Карбоновая сталь что это: Углеродистая сталь – свойства и сферы применения

Содержание

Сталь против карбона — Cyclepedia

Если вы уверенно решили приобрести карбоновую раму, задумайтесь. Прежде чем так легко расставаться с большой суммой денег, подумайте, действительно ли карбон является именно тем материалом, который вам необходим? Не поймите неправильно, карбоволокно действительно имеет ряд несомненных преимуществ, но повальное увлечение им в последнем сезоне больше похоже на обычную моду. Да, профессионалы пользуются им, чтобы увеличить свои показатели и быстрее достичь финиша, а масса фанатов просто идет следом за своими лидерами, покупая то же самое.

Вы можете понаблюдать за весенними классиками, Джиро, Вуэльтой и Туром и сделать заметки о том, кто на чем ездит. И заметить, что отнюдь не дешевые детали сплошь состоят из карбона, содержание которого в велосипеде едва ли не больше, чем на Международной космической станции.

Такое поведение похоже на погоню за модной одеждой, только это – погоня за инновациями в велоспорте.

Действительно, почему бы карбоволокну не быть популярным? Рама и вилка практически невесомы, они имеют потрясающие амортизационные способности, к тому же, углеродное волокно никогда не перегревается.

О популярности этого материала свидетельствует и тот факт, что ведущие производители стальных рам, такие, как Steelman, Serotta и Independent Fabrications, выделяют средства на изготовление рам из карбона.

Прекрасная стальная Cinelli Supercorsa в практически первозднанном исполнении выпускается до сих пор.

Для многих профессиональных гонщиков предложение тренироваться, не говоря уже об участии на соревновании на велосипеде со стальной рамой, будет рассмотрено как шутка. По какой-то необоснованной причине стальной велосипед сегодня в определенных кругах приобрел репутацию медленного, тяжелого и технологически отсталого агрегата – по аналогии с репутацией дизельных автомобилей в США.

Но реальность такова, что сталь еще никогда не была прочнее, легче и долговечнее, чем она является в наши дни. Более того, никакой другой материал не может предоставить наиболее универсальный велосипед, которому будет соответствовать практически любой райдер.

Штампованная тайваньская рама из карбоволокна зачастую стоит дороже, чем индивидуальный заказ стальной рамы. Конечно же, такой карбон даже не сможет приблизиться по качеству езды, которую может обеспечить сталь. И это не говоря уже о прочности и долговечности, которые гарантированы, если ухаживать за рамой должным образом.

Поэтому, прежде чем со всех ног бежать в магазин за карбоновой рамой, подумайте дважды. Вначале узнайте о преимуществах стали.

Долговечность

Да, углеродное волокно выглядит здорово, но его внешний вид не выдержал того испытания временем, как вид стальной рамы, изготовленной под заказ. Созданные вручную наконечники из нержавеющей стали, идеально спаянная головная труба и тщательный подход к мелочам обеспечивают гораздо больше персонализации, чем серийная карбоновая рама. Это все равно, что покупать костюм в брендовом магазине, или заказать его ручное изготовление, чтобы он был подогнан в точности для вас. Каждая пуговица будет пришита вручную, а каждый стежок будет отслеживаться наметанным глазом.

Стальные рамы, изготовленные на заказ такими мастерскими, как Baylis, Eisentraut или White, ко всему прочему, показывают, что их владелец уважает сохранение традиции создания важнейших деталей именно вручную, как делалось и сто лет назад. Типичная же карбоновая рама может быть изготовлена за пару часов или меньше, она стандартна и анонимна, и выходит из-под конвейера вместе с тысячами своих собратьев. Брайан Бейлис утверждает, что каждая из его рам – это не менее 100 часов ручного труда мастера, и за 40 лет его опыта он не построил двух одинаковых экземпляров. Покупая такой стальной велосипед, вы получаете безвременно стильный предмет искусства.

Минимальная весовая разница

Наверное, больше всего жалуются на сталь по той причине, что она значительно тяжелее углерода. Однако многие слишком преувеличивают – на самом деле разница не так уж и велика.

