Основные различия в химическом составе
Основное различие между листовой углеродистой сталью и листовой легированной сталью заключается в их химическом составе. Углеродистая сталь представляет собой в первую очередь сплав железа и углерода, при этом содержание углерода обычно составляет от 0,05 % до 2,0 % по массе, а количество других легирующих элементов — марганца, кремния и меди — незначительно. В зависимости от содержания углерода она подразделяется на три категории: низкоуглеродистая сталь (< 0,25 % C), среднеуглеродистая сталь (0,25–0,60 % C) и высокоуглеродистая сталь (0,60–2,0 % C). В отличие от неё, листовая легированная сталь содержит значительные количества дополнительных легирующих элементов — таких как хром, никель, молибден, марганец, кремний, ванадий и бор, — специально добавляемых для улучшения определённых механических или физических свойств. По определению, сталь считается «легированной», если суммарное содержание этих дополнительных элементов превышает 5 % от общей массы сплава. Именно это фундаментальное различие в составе является главной причиной всех остальных различий в эксплуатационных характеристиках между этими двумя категориями материалов.
Механические свойства и характеристики прочности
Механические свойства листов из углеродистой и легированной сталей существенно различаются из-за их разных химических составов и микроструктур. Листы из углеродистой стали обладают хорошей прочностью и твёрдостью, которые возрастают с увеличением содержания углерода. Низкоуглеродистая сталь обеспечивает превосходную пластичность, свариваемость и формоустойчивость, а её предел текучести обычно находится в диапазоне 250–400 МПа. Сталь среднего содержания углерода обеспечивает более высокую прочность и износостойкость, а её предел текучести составляет 350–550 МПа; высокоуглеродистая сталь обеспечивает максимальную твёрдость и износостойкость, а её предел текучести — 400–600 МПа. Однако углеродистая сталь, как правило, обладает более низкой прокаливаемостью, поскольку упрочняющее действие углерода само по себе ограничено без добавления дополнительных легирующих элементов.
Легированные стальные листы благодаря стратегическому добавлению легирующих элементов обладают превосходными механическими свойствами. Хром (Cr) повышает прокаливаемость, прочность и коррозионную стойкость; никель (Ni) улучшает вязкость и ударную вязкость; молибден (Mo) повышает жаропрочность и прокаливаемость; марганец (Mn) увеличивает прокаливаемость и предел прочности при растяжении; ванадий (V) измельчает зернистую структуру и повышает вязкость. Благодаря этим легирующим добавкам и контролируемой термообработке легированные стальные листы могут обеспечивать предел текучести в диапазоне от 400 МПа до более чем 1000 МПа, а также исключительную вязкость, износостойкость и усталостную прочность. Например, стальной лист ASTM A514, подвергнутый закалке и отпуску, имеет минимальный предел текучести 100 ksi (690 МПа), что делает его идеальным для высоконагруженных конструкционных применений, где требуется снижение массы.
Стойкость к коррозии и экологическая устойчивость
Стойкость к коррозии представляет собой еще одно важное различие между этими двумя группами материалов. Листы из углеродистой стали обладают ограниченной естественной стойкостью к коррозии из-за отсутствия легирующих элементов, обеспечивающих защиту; при воздействии влаги и кислорода на них образуется ржавчина, поэтому для предотвращения коррозии в эксплуатации требуются защитные покрытия, такие как краска, цинковое покрытие или другие виды поверхностной обработки. Углеродистая сталь подвержена питтинговой и щелевой коррозии в средах, содержащих хлориды, и, как правило, не рекомендуется для эксплуатации в агрессивных средах без соответствующей защиты.
Листы из легированной стали, особенно содержащие хром, никель и молибден, обладают повышенной коррозионной стойкостью. Марки нержавеющей стали (подмножество легированных сталей) с содержанием хрома свыше 10,5 % образуют самовосстанавливающийся пассивный оксидный слой, защищающий от коррозии в широком диапазоне сред. Марки атмосферостойкой стали (например, ASTM A588) содержат медь, хром, никель и фосфор и формируют устойчивый защитный ржавый налёт, что исключает необходимость окраски во многих областях применения. Для эксплуатации в агрессивных коррозионных средах листы из легированной стали с никель-хром-молибденовым составом (ASTM A387 — для работы при повышенных температурах) или специальные марки, разработанные для условий «кислой» эксплуатации в нефтегазодобыче, обеспечивают десятилетия безотказной работы без технического обслуживания.
