碳钢与不锈钢

1699 意见 2025-05-09 15:34:51

理解 碳钢与不锈钢 特征, 优点, 每个工程师的限制至关重要, 设计师, 制造商, 以及参与物质选择的任何人.

选择正确类型的钢铁可以显着影响项目的性能, 长寿, 成本, 和安全.

该权威指南将深入研究 碳钢与不锈钢, 提供全面的理解，使您有能力做出明智的决定.

1. 介绍

钢提供多功能性，因为合金元素和热处理可以针对特定特性进行调整.

这种适应性导致了多元化的钢家族, 每个都适合不同的环境和压力.

其中, 碳钢和不锈钢之间的区别是工程师最常见的考虑因素之一.

1.1 碳钢与不锈钢比较的重要性

之间的选择 碳钢与不锈钢 不仅是学术练习.

它具有深刻的实践意义.

这两种类型的钢提供了截然不同的性能概况, 特别令人担忧:

• 耐腐蚀性能: 这通常是主要区别, 不锈钢表现出对生锈和其他形式的腐蚀的较高耐药性.
• 机械性能: 力量, 硬度, 韧性, 延展性可能会有很大差异.
• 成本: 碳钢通常更便宜, 但是不锈钢由于其耐用性可能会提供更好的长期价值.
• 美学: 不锈钢通常是为了干净而选择的, 现代外观.
• 制造和可加工性: 构图的差异会影响这些钢的轻易切割, 形成, 并焊接.

做出不适当的选择会导致组件过早失败, 增加维护成本, 安全危害, 或不必要的昂贵产品.

所以, 对碳钢与不锈钢辩论的透彻了解对于优化任何给定应用的材料选择至关重要, 从日常餐具和建筑梁到高科技航空航天组件和医疗植入物.

2. 基本概念和分类

有效比较 碳钢与不锈钢, 我们必须首先对定义每种材料的定义的清晰了解, 他们的基本构图, 及其主要分类.

2.1 碳钢

许多人认为碳钢是使用最广泛的工程材料，因为它以相对较低的成本提供了出色的机械性能.

它的定义特征是它依赖碳作为影响其特性的主要合金元素.

定义:

碳钢是铁和碳的合金, 其中碳是主要的间隙合金元件，可增强纯铁的强度和硬度. 其他合金元素通常少量存在, 通常作为炼钢过程中的残留物，或故意添加少量以完善特性, 但是它们并没有显着改变其作为碳钢的基本特征.

作品:

美国钢铁学院 (美国钢铁协会) 将碳钢定义为钢:

1. 标准不需要铬的最低内容, 钴, 铌 (铌), 钼, 镍, 钛, 钨, 钒, 锆, 或为特定合金效应添加的任何其他元素.
2. 铜的指定最低不超过 0.40 百分比.
3. 或针对以下任何一个元素指定的最大内容均未超过所注明的百分比: 锰 1.65, 硅 0.60, 铜 0.60.

关键要素是 碳 (C), 典型的内容范围从痕迹到大约 2.11% 按重量.

超越这个碳含量, 合金通常被归类为铸铁.

• 锰 (锰): 通常在场 1.65%. 它有助于力量和硬度, 充当脱氧剂和脱硫器, 并提高热工作性.
• 硅 (和): 通常要 0.60%. 它充当脱氧剂，并略微提高强度.
• 硫 (S) 和磷 (磷): 这些通常被认为是杂质. 硫会在高温下引起脆性 (炎热的短缺), 磷可能在低温下引起脆性 (寒冷的短缺). 他们的水平通常保持低 (例如, <0.05%).

碳钢:

碳钢主要根据其碳含量进行分类, 因为这对它们的机械性能具有最大的影响:

1. 低碳钢 (低碳钢):
   • 碳含量: 通常包含 0.25% – 0.30% 碳 (例如, 美国钢铁协会 1005 到 1025).
   • 特性: 相对较软, 延展性的, 并容易加工, 形成, 并焊接. 与较高的碳钢相比，较低的拉伸强度. 最便宜的类型.
   • 微观结构: 主要是铁氧体和一些珠光体.
   • 应用领域: 汽车车身板, 结构形状 (工字钢, 渠道), 管道, 施工组件, 食品罐, 和一般金属工作.
2. 中碳钢:
   • 碳含量: 通常范围从 0.25% – 0.30% 到 0.55% – 0.60% 碳 (例如, 美国钢铁协会 1030 到 1055).
   • 特性: 提供良好的力量平衡, 硬度, 韧性, 和延性. 对热处理的反应 (调质) 进一步增强机械性能. 更难形成, 焊接, 比低碳钢切割.
   • 微观结构: 与低碳钢相比，珠光体的比例增加.
   • 应用领域: 齿轮, 轴, 车轴, 曲轴, 联轴器, 铁路轨道, 机械零件, 以及需要更高强度和耐磨性的组件.
3. 高碳钢 (碳工具钢):
   • 碳含量: 通常范围从 0.55% – 0.60% 到 1.00% – 1.50% 碳 (例如, 美国钢铁协会 1060 到 1095). 一些分类可能会将其扩展到约2.1％.
   • 特性: 很难, 强的, 并在热处理后具有良好的耐磨性. 然而, 它不太延性，更坚硬 (更脆) 比低碳钢. 更难焊接和机器.
   • 微观结构: 主要是珠光石和泥石石.
   • 应用领域: 切割工具 (凿子, 演习), 斯普林斯, 高强度线, 打孔, 死了, 以及极端硬度和耐磨性是主要要求的应用.
4. 超高碳钢:
   • 碳含量: 大约 1.25% 到 2.0% 碳.
   • 特性: 可以恢复到巨大的硬度. 用于专业, 非工业目的等刀具, 车轴, 或打孔.

基于碳含量的这种分类对于理解 碳钢与不锈钢 比较, 当它设置了碳钢的基线特性.

2.2 不锈钢

不锈钢因其出色的耐腐蚀性而在大多数碳钢中脱颖而出.

该特征来自其特定合金组成.