С развитием технологий углерод стал основным материалом, используемым в велосипедной промышленности. Карбоновые рамы раздвигают все границы представления о минимальном весе – он может достигать 900 грамм и ниже! Однако технологии по производству стали также не стояли на месте – преимущественно из-за того, что в условиях растущей прочности появилась возможность сделать стены труб более тонкими.

Легкий стальной каркас можно найти и в весовой категории 1,3 кг – правда, не слишком большая разница для обычного взрослого человека? Не стоит так сильно зацикливаться на весе. Разница в весе имеет большое значение только в случае, если этот велосипед будет использоваться для гонок, где дорога каждая секунда. В остальном, вейтвиннерство — это не более чем хобби. Например, в таких дисциплинах, как циклокросс, наличие велосипеда с минимальным весом – это скорее необходимость. Здесь параметр массы выигрывает перед удобством во время езды, так как спортсменам приходится периодически нести его на плече. В такой ситуации карбон, конечно же, имеет неоспоримое преимущество. Тем не менее, задние перья углеродной рамы имеют такую конструкцию, что очень быстро забиваются грязью, в итоге — выигрыш в весе менее заметен.

Прочность

Мастера работали со сталью и изучали ее свойства более ста лет в силу многих причин, и не в последнюю очередь именно из-за ее прочности. И это подтверждается тем, что по улицам городов до сих пор ездят велосипеды, которые были сконструированы и 50, и 100 лет назад.

Стальная рама прощает слишком затянутые болты, а вот карбон может потрескаться в любой момент. Кроме того, будьте особенно осторожны при перевозке вашего карбонового велосипеда на автомобиле – всего один неосторожный поворот может лишить вас двухколесного друга.

Помните, карбоновые детали в большинстве случаев не подлежат ремонту. Мелкие трещины ремонтируются. Но неудачное падение может повредить раму настолько, что восстановление будет невозможно.

Велосипед Jeremy Honorez после серьезного падения

Ценность

Помните, что вы можете за те же деньги заказать стальную раму, созданную специально под параметры вашего тела, сделанную с любовью умелыми руками мастера, который тщательно будет следить за каждой мелочью. Все же это не идет ни в какое сравнение с массовым производством на тайваньских сборочных линиях.

А на Ebay вы всегда сможете найти красивейшие рамы. Одна из таких — CIOCC Designer 84 за $990.

Заказ стальной рамы для велосипеда означает, что эта деталь будет сконструирована и изготовлена в точном соответствии с вашим ростом, весом, длиной внутренней стороны бедра и спецификой туловища. Езда на таком велосипеде будет означать удобство, качество и безопасность.

Богатый выбор стальных труб и сплавов дает гораздо большую свободу. Идеальная адаптация рамы под вес райдера, стиль катания и так далее. В это же время, карбон дает меньшую степень свободы, зачастую современные рамы просто универсальны.

При надлежащем уходе стальная рама, скорее всего, переживет вас, в то время как углеродная вряд ли переживет вашу задолженность по кредиту, в который вы увязли, лишь бы купить ее.

Заключение

Из всех вышеупомянутых причин преимущества стали над карбоном, главной, наверное, будет долговечность. Вы сильно раскошеливаетесь, чтобы улучшить свой велосипед. Учтите, что на нем вы будете ездить каждый день (оптимистично), и каждые две недели участвовать в гонках (еще более оптимистично). У вас ограниченное количество средств, как и у большинства людей в этом мире? Вы хотите себе прочный и надежный велосипед, который прослужит вам действительно долго, чтобы, если это возможно, его можно было бы продать, когда вам надоест? Чтобы сделать это с чистой совестью, зная, что он прослужит следующему владельцу столько же, сколько и вам, не стоит останавливать свой выбор на углероде.

Владение карбоновым велосипедом имеет смысл в некоторых ситуациях, например, если вы подписали контракт и получаете немало средств от спонсоров, или состоите в профессиональной команде гонщиков, где можете получать новую модель ежемесячно. В таких ситуациях прочность стоит на втором месте, потому что вы либо продаете велосипед после одного сезона гонок, либо бесплатно ездите на новых на постоянной основе.