Свариваемость и соображения, связанные с обработкой
Листы из углеродистой стали, как правило, обладают отличной свариваемостью, особенно низкоуглеродистые марки (A36, A572 класс 50). Эти стали можно сваривать с использованием традиционных методов без специальной предварительной или последующей термообработки для большинства толщин. Технологии сварки хорошо отработаны и широко известны, что способствует эффективному изготовлению изделий и снижению затрат. Однако высокоуглеродистые стали требуют тщательного предварительного подогрева и последующей термообработки для предотвращения водородного растрескивания.
Сварка листов из легированной стали предъявляет более сложные требования. Наличие легирующих элементов повышает прокаливаемость и значения эквивалента углерода, что делает эти стали более склонными к водородному растрескиванию в зоне термического влияния (ЗТВ). Сварка листов из легированной стали обычно требует предварительного подогрева до определённых температур (100–300 °C в зависимости от марки и толщины), строгого контроля температуры между проходами, применения сварочных материалов с низким содержанием водорода, а также часто — термообработки после сварки (снятие остаточных напряжений или отпуск) для восстановления ударной вязкости и снижения остаточных напряжений. Например, при сварке стали ASTM A514 требуется предварительный подогрев до 100–200 °C, а температура между проходами не должна превышать 200 °C. Хотя процесс сварки является более сложным и требует высокой технической квалификации, полученные сварные соединения обладают механическими свойствами, соответствующими высокопрочному основному материалу.
Рассмотрение стоимости и доступность
Плиты из углеродистой стали, как правило, стоят дешевле плит из легированной стали благодаря их более простому химическому составу и менее сложным производственным процессам. Более низкая стоимость материала и отличная обрабатываемость делают углеродистую сталь стандартным выбором для общестроительных применений, где не предъявляются экстремальные требования к эксплуатационным характеристикам. Углеродистая сталь широко доступна в стандартных марках, формах и размерах от множества производителей по всему миру, что обеспечивает конкурентоспособные цены и короткие сроки поставки.
Листы из легированной стали стоят дороже из-за добавления легирующих элементов, более сложных производственных процессов и, как правило, более строгих требований к контролю качества. Однако в тех областях применения, где можно использовать улучшенные эксплуатационные характеристики легированной стали — например, для снижения массы при сохранении прочности, увеличения срока службы в агрессивных средах или обеспечения работоспособности при повышенных температурах — более высокая первоначальная стоимость материала часто оправдана экономией на протяжении всего жизненного цикла и повышением надежности оборудования. Для специализированных применений листы из легированной стали могут выпускаться только отдельными металлургическими заводами и иметь увеличенные сроки поставки.
Области применения и критерии выбора
Выбор между листами из углеродистой и легированной стали определяется конкретными требованиями применения. Листы из углеродистой стали являются предпочтительным материалом для общестроительных работ, несущих конструкций, мостов, колонн и балок зданий, а также компонентов общего машиностроения, где решающими факторами являются умеренная прочность и экономическая эффективность. Они также применяются для сосудов под давлением (ASTM A516), трубопроводов и технологических труб (API 5L), корпусов судов, резервуаров для хранения и основ тяжелого оборудования.
Легированные стальные листы применяются в ответственных областях, где требуются улучшенные эксплуатационные характеристики. Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали широко используются при строительстве мостов, тяжёлой техники и в транспортных системах, где критически важна снижение массы конструкции. Хромомолибденовые легированные стали (ASTM A387) необходимы для сосудов под давлением и котлов, работающих при повышенных температурах. Износостойкие легированные стальные листы (AR400, AR500) применяются в горнодобывающем оборудовании, ковшах экскаваторов и компонентах систем транспортировки материалов, подвергающихся сильному абразивному износу. Погодостойкие стальные листы используются при строительстве мостов, поскольку защитный патиновый слой исключает необходимость окраски и снижает затраты на техническое обслуживание в течение всего срока службы. Закалённые и отпущенные легированные стальные листы (ASTM A514) применяются для стрел кранов, рам тяжёлых транспортных средств и высоконагруженных конструкционных элементов, где требуется исключительно высокое отношение прочности к массе. При выборе между углеродистыми и легированными стальными листами инженеры должны оценить условия эксплуатации, требуемые механические свойства, возможности обработки, совокупную стоимость жизненного цикла и доступность материалов, чтобы обеспечить оптимальные эксплуатационные характеристики и экономическую эффективность.
