырады, сонымен бірге 18% ұзартуды сақтайды (ASM International 2024). Бұл тепе-теңдік циклдік жүктемелер кезінде шаршауға төзімділікті қажет ететін краншафттарды, тіректерді және гидравликалық компоненттерді қолдайды.

Жоғары көміртекті болат: ең жоғары беріктік және тозуға төзімділік

0,611,5% көміртекті болаттар 230+ Бриннел қаттылығына және 100000 псиден асатын созылу беріктігіне қол жеткізеді. Қайталама? Ұзарту ≤12% -ға дейін төмендейді, сондықтан 1095 секілді дәрежелер динамикалық жүктеуге жарамсыз. Қолданбалар осы қасиеттерді пайдаланады:

• Кесу құралдары 1060с 375 HB қаттылығындағы болаттан жасалған
• Теміржолдар 1080с темірден жасалған, ол аз көміртегілі рельстерге қарағанда 15% ұзақ қызмет етуді қамтамасыз етеді

Қадамдық зерттеу: 1060 көміртекті болаттың өнеркәсіптік құралдарда қолданылуы

2023 жылы жасалған перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы перфораторлы 62 HRC-тің сөндіруден кейінгі қаттылығы ағынды металл өңдеуді талап етпестен 19% жылдамдатуға мүмкіндік берді (Жергізу жүйелерінің журналы).

Жылумен өңдеу арқылы беріктікті арттыру

Көміртекті болатқа күш беру үшін оны күйдіру, қыздыру және қайнау

Қаттылық қасиеттерін жақсарту үшін әр түрлі ыстықпен өңдеу әдістері, соның ішінде сөндіру, қатаңдау және қайнау. Суықтыру туралы айтқанда, қызған болат сумен немесе мұнаймен тез суытылады. Бұл металдың ішінде қатты мартензит құрылымын жасайды. ASM International-тың 2023 жылғы кейбір зерттеулері жоғары көміртекті болаттардың дұрыс сөндіруден кейін 2000 МПа-дан жоғары созылу беріктігіне жетуі мүмкін екенін көрсетті. Степенизациядан кейін темірді қайтадан 300-600 градус температурада қыздыру. Бұл қадам металлды әлсіз етеді, бірақ оның қаттылығының басым бөлігін сақтап қалады, әдетте 85-тен 90 пайызға дейін. Ал, басқаша жұмыс істейтін от жағу бар. Бұл материалды қатты қылып қоюдың орнына, оны баяу салқындата отырып, оны жұмсақтайды. Бұл процесс материалдың сынуы алдындағы созылуын арттырады, бұл өндірілгеннен кейін қалыпқа келтіру қажет орта көміртекті болат бөлшектермен жұмыс істеу кезінде өте маңызды.

Өшіру және қыздыру кезінде микроқұрылымдық өзгерістер

Көміртекті болат қышқылданған кезде, ол аустениттен асқан қаныққан мартенцитке айналады, бұл металлды қатты қылатын тордың бұрмалануын тудырады. Бірақ бұл жерде бір тұзақ бар, себебі жаңа құрылым мүлдем тұрақты емес және материал ішінде үлкен ішкі кернеу пайда болады. Бұл жерде қатаңдық пайдалы, өйткені ол карбидтің түсуі арқылы бұл стрессті азайтуға көмектеседі. 450 градус Цельсийде бір-екі сағатқа дейін қыздырсақ, көміртек атомдары қайта таралып, тұрақсыз цементит бөлшектерін құрайды. Бұл бөлшектер одан кейін қаттылық жағынан көп құрбандыққа шалынбай, болаттың беріктігін арттырады. Нәтижесі қандай болды? Қатаң мартензит бұрғылау үшін өте қолайлы, өйткені бұл құралдар жақсы тозуға төзімді және нақты пайдалану кезінде қысымға ұшыраған кезде сынуы мүмкін.