定义:

不锈钢是铁合金，其中包含 10.5% 铬 (铬) 按质量.

铬形成被动的, 钢表面上的自我修复氧化物层, 保护它免受腐蚀和染色.

正是这种铬含量主要将不锈钢与其他钢质区分开.

作品:

除了铁和定义铬, 不锈钢可能包含其他各种合金元素，以增强特定特性，例如可配合性能, 力量, 和特定环境中的耐腐蚀性.

• 铬 (铬): 基本要素, 最低限度 10.5%. 较高的铬含量通常会改善耐腐蚀性.
• 镍 (在): 经常添加以稳定奥氏体结构 (请参阅下面的类型), 改善延展性, 韧性, 和可焊性. 还可以增强某些环境中的耐腐蚀性.
• 钼 (莫): 改善对蚀刻和缝隙腐蚀的耐药性, 特别是在含氯化物的环境中 (像海水). 还会增加温度升高的强度.
• 锰 (锰): 可以用作奥氏体稳定剂 (在某些年级中部分替换镍) 并提高力量和热功能.
• 硅 (和): 充当脱氧剂，并在高温下提高对氧化的抗性.
• 碳 (C): 出现在不锈钢中, 但是它的内容通常经过精心控制. 在奥氏体和铁素体等级, 通常优选碳较低以防止敏化 (碳化物沉淀, 降低耐腐蚀性). 在马氏体等级, 硬度需要更高的碳.
• 氮 (氮): 增加强度和蚀耐腐蚀性, 并稳定奥氏体结构.
• 其他元素: 钛 (的), 铌 (铌), 铜 (铜), 硫 (S) (以提高某些等级的可加工性), 硒 (和), 铝 (铝), ETC。, 可以为特定目的添加.

不锈钢类型:

不锈钢主要根据其冶金微结构进行分类, 由它们的化学成分决定 (特别是铬, 镍, 和碳含量):

奥氏体不锈钢:

高铬和镍, 提供出色的耐腐蚀性, 成形性, 和可焊性.

通常用于食品加工, 医疗设备, 和建筑应用. 热处理不可用.

铁质不锈钢:

包含更高或没有镍的较高铬. 更具成本效益, 磁的, 并适度耐腐蚀.

通常用于汽车排气系统和家用电器. 不能加热用于硬化.

马氏体不锈钢:

较高的碳含量可以通过热处理加热. 以高硬度和力量而闻名.

用于刀子, 阀门, 和机械零件.

双工不锈钢:

结合奥氏体和铁素体结构, 提供高强度和出色的耐腐蚀性.

诸如海洋之类的苛刻环境的理想选择, 化学加工, 和管道系统.

降水硬化 (PH值) 不锈钢:

可以通过热处理达到非常高的强度，同时保持良好的耐腐蚀性.

在航空航天和高强度机械组件中常见.

了解这些基本的分类对于欣赏的差别至关重要 碳钢与不锈钢 比较.

至少存在 10.5% 不锈钢中的铬是其定义特征的基石: 耐腐蚀性能.

3. 核心绩效差异分析: 碳钢与不锈钢

使用的决定 碳钢与不锈钢 通常取决于其核心性能特征的详细比较.

而两者都是铁的合金, 它们的不同组成导致它们在各种条件下的行为方式有很大的差异.

3.1 耐腐蚀性能

可以说，这是在 碳钢与不锈钢 辩论.

碳钢:

碳钢耐腐蚀性不佳.

当暴露于水分和氧气时, 碳钢中的铁很容易氧化以形成氧化铁, 通常称为锈蚀.

这个锈蚀层通常是多孔和片状的, 对基础金属没有保护, 允许腐蚀继续, 可能导致结构性失败.

腐蚀的速度取决于湿度等环境因素, 温度, 盐的存在 (例如, 在沿海地区或去冰盐), 和污染物 (例如, 硫化合物).

预防或减慢腐蚀, 碳钢几乎总是需要保护性涂层 (例如, 画, 镀锌, 电镀) 或其他腐蚀控制措施 (例如, 阴极保护).

 

不锈钢:

不锈钢, 由于其最小 10.5% 铬含量, 表现出极好的耐腐蚀性.

铬在环境中与氧气反应，形成非常薄的, 顽强, 透明的, 和自我修复氧化铬的被动层 (cr₂o₃) 表面上.

这个被动层充当障碍, 防止基础铁的进一步氧化和腐蚀.

如果表面被刮擦或损坏, 铬与氧气迅速反应以改革该保护层, 这种现象通常被称为“自我修复”。

不锈钢中耐腐蚀性的程度因特定合金组成而异:

• 较高的铬含量通常会改善耐腐蚀性.
• 镍增强了一般腐蚀性和对某些酸的耐药性.
• 钼可显着提高对蚀刻和缝隙腐蚀的耐药性, 尤其是在富含氯化物的环境中.

奥氏体不锈钢 (喜欢 304 和 316) 通常提供最佳的全方位耐腐蚀性.

铁素体等级也提供良好的抵抗力, 而马氏体成绩, 由于它们较高的碳含量和不同的微观结构, 通常比具有相似铬水平的奥氏体或超级耐腐蚀性的耐腐蚀性.

双链不锈钢对特定形式的腐蚀具有极好的抵抗力，例如应力腐蚀破裂.

耐腐蚀的摘要: 在 碳钢与不锈钢 比较, 不锈钢是固有腐蚀性的明显赢家.

3.2 硬度和耐磨性

硬度是材料对局部塑性变形的抵抗力, 例如凹痕或刮擦.

耐磨性是其抵抗因摩擦而造成的损害和物质损失的能力, 磨损, 或侵蚀.

碳钢:

碳钢的硬度和耐磨性主要取决于其碳含量和热处理.

• 低碳钢相对较软，耐磨损性较差.
• 中碳钢可以达到中等硬度和耐磨性, 尤其是热处理后.
• 高碳钢可以进行热处理 (淬火和脾气暴躁) 要达到很高的硬度和出色的耐磨性, 使它们适合切割工具和穿零件. 碳化物的存在 (像铁碳化物, fe₃c或水泥岩) 在微观结构中，耐磨性显着贡献.