Если же вашей целью является покупка надежного велосипеда, жизнь которого продлится как минимум 5-10 лет, вначале проверьте, есть ли в вашем городе частные мастерские, изготавливающие рамы на заказ. Найдите в Интернете видеозаписи и фотографии с ведущих мировых выставок и осознайте, что такое настоящее искусство и красота добросовестно сделанного гоночного материала.

Стоит отметить, что индустрия продолжает активно развиваться, и карбоволокно — вместе с ней. На данный момент существует достаточно большое число марок карбоволокна, что делает этот материал уже более универсальным и дает большую свободу выбора.

Что такое углеродистая сталь, ее производство, маркировка и способы применения

Благодаря своим прочностным характеристикам и доступной цене углеродистая сталь является весьма распространенным сплавом. Его главные элементы — это железо и углерод с минимумом присесей. Из углеродной стали производят различную машиностроительную продукцию, детали трубопроводов и котлов, инструменты. В строительстве сплавы тоже нашли широкое применение.

Основные характеристики
Классификация по степени раскисления
Производство и деление по качеству
Применение и маркировка

Основные характеристики

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет. От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. Содержание главного элемента — углерода — варьируется в довольно широких пределах

В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой — 0,3−0,6%, низкоуглеродистой — до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) — преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит, металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

кремний;
фосфор;
марганец;
азот;
серу;
водород;
кислород.

Кремний и марганец — это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера — вредные примеси, ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

бора;
титана;
циркония;
редкоземельных элементов.

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца. Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа. Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций. Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус — достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок. В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца, есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва. Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав их вводится немного раскислитилей, благодаря которым затвердеванием металла происходит практически без кипения, но выделение газов в нем продолжается. В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

Производство и деление по качеству

Углеродистые стали получают путем использования разных технологий. Различают:

качественные углеродистые стали;
высококачественные стальные сплавы;
углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Сплавы обыкновенного качества получают в мартеновских печах, а из них формируются большие слитки. К плавильному оборудованию, использующемуся для получения таких сталей, относятся, в частности, кислородные конвертеры. В сравнении с качественными стальными сплавами, в металле может содержаться много вредных примесей, что отражается на характеристиках и стоимости производства.

Сформированные и застывшие слитки прокатывают горячими или холодными. Горячей прокаткой получают сортовые и фасонные изделия, тонколистовой и толстолистовой металл, широкие металлические полосы. Холодной прокаткой получают тонколистовой металл.

Для производства качественной и высококачественной стали используются мартеновские печи и конвертеры, а также плавильные печи, которые работают на электричестве.

К составу, а именно к наличию в структуре вредных и неметаллических примесей, ГОСТ предъявляет жесткие требования. В высококачественных сталях должно быть не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора. Высококачественные и качественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу выплавки и характеристикам имеют повышенную чистоту структуры.

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее. Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту, в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин. После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении. Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Стали с повышенным содержанием углерода могут быть менее склонными к образованию структур малой пластичности. При воздействии структурных и сварочных напряжений металл малой пластичности может разрушиться. Этому способствует наличие в нем и его сварочном шве диффузионного водорода. Для предупреждения появления холодных трещин применяются способы, позволяющие устранить факторы, способствующие появлению таких недостатков.

Углеродистая сталь

: свойства, примеры и применение

Углеродистая сталь

представляет собой сплав железа с углеродом, который содержит до 2,1 мас.% углерода. Для углеродистых сталей не установлено минимальное содержание других легирующих элементов, однако они часто содержат марганец. Максимальное содержание марганца, кремния и меди должно быть менее 1,65 мас.%, 0,6 мас.% и 0,6 мас.% соответственно.