Өнеркәсіптік үрдістер: бақыланатын салқындату және ASTM стандартталған жылу өңдеу

Қазіргі кезде өндірушілер көміртекті болаттан жақсы нәтижелерді алады. Бұл озық жүйелер секундына 5 градус температурада суыту жылдамдығын бақылай алады, бұл үлкен айырмашылықты тудырады. Бұрынғы мектептің сөндіру әдістеріне қарағанда, бұл заманауи әдістер дәндердің жақсы құрылымдарын береді. Ал ақшасы қандай? Құрылымдық болаттар өңдеуден кейін 12 - 15 пайызға жоғары беріктікті көрсетеді. Сапаны бақылау үшін көптеген дүкендер қаттылықты тексеру кезінде ASTM A255-20 нұсқауларын орындайды. Бұл уақыт өте келе стресске төтеп беруі керек көлік тетіктері мен құрылыс бекіткіштерінде консистенцияны сақтауға көмектеседі. Интернетке қосылған ақылды жылу өңдеу пештерімен біріктірілгенде, бұл жақсартулар соңғы өнімдердің механикалық тұтастығын бұзбай, энергия тұтынуын шамамен 20 пайызға азайтады.

Қуаттылықты, иілмектікті, қаттылықты және дәнекерлеуді теңестіру

Қуат, қаттылық және иілгіштілік арасындағы кері байланыс

Көміртекті болаттың механикалық мінез-құлқы әр түрлі материалдық қасиеттердің арасындағы теңгерімді табуға байланысты. Көміртек мөлшері 0,6 - 1,5%-ға көтерілгенде, созылу беріктігі мен қаттылығы артады, бірақ сонымен бірге иілгіштігі де нашарлайды. Мысалы, көміртектегі жоғары болаттар, мысалы, көміртектің 1% -ға жуығы 1500 МПа-дан асатын созылу беріктігіне жетеді, бірақ олардың сынуы алдында созылу қабілеті 10% -дан төмен болады. Бұл кері әсер көміртек металдың ішіндегі атомдардың қозғалысына кедергі келтіретін қатты цементит құрылымдарын пайда еткендіктен пайда болады. Алайда, гетероқұрылымдық жобаларға қатысты соңғы зерттеулер уәде беретін нәтижелерге жеткізді. Өндірістік процестер кезінде дәннің мөлшерін мұқият бақылау арқылы инженерлер жоғары көміртекті болаттардың иілгіштігін шамамен 15% -ға арттыра алды, бұл ақылды материалдар инженерлік техникасы арқылы осы дәстүрлі шектеулерді айналып өтудің жолдары бар екенін көрсетеді.

Жоғары көміртекті болаттардың қаттылық шектеулері

Қуаттылықты арттыратын факторлар сынықтардың беріктігін де азайтады:

• Көміртегі байлығы жоғары (мысалы, 1095 болат) орташа 2040 джоуль Шарпи әсер ету энергиясы
• АСТМ E23 стандарттары бойынша аз көміртекті эквиваленттер (1018 болат) 100 джоульден асады

Бұл сынықтығы сейсмикалық құрылыс буындары сияқты динамикалық жүктемеге байланысты қолданбаларда өте маңызды болып табылады. Өндірушілер қызылдықпен өңдеуді араластырып, қаттылығын өшіру арқылы, одан кейін жартылай беріктікті қалпына келтіру үшін 400-600°С температурада қатайту арқылы өтеледі.

Жоғары беріктігі бар көміртекті болаттағы дәнекерлеу қабілетінің проблемаларын жеңу

Дәнекерлеу қабілеті мартензит түзілу және сутектің жарылуы қаупіне байланысты көміртектілікке кері байланысты. 0,3%-тан астам көміртекті құрамында болаттар үшін:

• Алдын ала қыздыру (200300°C) AWS D1.1 нұсқаулығына сәйкес міндетті болады
• Суытудан кейінгі жылу өңдеу қалдық кернеулерді 60~80% азайтады
• Төмен сутекті электродтар (E7018 сыныптамасы) стандартты электродтарға қарағанда 40% кемшіліктерді азайтады

Гибридті лазерлік-аркпен дәнекерлеу шешім ретінде пайда болып, 1045 көміртекті болатта 95% дәнекерлеу тиімділігіне қол жеткізеді, сонымен қатар жылу әсер ететін аймақ (HAZ) қаттылық шыңдарын азайтады.