不锈钢:

不锈钢的硬度和耐磨性在不同类型的情况下差异很大:

• 奥氏体不锈钢 (例如, 304, 316) 在他们的退火状态下相对较软，但可以通过寒冷的工作来大大硬化 (应变硬化). 他们通常具有适度的耐磨性 (滑动表面之间的粘附引起的磨损形式) 在高载荷下没有润滑的情况下.
• 铁素体不锈钢也相对较软，而不是通过热处理而硬化. 他们的耐磨性通常是中等的.
• 马氏体不锈钢 (例如, 410, 420, 440C) 专门设计以通过热处理加固. 他们可以达到非常高的硬度水平 (与高碳钢相当甚至超过) 并表现出极好的耐磨性, 特别是碳和铬含量较高的成绩，形成坚硬的碳化物.
• 双链不锈钢通常具有更高的硬度和更好的耐磨性，因为它们的强度更高.
• 降水硬化 (PH值) 不锈钢也可以在适当的衰老治疗后达到非常高的硬度和良好的耐磨性.

硬度和耐磨性的摘要:

比较时 碳钢与不锈钢 对于这些属性:

• 经过热处理的高碳钢和热处理的马氏体不锈钢可以达到最高水平的硬度和耐磨性.
• 奥氏体和铁素不锈钢通常比硬化碳钢或马氏体不锈钢具有较低的耐磨损性, 除非有明显的冷工 (奥氏体).

3.3 韧性和影响力

韧性是材料吸收能量和塑料变形前的能力. 冲击阻力是指其突然的能力, 高速载荷 (影响).

碳钢:

碳钢的韧性与其碳含量和硬度成反比.

• 低碳钢通常非常坚硬和延性, 表现出良好的冲击力, 特别是在房间和温度升高. 然而, 它们在非常低的温度下会变脆 (延性到脆性过渡温度, DBTT).
• 中碳钢提供了合理的力量和韧性平衡.
• 高碳钢, 特别是当变硬时, 韧性较低，更脆弱, 意味着它们具有较低的影响力.

热处理 (像淬火后的响应) 对于优化培养基和高碳钢的韧性至关重要.

不锈钢:

韧性随不锈钢的类型而变化很大:

• 奥氏体不锈钢 (例如, 304, 316) 表现出极好的韧性和影响力, 甚至是低温温度. 他们通常不会显示延性到脆性的过渡. 这使它们非常适合低温应用.
• 铁素体不锈钢通常的韧性低于奥氏体, 特别是在较厚的部分或低温下. 他们可以展示DBTT. 有些成绩长时间暴露于中等温度后，容易发生“ 475°C的封闭”.
• 马氏体不锈钢, 当变硬到高强度水平时, 往往具有较低的韧性，如果不适当的情况下，可能会很脆弱. 回火改善韧性，但通常以硬度为代价.
• 双工不锈钢通常提供良好的韧性, 在同等强度水平上，通常优于铁素体等级，比马氏体等级更好, 虽然通常不如高温下的奥氏体等级高.
• pH不锈钢可以达到良好的韧性以及高强度, 取决于特定的老化治疗.

韧性和影响力的摘要:

在 碳钢与不锈钢 语境:

• 奥氏体不锈钢通常提供韧性和抗冲击力的最佳组合, 特别是在低温下.
• 低碳钢也很艰难，但可以受到其DBTT的限制.
• 高碳钢和坚硬的马氏体不锈钢往往具有较低的韧性.

3.4 拉伸强度和伸长

抗拉强度 (极限拉伸强度, 悉尼科技大学) 材料在颈部拉伸或拉动时可以承受的最大压力是可以承受的吗.

伸长是延展性的量度, 代表材料在破裂前可以变形多少.

碳钢:

• 抗拉强度: 随着碳含量和热处理的增加而增加 (对于中和高碳钢).
  • 低碳钢: 〜400-550 MPA (58-80 克西)
  • 中碳钢 (退火): 〜550-700 MPA (80-102 克西); (热处理): 可以更高, 最多 1000+ 兆帕.
  • 高碳钢 (热处理): 可以超过 1500-2000 兆帕 (217-290 克西) 对于某些成绩和治疗.
• 伸长: 通常随着碳含量和强度的增加而降低. 低碳钢非常延性 (例如, 25-30% 伸长), 而硬化的高碳钢的伸长率很低 (<10%).

不锈钢:

• 抗拉强度:
  • 奥氏体 (例如, 304 退火): 〜515-620 MPA (75-90 克西). 寒冷的工作可以显着增加 (例如, 结束 1000 兆帕).
  • 铁素体 (例如, 430 退火): 〜450-520 MPA (65-75 克西).
  • 马氏体 (例如, 410 热处理): 可以从约500 MPA到超过 1300 兆帕 (73-190 克西) 取决于热处理. 440C可以更高.
  • 复式 (例如, 2205): 〜620-800 MPA (90-116 克西) 或更高.
  • pH钢 (例如, 17-4pH热处理): 可以实现很高的优势, 例如, 930-1310 兆帕 (135-190 克西).
• 伸长:
  • 奥氏体: 在退火状态下出色的伸长率 (例如, 40-60%), 随着冷工作减少.
  • 铁素体: 中等伸长 (例如, 20-30%).
  • 马氏体: 较低的伸长率, 尤其是在变硬至高强度水平时 (例如, 10-20%).
  • 复式: 良好的伸长 (例如, 25% 或更多).

拉伸强度和伸长的摘要:

这 碳钢与不锈钢 比较显示了两者的广泛范围:

• 两个家庭都可以通过合金和热处理获得很高的拉伸强度 (高碳钢和马氏体/pH不锈钢).
• 低碳钢和退火的奥氏体不锈钢可提供最佳的延展性 (伸长).
• 两者的高强度版本往往具有较低的延展性.

3.5 外观和表面处理

美学和表面饰面通常是重要的考虑因素, 特别是对于消费产品或建筑应用.