Типы углеродистой стали и их свойства

Углеродистая сталь может быть разделена на три категории в зависимости от содержания углерода: низкоуглеродистая сталь (или низкоуглеродистая сталь), среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь [1]. Их содержание углерода, микроструктура и свойства сравниваются следующим образом:

	Содержание углерода (мас.%)	Микроструктура	Свойства	Примеры
Низкоуглеродистая стальная	< 0,25	Феррит, перлит	Низкая твердость и низкая стоимость. Высокая пластичность, ударная вязкость, обрабатываемость и свариваемость	АИСИ 304, АСТМ А815, АИСИ 316L
Среднеуглеродистая стальная	0,25 – 0,60	Мартенсит	Низкая прокаливаемость, средняя прочность, пластичность и ударная вязкость	АИСИ 409, АСТМ А29, СКМ435
Высокоуглеродистая сталь	0,60 – 1,25	Перлит	Высокая твердость, прочность, низкая пластичность	AISI 440C, EN 10088-3

Низкоуглеродистая сталь

Низкоуглеродистая сталь является наиболее широко используемой формой углеродистой стали. Эти стали обычно имеют содержание углерода менее 0,25 мас.%. Их нельзя упрочнить термической обработкой (с образованием мартенсита), поэтому это обычно достигается холодной обработкой.

Углеродистые стали обычно относительно мягкие и имеют низкую прочность. Однако они обладают высокой пластичностью, что делает их отличными для механической обработки, сварки и низкой стоимости.

Высокопрочные низколегированные стали (HSLA) также часто классифицируются как низкоуглеродистые стали, однако также содержат другие элементы, такие как медь, никель, ванадий и молибден. В совокупности они составляют до 10 мас.% содержания стали. Высокопрочные низколегированные стали, как следует из названия, обладают более высокой прочностью, что достигается термической обработкой. Они также сохраняют пластичность, что делает их легко формуемыми и обрабатываемыми. HSLA более устойчивы к коррозии, чем простые низкоуглеродистые стали.

Среднеуглеродистая сталь

Среднеуглеродистая сталь имеет содержание углерода 0,25–0,60 мас.% и содержание марганца 0,60–1,65 мас.%. Механические свойства этой стали улучшаются за счет термической обработки, включающей аутенитизацию с последующей закалкой и отпуском, придающей им мартенситную микроструктуру.

Термическая обработка может выполняться только на очень тонких срезах, однако могут быть добавлены дополнительные легирующие элементы, такие как хром, молибден и никель, для улучшения способности стали к термообработке и, таким образом, к закалке.

Закаленные стали со средним содержанием углерода обладают большей прочностью, чем стали с низким содержанием углерода, однако это достигается за счет пластичности и ударной вязкости.

Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь имеет содержание углерода 0,60–1,25 мас.% и содержание марганца 0,30–0,90 мас.%. Он имеет самую высокую твердость и ударную вязкость среди углеродистых сталей и самую низкую пластичность. Высокоуглеродистые стали очень износостойкие в результате того, что они почти всегда подвергаются закалке и отпуску.

Инструментальные и штамповые стали представляют собой виды высокоуглеродистых сталей, которые содержат дополнительные легирующие элементы, включая хром, ванадий, молибден и вольфрам. Добавление этих элементов приводит к получению очень твердой износостойкой стали в результате образования карбидных соединений, таких как карбид вольфрама (WC).

Производство и переработка

Углеродистая сталь может производиться из переработанной стали, новой стали или их комбинации.

Первичная сталь производится путем смешивания железной руды, кокса (полученного путем нагревания угля в отсутствие воздуха) и извести в доменной печи при температуре около 1650 °C. Расплавленное железо, извлеченное из железной руды, обогащается углеродом из горящего кокса. Оставшиеся примеси соединяются с известью, образуя шлак, который плавает поверх расплавленного металла, где его можно извлечь.

Полученная расплавленная сталь содержит примерно 4 мас.% углерода. Это содержание углерода затем уменьшается до желаемого количества в процессе, называемом обезуглероживанием. Это достигается за счет пропускания кислорода через расплав, который окисляет углерод в стали с образованием монооксида углерода и диоксида углерода.