Көміртекті болаттан жасалған қаттылықты пайдаланатын негізгі өнеркәсіптік қолданбалар

Құрылыс: Құрылымдық құрылымдарда көміртекті болаттың беріктігін пайдалану

Көміртекті болаттың салмаққа беріктігі оны қазіргі уақытта құрылыс үшін өте қажет етіп отыр. Бетонда кездесетін арқалықтар, бағаналар және күшейту сымдары сияқты көпшілік құрылымдық элементтер, негізінен, аз немесе орташа көміртекті болатқа байланысты. Бұл ерекше диапазон ең жақсы жұмыс істейді, өйткені ол жақсы дәнекерлеу қасиеттерін қамтамасыз етеді, бірақ әлі де ауыр жүктемелерге төтеп бере алады. Мысалы, ASTM A36 көміртекті болатты алайық. Бұл материал көптеген биік үйлер мен көпірлердің тірек сүйектерін құрайды. Ол уақыт өте келе бұзылып кетпей, әртүрлі стресс өзгерістерін жеңе алады. Құрылысшылар осы болат құрылымдарға қорғаныш қаптамасын қолданғанда, олар тот пен коррозиядан қорғаныш табанын алады, яғни бұл құрылыстар тіпті қатты ауа райы мен жағалау аймақтарында да ұзаққа созылады. Сол жерде тұзды ауа металдарды жалмайды.

Автомобиль өнеркәсібі: ұзаққа созылған механикалық бөлшектер үшін орташа көміртекті болат

Автомобиль өнеркәсібі кранкшафттар, тіректер және шасси компоненттері үшін орташа көміртекті болатқа (0,30,6% көміртек) басымдық береді. Бұл дәреже беріктікті (550860 МПа беріктігі) штамптау мен қалыптау үшін жеткілікті иілгіштікті теңестіреді. Мысалы, 4140 сталы жоғары температурада өлшем тұрақтылығын сақтап, қозғалтқыш бөлшектеріндегі циклдік кернеулерге төтеп береді.

Құралдар мен машиналар: қаттылық пен тозуға төзімділігін пайдалану

Жоғары көміртекті болат (> 0,6% көміртек) кесу құралдары, қалақтары және өнеркәсіптік машиналардың бөлшектерінде басымдыққа ие. 1095 болат сияқты дәрежелер жылу өңдеуден кейін Rockwell C қаттылығы 6065 деңгейіне жетеді, бұл дәлдікпен өңдеуге және ұзақ қызмет етуіне мүмкіндік береді. Қолдануға мыналар жатады:

• Бұрғылау және кесінділерді ұстауды қажет ететін пісіруші біліктері
• Абразивті заттарға ұшыраған тау-кен жабдықтары
• Қайталанатын соққыларды басқарушы гидравликалық престердің бөлшектері

Механикалық талаптарға сәйкес дұрыс көміртекті болатты қалай таңдау керек

Көміртекті болат таңдағанда үш факторды қарастырайық:

1. Механикалық талаптар : Жоғары көміртекті дәрежедегі (1060, 1095) тозуға төзімді құралдарға, ал аз көміртекті (1018, A36) болаттар құрылымдық дәнекерлеуде ерекшеленеді.
2. Қоршаған ортаға әсер ету : Киіктер немесе қорытпа қоспалары теңіз немесе химиялық ортада коррозияға төзімділікті арттыра алады.
3. Өндіру қажеттіліктері : Көміртектің төмендеуі өңдеу қабілетін жақсартады және қалыптау кезінде жарылу қаупін азайтады.

Қуаттылық пен сыйымдылық талап ететін жобалар үшін, кептіру және қатаңдау арқылы қатаратын орташа көміртекті болаттар көбінесе оңтайлы тепе-теңдікті қамтамасыз етеді.

Жиі қойылатын сұрақтар

Көміртекті болаттың негізгі механикалық қасиеттері қандай? Көміртекті болат оның беріктігі, формаға қабілеттілігі мен тозуға төзімділігін айқындайтын созылу беріктігі, беріктігі және қаттылығымен сипатталады.

Көміртек құрамы болаттың беріктігіне қалай әсер етеді? Көміртектің мөлшері жоғарылату, әдетте, созылу беріктігін арттырады, бірақ дәнекерлігін азайтады, бұл болаттың жалпы өнімділігіне әсер етеді.

Көміртекті болатты нығайтуда жылу өңдеудің рөлі қандай? Жылумен өңдеу процестері, мысалы, кептіру және қатаңдау, оның микроқұрылысын жетілдіріп, көміртекті болаттың беріктігі мен беріктігін арттырады.

Көміртекті болат қандай өнеркәсіптік мақсатта қолданылады? Көміртекті болат оның беріктігі, беріктігі және көпжақтылығы үшін құрылыс, автомобиль өндірісі және құралдар өндірісінде кеңінен қолданылады.