碳钢:

碳钢通常有一个沉闷的, 原始状态的哑光灰色外观. 它容易表面氧化 (生锈) 如果没有保护, 对于大多数应用程序，这在美学上是不可取的.
表面处理: 改善外观并提供腐蚀保护, 碳钢几乎总是得到处理的. 常见治疗包括:

• 绘画: 多种颜色和饰面.
• 粉末涂料: 耐用和吸引人的饰面.
• 镀锌: 用锌涂层以保护腐蚀 (导致斑点或哑光灰色外观).
• 电镀: 与其他金属这样的涂料等铬 (装饰性铬), 镍, 或用于外观和保护的镉.
• 混合或黑色氧化物涂料: 具有轻度耐腐蚀性和黑暗外观的化学转换涂层, 通常用于工具和枪支.

不锈钢:

不锈钢以其吸引力而闻名, 明亮的, 和现代外观. 被动氧化铬层是透明的, 允许金属光泽显示.
表面饰面: 不锈钢可以提供各种磨机饰面或进一步处理以实现特定的美学效果:

• 磨机 (例如, 不. 1, 2乙, 2D): 从沉闷到中等反射不等. 2b是常见的通用冷饰面.
• 抛光饰面 (例如, 不. 4, 不. 8 镜子): 可以从拉丝缎面外观 (不. 4) 高度反射的镜子饰面 (不. 8). 这些是通过机械磨损来实现的.
• 纹理饰面: 图案可以被浮雕或滚动到表面，以进行装饰或功能目的 (例如, 改进的抓地力, 眩光减少).
• 彩色不锈钢: 通过改变被动层厚度的化学或电化学过程, 创建干涉颜色, 或通过PVD (物理蒸气沉积) 涂料.

不锈钢通常不需要涂漆或涂层以保护腐蚀, 这可能是重要的长期维护优势. 它固有的表面通常是选择的关键原因.

外观和表面处理的摘要:

在 碳钢与不锈钢 外观比较:

• 不锈钢提供自然具有吸引力和耐腐蚀的饰面，可以进一步增强.
• 碳钢需要表面处理美学和腐蚀保护.

4. 耐腐蚀性比较: 碳钢与不锈钢 (深入)

耐腐蚀性的差异对于 碳钢与不锈钢 决定保证更详细的检查.

4.1 基本腐蚀机制

腐蚀是材料的逐渐破坏 (通常金属) 通过化学或电化学反应与其环境.

对于钢等铁合金, 最常见的形式是生锈.

• 碳钢腐蚀 (生锈):
  当碳钢暴露于包含氧气和水分的环境时 (甚至空中湿度), 在其表面形成电化学电池.
  1. 阳极反应: 铁 (铁) 原子失去电子 (氧化) 成为铁离子 (fe²⁺):
     fe→fe²⁺ + 2e⁻
  2. 阴极反应: 氧 (O₂) 和水 (h₂o) 在表面上接受这些电子 (减少):
     O₂ + 2h₂o + 4E→4OH⁻ (在中性或碱性条件下)
     或o₂ + 4h⁺ + 4e⁻→2h₂o (在酸性条件下)
  3. 生锈的形成: 铁离子 (fe²⁺) 然后与氢氧化离子反应 (哦) 并用氧气进一步形成各种水合铁氧化物, 统称为生锈. 一种常见的形式是氢氧化铁, 铁(哦)₃, 然后将脱水脱水至fe₂o₃·nh₂o.
     fe²⁺ + 2哦→fe(哦)₂ (亚铁氧化物)
     4铁(哦)₂ + O₂ + 2Huit→4fe(哦)₃ (铁氧化铁 - 生锈)
     碳钢上形成的锈蚀层通常是:

• 多孔: 它允许水分和氧气渗透到基础金属上.
• 非戒律/片状: 它很容易脱离, 暴露新鲜金属以进一步腐蚀.
• 庞然大物: 生锈占比原始铁大的体积, 这可能会导致约束结构的压力和损害.

因此, 除非金属受到保护，否则碳钢腐蚀是一种自传播过程.

4.2 碳钢的抗腐蚀措施

由于其对腐蚀的敏感性, 当在水分和氧气环境中使用时，碳钢几乎总是需要保护措施.

常见策略包括:

1. 保护涂料: 在钢和腐蚀环境之间建立物理障碍.
   • 油漆和有机涂料: 提供障碍物，还可以包含腐蚀抑制剂. 需要适当的表面准备才能良好. 受到损坏和风化, 需要重新施法.
   • 金属涂料:
     • 镀锌: 用锌涂层 (热浸镀锌或电钙化). 锌比铁更具反应性, 因此，它优先腐蚀 (牺牲保护或阴极保护) 即使涂层被刮擦.
     • 电镀: 用铬等金属涂料, 镍, 锡, 或镉. 有些提供障碍保护, 其他的 (像镍上的铬) 提供装饰性耐磨的表面.
   • 转换涂层: 化学处理等化学处理，例如磷酸化或黑色氧化物涂料, 会造成薄, 具有轻度耐腐蚀性并改善油漆粘附的粘附层.
2. 合金 (低合金钢): 铜等元素的少量添加, 铬, 镍, 磷可以通过形成更坚固的锈蚀层来稍微改善大气腐蚀性 (例如, 像cor-ten®这样的“风化钢”). 然而, 这些仍然与不锈钢不媲美.
3. 阴极保护: 使碳钢结构成为电化学电池的阴极.
   • 牺牲阳极: 连接更具反应性的金属 (像锌, 镁, 或铝) 那腐蚀而不是钢.
   • 印象深刻的电流: 应用外部直流电流迫使钢成为阴极.
     用于管道等大型结构, 船体, 和储罐.
4. 环境控制: 修改环境以使其不太腐蚀性, 例如, 除湿, 在封闭系统中使用腐蚀抑制剂.

这些措施增加了使用碳钢的成本和复杂性，但对于实现可接受的服务寿命通常是必需的.

