Основни разлики в химичния състав
Основната разлика между плочите от въглеродна стомана и плочите от легирана стомана се крие в химичния им състав. Въглеродната стомана е предимно сплав от желязо и въглерод, като съдържанието на въглерод обикновено варира от 0,05 % до 2,0 % по тегло и съдържа само следови количества на други легиращи елементи, като например марганец, силиций и мед. Тя се класифицира в три категории според съдържанието на въглерод: нискоуглеродна стомана (<0,25 % C), средноуглеродна стомана (0,25 %–0,60 % C) и високоуглеродна стомана (0,60 %–2,0 % C). В противовес на това, плочите от легирана стомана съдържат значителни количества допълнителни легиращи елементи — като хром, никел, молибден, марганец, силиций, ванадий и бор — които се добавят целенасочено, за да се подобри определено механично или физическо свойство. По дефиниция стоманата се счита за „легирана стомана“, когато общото съдържание на тези допълнителни елементи надвишава 5 % от общия състав. Тази фундаментална разлика в състава е основният фактор, определящ всички останали разлики в експлоатационните характеристики между тези две категории материали.
Механични свойства и характеристики на якостта
Механичните свойства на плочите от въглеродна стомана и легирана стомана се различават значително поради различните им химически състави и микроструктури. Плочите от въглеродна стомана осигуряват добра якост и твърдост, които нарастват с увеличаване на съдържанието на въглерод. Стоманата с ниско съдържание на въглерод предлага отлична пластичност, заваряемост и формоваемост, като границата на текучест обикновено е в диапазона 250–400 MPa. Стоманата със средно съдържание на въглерод осигурява по-висока якост и износостойкост с граница на текучест от 350–550 MPa, докато стоманата с високо съдържание на въглерод предлага максимална твърдост и износостойкост с граница на текучест от 400–600 MPa. Въпреки това въглеродната стомана обикновено има по-ниска закаляемост, тъй като усилващият ефект на въглерода сам по себе си е ограничен без допълнителни легиращи елементи.
Пластини от легирана стомана, чрез стратегичното добавяне на легиращи елементи, постигат превъзходни механични свойства. Хромът (Cr) увеличава способността към закаляване, якостта и корозионната устойчивост; никелът (Ni) подобрява ударната вязкост и якостта при ударно натоварване; молибденът (Mo) подобрява якостта при високи температури и способността към закаляване; манганът (Mn) увеличава способността към закаляване и предела на провлачване; ванадият (V) финира зърнената структура и подобрява вязкостта. Благодарение на тези легиращи добавки и контролираната термична обработка пластините от легирана стомана могат да постигнат граници на провлачване в диапазона от 400 MPa до над 1000 MPa, като притежават изключителна вязкост, износостойкост и уморостойкост. Например ASTM A514, пластини от легирана стомана, подложени на закаляване и отпускане, осигуряват минимален предел на провлачване от 100 ksi (690 MPa), което ги прави идеални за високонапрегнати конструктивни приложения, при които е необходимо намаляване на теглото.
Устойчивост към корозия и околната среда
Корозионната стойкост представлява още една критична разлика между тези две групи материали. Платовете от въглеродна стомана имат ограничена вродена корозионна стойкост поради липсата на защитни легиращи елементи; те образуват ръжда при излагане на влага и кислород и изискват защитни покрития, като боя, цинково покритие или други повърхностни обработки, за да се предотврати корозията по време на експлоатация. Въглеродната стомана е подложена на точкова и цепнатинна корозия в среди, съдържащи хлориди, и обикновено не се препоръчва за експлоатация в корозивни среди без подходяща защита.
Пластините от легирана стомана, особено тези, съдържащи хром, никел и молибден, предлагат подобрена корозионна устойчивост. Марки неръждаема стомана (подмножество на легираните стомани), съдържащи над 10,5 % хром, образуват самовъзстановяващ се пасивен оксиден слой, който осигурява защита срещу корозия в широк спектър от среди. Марки атмосфероустойчива стомана (като ASTM A588) съдържат мед, хром, никел и фосфор и образуват стабилна, защитна ръжда, която елиминира необходимостта от боядисване в много приложения. За изискващи корозионни среди пластините от легирана стомана с никел-хром-молибденов състав (ASTM A387 за работа при високи температури) или специално формулирани марки за приложения с кисели среда в нефтогазовата промишленост могат да осигурят десетилетия безподдръжково обслужване.