4.3 “自我修复”不锈钢的被动氧化物膜

形成:

不锈钢 (≥10.5％Cr) 形成薄, 稳定的氧化铬 (cr₂o₃) 当暴露于氧气时层 (空气或水):
2铬 + 3/2 o₂→cr₂o₃
这种被动膜只有1-5纳米厚，但紧密地粘附在表面上，并防止进一步的腐蚀.

主要特性:

• 屏障保护: 阻止腐蚀性元素到达金属.
• 化学稳定: cr₂o₃在大多数环境中抵抗攻击.
• 自我修复: 如果被划伤, 该层立即在氧气中进行改革.
• 透明的: 如此薄，以至于钢的金属光泽仍然可见.

增强被动性的因素:

• 铬: 更多cr =更强的电影.
• 钼 (莫): 提高对氯化物的耐药性 (例如, 在 316).
• 镍 (在): 稳定奥氏体并增强酸中的腐蚀性.
• 清洁表面: 光滑的, 无污染物的表面更好.

限制 - 当被动层失败时:

• 氯化物攻击: 导致斑点和缝隙腐蚀.
• 还原酸: 可以溶解被动层.
• 缺氧: 无氧=无钝化.
• 致敏: 热处理不当会在晶界导致铬耗尽; 通过低碳或稳定等级缓解 (例如, 304L, 316L).

结论:

虽然不可能, 不锈钢的自我修复被动膜使它优越, 低维护耐腐蚀性 - 其最大优势比碳钢.

5. 碳钢与不锈钢: 加工制造

化学组成和微观结构之间的差异 碳钢与不锈钢 也导致其在普通处理和制造操作过程中的行为变化.

5.1 切割, 成型, 和焊接

这些是基本的制造过程, 钢铁类型的选择显着影响它们.

切割:

• 碳钢:
  • 低碳钢通常很容易使用各种方法切割: 剪切, 锯, 等离子切割, 氧气燃料切割 (火焰切割), 和激光切割.
  • 随着碳含量的增加，中等和高碳钢变得更难切割. 氧气切割仍然有效, 但是对于较高的较高碳等级可能需要预热以防止破裂. 加工 (锯, 铣削) 需要更硬的工具材料和较慢的速度.
• 不锈钢:
  • 奥氏体不锈钢 (例如, 304, 316) 与碳钢相比，以其高的工作率和较低的导热率而闻名. 这可能会使他们更具挑战性的机器 (切, 钻头, 磨). 他们需要锋利的工具, 刚性设置, 速度较慢, 较高的进料, 良好的润滑/冷却以防止工具磨损和工件硬化. 血浆切割和激光切割有效. 它们通常不会用氧气燃料方法切割，因为氧化铬会阻止该过程所需的氧化.
  • 铁素体不锈钢通常比奥氏体更容易机动, 行为更接近低碳钢, 但可以有点“软糖”。
  • 在他们退火状态下的马氏体不锈钢是可加工的, 但可能具有挑战性. 处于坚强状态, 它们很难加工，通常需要磨.
  • 双工不锈钢迅速具有高强度和工作, 使它们比奥氏体更难机加工. 他们需要强大的工具和优化参数.

成型 (弯曲, 绘画, 冲压):

• 碳钢:
  • 低碳钢由于其出色的延展性和低屈服强度而高度可. 它们可以在不破裂的情况下经历明显的塑性变形.
  • 中和高碳钢的形成性降低. 形成通常需要更多的力, 较大的弯曲半径, 并且可能需要在高温或退火状态下完成.
• 不锈钢:
  • 奥氏体不锈钢由于其高延展性和良好的伸长率非常可观, 尽管他们倾向于工作. 工作硬化实际上在某些形成操作中可以有益，因为它增加了形成的部分的强度. 然而, 这也意味着与低碳钢相比，可能需要更高的形成力, 和弹回可以更明显.
  • 铁素体不锈钢通常具有良好的形成性, 类似于或小于低碳钢, 但与奥斯汀学相比，它们的延展性较低可能受到限制.
  • 马氏体不锈钢的形成性差, 尤其是在硬化状态. 通常以退火状态进行形成.
  • 双链不锈钢的强度高，延展性较高, 使它们更难形成. 他们需要更高的形成力和仔细注意弯曲半径.

焊接:

整体制造: 在 碳钢与不锈钢 一般制造的比较, 低碳钢通常是最简单，最便宜的. 奥氏体不锈钢, 虽然可以形成且可焊接, 提出独特的挑战，例如工作硬化，需要不同的技术和消耗品.

5.2 热处理过程

热处理涉及对金属的控制加热和冷却以改变其微观结构并实现所需的机械性能.

碳钢:

碳钢, 特别是中和高碳等级, 对各种热处理的反应很高:

• 退火: 加热和缓慢冷却以软化钢, 提高延展性和可加工性, 并减轻内部压力.
• 标准化: 在临界温度和空气冷却以上加热以完善晶粒结构并改善特性的均匀性.
• 硬化 (淬火): 加热到奥斯丁化温度，然后快速冷却 (淬火) 在水中, 油, 或空气将奥氏体变成马氏体, 一个非常艰难的阶段. 只有足够碳含量的钢 (通常 >0.3%) 可以通过淬火大大硬化.
• 回火: 重新加热淬火 (硬化) 钢达到临界范围以下的特定温度, 持有一段时间, 然后冷却. 这降低了脆性, 缓解压力, 并改善韧性, 通常会减少硬度和力量. 最终特性由回火温度控制.
• 表面硬化 (化石, 硝化, ETC。): 表面硬化处理，将碳或氮扩散到低碳钢的表面上，以产生硬, 耐磨外壳，同时保持坚硬的核心.

不锈钢:

在不同类型的不锈钢中，热处理反应差异很大:

• 奥氏体不锈钢: 无法通过热处理来硬化 (调质) 因为它们的奥氏体结构是稳定的.
  • 退火 (固溶退火): 加热到高温 (例如, 1000-1150°C或1850-2100°F) 然后快速冷却 (较厚部分的水淬灭) 溶解任何沉淀的碳化物并确保完全奥氏体结构. 这使材料变软, 减轻寒冷工作的压力, 并最大化耐腐蚀性.
  • 舒缓压力: 可以在较低的温度下完成, 但是需要注意以避免在非L或非稳定等级中敏感.
• 铁质不锈钢: 通常不能通过热处理. 它们通常被退火以改善延展性和缓解压力. 如果保持在某些温度范围.
• 马氏体不锈钢: 专门设计以通过热处理加固. 该过程涉及:
  • 奥斯丁化: 加热至高温形成奥斯丁岩.
  • 淬火: 快速冷却 (在油或空气中, 取决于等级) 将奥斯丁矿转变为马氏体.
  • 回火: 重新加热到特定的温度以达到所需的硬度平衡, 力量, 和韧性.
• 双工不锈钢: 通常在溶液解散和淬火状态下提供. 退火处理 (例如, 1020-1100°C或1870-2010°F) 对于实现正确的铁氧体 - 厄斯特式相位平衡并消除任何有害的金属间阶段至关重要.
• 降水硬化 (PH值) 不锈钢: 接受两阶段的热处理:
  • 解决方案处理 (退火): 类似于奥氏体退火, 将合金元素放入固定溶液中.
  • 老化 (沉淀硬化): 加热到中等温度 (例如, 480-620°C或900-1150°F) 在特定的时间内使金属间颗粒沉淀, 大大增加力量和硬度.

这 碳钢与不锈钢 比较表明，尽管许多碳钢很大程度上依赖于淬火和降温的最终特性, 不锈钢的热处理方法更加多样, 根据其特定的微观结构量身定制.

6. 碳钢与不锈钢: 应用领域

独特的特性 碳钢与不锈钢 自然会导致他们在不同的应用领域受到青睐. 选择是由性能要求驱动的, 环境条件, 长寿期望, 和成本.

6.1 不锈钢的应用区域

不锈钢的主要优势（抗腐蚀性）与其美学吸引力相结合, 卫生特性, 和许多年级的优势, 使其适用于广泛苛刻的应用:

食品加工和烹饪:

• 设备: 坦克, 大桶, 管道, 输送机, 食品和饮料植物中的制备表面 (通常为304L, 316L用于卫生和耐腐蚀性).
• 炊具和餐具: 花盆, 锅, 刀, 叉子, 汤匙 (各种等级 304, 410, 420, 440C).
• 厨房用具: 水槽, 洗碗机内饰, 冰箱门, 烤箱.

医疗和药物:

• 手术器械: 手术刀, 钳子, 夹具 (像马氏体一样 420, 440C用于硬度和清晰度; 316升的一些奥氏体).
• 医疗植入物: 关节更换 (臀部, 膝盖), 骨螺钉, 种植牙 (生物相容性等级，例如316LVM, 钛也很常见).
• 药品设备: 船只, 管道, 以及需要高纯度和耐腐蚀性清洁剂的组件.

化学和石化行业:

• 坦克, 船只, 和反应堆: 用于储存和加工腐蚀化学物质 (316L, 双工钢, 更高合金的奥氏体).
• 管道系统: 运输腐蚀性流体.
• 热交换器: 需要耐腐蚀性和热传递的地方.

建筑与施工:

• 外墙和外墙: 为了耐用性和美学吸引力 (例如, 304, 316).
• 屋顶和闪烁: 持久和耐腐蚀.
• 扶手, 栏杆, 和装饰性装饰: 现代外观和低维护.
• 结构成分: 在腐蚀性环境或需要高强度的地方 (双工钢, 一些奥氏体部分).
• 混凝土加固 (钢筋): 在高度腐蚀性环境中的结构的不锈钢钢筋 (例如, 沿海地区的桥梁) 为了防止由于生锈的膨胀而引起的混凝土剥落.

汽车和运输:

• 排气系统: 催化转化器壳, 消声器, 尾管 (铁素体等级 409, 439; 一些用于更高性能的奥氏体).
• 油箱和线条: 用于耐腐蚀性.
• 装饰和装饰零件.
• 公共汽车和火车中的结构组件.

航天:

• 高强度组件: 发动机零件, 起落架组件, 紧固件 (pH不锈钢, 一些马氏体等级).
• 液压管和燃油管线.

海洋环境:

• 船配件: 防滑钉, 栏杆, 螺旋桨, 轴 (316L, 双链钢，用于上氯化物的耐药性).
• 离岸油气平台: 管道, 结构件.

发电:

• 涡轮刀片: (马氏体和pH等级).
• 热交换器管, 冷凝器管.
• 核电厂组件.

纸浆和造纸工业:

暴露于腐蚀性漂白化学品的设备.

6.2 碳钢的应用领域

碳素钢, 由于其良好的机械性能, 通过热处理多功能, 出色的表现性 (对于低碳等级), 而且成本明显降低, 仍然是大量应用的材料，在这些应用中，极端耐腐蚀不是主要问题或可以得到充分保护的材料.

建筑和基础设施:

• 结构形状: 工字钢, h梁, 渠道, 构建框架的角度, 桥梁, 和其他结构 (通常低至中碳钢).
• 加固条 (钢筋): 用于混凝土结构 (尽管不锈钢在恶劣的环境中使用).
• 管道: 用于水, 气体, 和机油传输 (例如, API 5L等级).
• 薄板堆和粉底堆.
• 屋顶和壁板 (经常涂层): 镀锌或涂漆的钢板.

汽车行业:

• 车身和底盘: 盖章面板, 框架 (各种低级和中碳钢, 包括高强度的低合金 (HSLA) 钢是一种带有微合同的碳钢).
• 发动机组件: 曲轴, 连杆, 凸轮轴 (中碳, 锻造的钢).
• 齿轮和轴: (中至高碳钢, 经常被牢固或经过牢固).
• 紧固件: 螺栓, 坚果, 螺丝.

机械和工具:

• 机器框架和基地.
• 齿轮, 轴, 耦合, 轴承 (通常是专业的碳或合金钢).
• 工具: 手动工具 (锤子, 扳手 - 中碳), 切削工具 (演习, 凿子 - 高碳).
• 农业设备: 犁, 哈罗斯, 结构件.