Съображения относно заваряемостта и обработката
Пластините от въглеродна стомана обикновено имат отлична заваряемост, особено нисковъглеродните марки (A36, A572 Grade 50). Тези стомани могат да се заваряват с конвенционални методи без специално предварително затопляне или термична обработка след заваряване за повечето дебелини. Процедурите за заваряване са добре установени и широко разбрано, което допринася за ефективно производство и по-ниски разходи. Високовъглеродните стомани обаче изискват внимателно предварително затопляне и термична обработка след заваряване, за да се предотврати водородното пукане.
Пластините от сплавена стомана изискват по-сложни изисквания за заваряване. Наличието на легиращи елементи увеличава твърдостта при загряване и стойностите на еквивалента на въглерода, което прави тези стомани по-податливи на водородно индуцирано пукане в зоната, засегната от топлината (HAZ). Заваряването на пластини от сплавена стомана обикновено изисква предварително подгряване до определени температури (100–300 °C, в зависимост от класа и дебелината), строг контрол на температурата между отделните проходи, заваръчни материали с ниско съдържание на водород и често термична обработка след заваряване (отпускане на напреженията или закаляване), за да се възстанови ударната вязкост и да се намалят остатъчните напрежения. Например, заваряването на ASTM A514 изисква предварително подгряване от 100–200 °C и температура между проходите, която не надвишава 200 °C. Въпреки че процесът на заваряване е по-изискващ и изисква по-високо техническо мастерство, получените заваръчни съединения постигат механични свойства, съответстващи на високопроизводителния основен материал.
Разглеждане на цените и наличност
Пластините от въглеродна стомана обикновено са по-евтини от пластините от легирана стомана поради по-простия си химичен състав и по-лесните производствени процеси. По-ниската материална цена и отличната обработваемост правят въглеродната стомана стандартния избор за общи конструктивни приложения, където не се изискват изключителни експлоатационни характеристики. Въглеродната стомана е широко разпространена в стандартни класове, форми и размери от множество производители по целия свят, което гарантира конкурентни цени и кратки срокове на доставка.
Пластините от легирана стомана са по-скъпи поради добавените легиращи елементи, по-сложни производствени процеси и често по-строгите изисквания за контрол на качеството. Въпреки това, в приложения, където могат да се използват подобрените експлоатационни характеристики на легираната стомана — например намаляване на теглото при запазване на якостта, удължаване на експлоатационния живот в корозивни среди или осигуряване на работа при високи температури — по-високата първоначална материална цена често се оправдава от спестяванията през целия жизнен цикъл и подобрената надеждност на оборудването. За специализирани приложения пластините от легирана стомана може да се предлагат само от определени търговски предприятия с удължени срокове за доставка.
Области на приложение и критерии за избор
Изборът между плочи от въглеродна стомана и сплавена стомана се определя от конкретните изисквания на приложението. Плочите от въглеродна стомана са предпочитаният материал за обща строителна употреба, конструктивни рамки, мостове, колони и греди на сгради, както и за компоненти на общи машини, където са от решаващо значение умерената якост и икономичността. Те се използват също така за съдове под налягане (ASTM A516), тръбопроводи и технологични тръбопроводи (API 5L), корпуси на кораби, резервоари за съхранение и основи на тежко оборудване.
Пластините от сплавена стомана са определени за изискващи приложения, които изискват подобрени свойства. Високопрочните нисколегирани (HSLA) стомани намират широко приложение в мостове, тежко оборудване и транспортни приложения, където намаляването на теглото е от критично значение. Хром-молибденовите сплавени стомани (ASTM A387) са от съществено значение за съдове под налягане и котли, работещи при повишени температури. Износостойките сплавени стоманени плочи (AR400, AR500) се използват за минно оборудване, кофи на екскаватори и компоненти за обработка на материали, които са подложени на силно абразивно въздействие. Пластините от стомана за атмосферна корозия се използват за мостови приложения, където защитната патина елиминира разходите за боядисване и намалява поддръжката през целия жизнен цикъл. Закалените и отпуснатите сплавени стоманени плочи (ASTM A514) се използват за стрелите на кранове, рамките на тежки автомобили и високонапрегнати конструктивни елементи, които изискват изключително високо съотношение между якост и тегло. При избора между въглеродна и сплавена стомана инженерите трябва да оценят работната среда, необходимите механични свойства, възможностите за обработка, разходите през целия жизнен цикъл и наличността, за да се гарантира оптимална производителност и стойност.