能源领域:

• 管道: 用于石油和天然气运输 (如前所述).
• 储罐: 用于油, 气体, 和水 (通常带有内部涂料或阴极保护).
• 钻水和套管.

铁路运输:

• 铁路轨道 (导轨): 高碳, 耐磨钢.
• 车轮和车轴.
• 货车.

造船 (船体结构):

• 虽然不锈钢用于配件, 大多数大型商业船的主要船体结构是由碳钢制成的 (各种年级的海洋钢等级等级, AH36, D36) 由于成本和可焊性, 具有广泛的腐蚀保护系统.

制造工具和模具:

• 高碳钢 (工具钢, 可以是普通的碳或合金的) 用于打孔, 死了, 模具, 和切割工具由于能够将其硬化到高水平的能力.

这 碳钢与不锈钢 应用比较表明，碳钢在成本和强度是主要驱动因素的地方主导，并且可以管理腐蚀, 尽管 不锈钢 在耐腐蚀性的地方脱颖而出, 卫生, 或特定的美学/高温特性至关重要.

7. 成本分析和经济学: 碳钢与不锈钢

经济方面是 碳钢与不锈钢 决策过程. 这不仅涉及初始材料成本，还涉及处理, 维护, 和生命周期成本.

7.1 比较原材料成本

碳钢:

一般来说, 碳钢的较低 初始购买价格 每单位重量 (例如, 每磅或每公斤) 与不锈钢相比. 这主要是因为:

• 丰富的原材料: 铁和碳很容易获得，相对便宜.
• 更简单的合金: 它不需要昂贵的合金元素，例如铬, 镍, 或大量钼.
• 成熟的生产过程: 碳钢的生产是一个高度优化的大规模过程.

不锈钢:

由于不锈钢本质上是由于:

• 合金元素的成本: 主要的成本驱动因素是提供其“不锈钢”特性的合金元素:
  • 铬 (铬): 最低限度 10.5%, 通常要高得多.
  • 镍 (在): 奥氏体等级的重要组成部分 (喜欢 304, 316), 镍是一种相对昂贵的金属，市场价格波动.
  • 钼 (莫): 添加以增强耐腐蚀性 (例如, 在 316), 这也是一个昂贵的元素.
  • 其他元素，例如钛, 铌, ETC。, 也增加成本.
• 更复杂的生产: 不锈钢制造工艺, 包括熔化, 精制 (例如, 氩氧脱氧 - AOD), 并控制精确的构图, 与碳钢相比，可能更复杂和能量密集型.

7.2 处理和维护成本

初始材料成本只是经济方程的一部分.

处理成本 (制造):

• 碳钢:
  • 加工: 通常更容易，更快地机器, 导致较低的工具成本和劳动时间.
  • 焊接: 低碳钢很容易使用较便宜的消耗品和更简单的程序焊接. 较高的碳钢需要更专业 (而且昂贵) 焊接程序.
  • 成型: 低碳钢很容易用下部力形成.
• 不锈钢:
  • 加工: 可能更困难, 尤其, 由于工作硬化和较低的导热率. 这通常会导致加工速度较慢, 增加工具磨损, 和更高的人工成本.
  • 焊接: 需要专门的填充金属, 通常更熟练的焊工, 并仔细控制热量输入. 气屏蔽 (例如, Tig的氩气) 是必不可少的.
  • 成型: 奥氏体等级是可成立的，但由于工作硬化而需要更高的力. 其他等级可能更具挑战性.
    全面的, 不锈钢组件的制造成本通常高于相同的碳钢组件.

维护成本:

这是 碳钢与不锈钢 比较通常会在长期内支持不锈钢, 特别是在腐蚀性环境中.

• 碳钢:
  • 需要初始防护涂层 (绘画, 镀锌).
  • 这些涂层具有有限的寿命，需要定期检查, 维修, 并在组件的整个使用寿命中重新申请以防止腐蚀. 这涉及劳动, 材料, 并有可能停机.
  • 如果腐蚀没有充分管理, 结构完整性可能会受到损害, 导致昂贵的维修或更换.
• 不锈钢:
  • 通常，由于其固有的被动层，需要最小的维护以保护腐蚀.
  • 保持外观, 特别是在表面沉积的环境中, 可能需要定期清洁，但通常比重新涂抹碳钢要少频率和更强度.
  • 被动膜的“自我修复”性质意味着较小的划痕通常不会损害其耐腐蚀性.

维护的大幅减少可以通过不锈钢节省大量的长期成本.

7.3 生命周期成本 (LCC) 和回收

真正的经济比较应考虑材料的整个生命周期.

生命周期成本 (LCC):

LCC分析包括:

1. 初始材料成本
2. 制造和安装成本
3. 运营成本 (如果有与材料有关的)
4. 预期的服务寿命维护和维修成本
5. 生命尽头处置或回收价值

当考虑LCC时, 在应用中，不锈钢通常比碳钢更经济:

• 环境具有腐蚀性.
• 维护访问是困难或昂贵的.
• 维护的停机时间是不可接受的.
• 需要长时间的使用寿命.
• 不锈钢的美学价值和清洁度很重要.
  不锈钢的初始成本较高，可以通过较低的维护费用和更长的时间来抵消, 更可靠的服务生活.

回收:

碳钢和不锈钢都是高度可回收的材料, 这是一个重要的环境和经济优势.

• 碳钢: 广泛回收. 钢废料是新钢生产的主要组成部分.
• 不锈钢: 也可以高度回收. 合金元素 (铬, 镍, 钼) 在不锈钢中，钢铁废料很有价值，可以在生产新的不锈钢或其他合金中回收和重复使用. 与初级生产相比，这有助于节省维珍资源并减少能源消耗. 不锈钢废料的内在价值更高，这通常比碳钢废料更高的价格.

可回收性通过在使用寿命结束时提供剩余价值来对两种材料的LCC积极贡献.

8. 材料选择指南: 碳钢与不锈钢

选择之间 碳钢与不锈钢 需要系统的方法, 考虑应用程序的特定要求和每种材料的特性.

本节提供了一个指南，以帮助浏览此选择过程.

8.1 功能需求分析

第一步是明确定义组件或结构的功能要求:

机械载荷和应力:

预期的拉伸是什么, 抗压, 剪, 弯曲, 或扭转负荷?

加载是静态还是动态 (疲劳)?

是否预期影响负载?

指导:

工程师可以选择经过热处理的高碳钢或高强度不锈钢（如马氏体）, PH值, 或双工成绩需要很高的强度.

出于一般的结构目的，中等负载, 中碳钢或普通不锈钢等级 304/316 (特别是如果寒冷的话) 或6061-T6可以足够.

如果高韧性和影响力至关重要, 特别是在低温下, 奥氏体不锈钢是优越的.

低碳钢也很艰难.

工作温度:

组件会在环境中运行吗, 高架, 或低温温度?

指导:

奥氏体不锈钢在低温温度下保持良好的强度和出色的韧性.

一些不锈钢等级 (例如, 304H, 310, 321) 在升高温度下提供良好的蠕变性和强度.

碳钢在低温下会失去韧性 (DBTT) 和高温下的力量 (蠕变).

特定合金碳钢用于高温服务 (例如, 锅炉管).

耐磨性和耐磨性:

该组件会受到滑动吗, 擦, 或磨料颗粒?

指导:

高磨损抗性, 许多人选择热处理的高碳钢或硬化的马氏体不锈钢（如440c）.

奥氏体不锈钢可以轻松胆怯; 如果担心磨损，请考虑表面处理或更艰难的成绩.

可调性和可焊性要求:

设计是否涉及复杂形状需要大量形成?

组件会焊接吗?

指导:

高表现性, 低碳钢或退火奥氏体不锈钢 (像304-o) 很棒.

如果焊接是制造的主要部分, 通常，低碳钢和奥斯丁质不锈钢比更高的碳钢或马氏体不锈钢更容易焊接.

考虑特定等级的可焊性.

8.2 环境和安全考虑

服务环境和任何关键安全方面都是至关重要的:

腐蚀性环境:

环境的本质是什么 (例如, 大气, 淡水, 咸水, 化学暴露)?

指导:

这是不锈钢通常成为默认选择的地方.

温和的大气: 带有涂层的碳钢可能就足够. 304 SS可改善寿命.

海洋/氯化物: 316 SS, 双工SS, 或更高的合金. 碳钢需要强大而连续的保护.

化学: 特定的不锈钢等级 (或其他专业合金) 量身定制化学物质.

卫生要求:

是食品加工中的应用吗, 医疗的, 或清洁度和无反应性至关重要的制药行业?

指导:

大多数人更喜欢不锈钢，尤其是奥斯丁式等级，例如304L和316L，以使其光滑, 非孔表面, 易于清洁, 和阻止污染的耐腐蚀性.

美学要求:

组件的视觉外观很重要?

指导:

不锈钢提供多种诱人耐用的饰面.

碳钢需要绘画或镀金以进行美学.

磁性:

应用程序是否需要非磁性材料, 还是可以接受/可取的磁性?

指导:

碳钢总是磁性的.

奥氏体不锈钢 (退火) 是非磁性的.

铁素体, 马氏体, 双链不锈钢是磁性的.

安全关键性:

物质故障的后果是什么 (例如, 经济损失, 环境损害, 受伤, 丧生)?

指导:

用于关键安全应用, 工程师通常采用更保守的方法, 通常选择更昂贵的材料，这些材料在服务环境中提供更高的可靠性和可预测性.

如果腐蚀是碳钢的故障风险，这可能会倾向于特定的不锈钢等级.

8.3 综合决策矩阵: 碳钢与不锈钢

决策矩阵可以帮助系统地比较选项.

以下分数是一般的 (1 =糟糕, 5 =极好); 每个家庭中的特定成绩进一步完善了他们.

简化决策矩阵 - 碳钢与不锈钢 (一般比较)

做出正确的选择 碳钢与不锈钢 困境需要理解材料科学的融合, 申请要求, 和经济现实.

9. 常问问题: 碳钢与不锈钢

Q1: 碳钢和不锈钢之间的主要区别是什么?

一个: 主要区别是铬含量 - 不良钢至少具有 10.5%, 形成抵抗腐蚀的保护性氧化物层, 虽然碳钢缺乏这种缺乏，而生锈没有保护.

Q2: 不锈钢总是比碳钢好?

一个: 不锈钢并不总是更好 - 这取决于应用.

它提供了较高的耐腐蚀性和美学性.

而碳钢可能更强壮, 更难, 易于机械或焊接, 而且通常更便宜.

最好的材料是适合特定性能的材料, 耐用性, 和成本需求.

Q3: 为什么不锈钢比碳钢贵?

一个: 不锈钢更昂贵，主要是由于成本昂贵的合金元素，例如铬, 镍, 和钼, 及其更复杂的制造过程.

Q4: 我可以将不锈钢焊接到碳钢?

一个: 使用不同的金属焊接焊接不锈钢向碳钢焊接需要特殊护理.

挑战包括不同的热扩展, 碳迁移, 和潜在的电腐蚀.

使用填充金属 309 或者 312 不锈钢有助于桥梁材料差异. 适当的联合设计和技术至关重要.

10. 结论

比较 碳钢与不锈钢 揭示了两个非常广泛但截然不同的铁质合金系, 每个都有独特的属性概况, 优点, 和限制.

碳素钢, 由其碳含量定义, 提供广泛的机械性能, 良好的成型性 (特别是低碳等级), 和出色的可焊性, 全部以相对较低的初始成本.

它的阿喀琉斯高跟鞋, 然而, 是其固有的腐蚀敏感性, 在大多数环境中需要采取保护措施.

不锈钢, 以其最低为特征 10.5% 铬含量, 由于被动的形成，主要通过其出色的抵抗腐蚀能力来区分自己, 自修复氧化铬层.

除此之外, 不锈钢的不同家族 - austenitic, 铁素体, 马氏体, 双工, 和pH-包括多种机械性能, 从出色的韧性和延展性到极端硬度和力量, 以及吸引人的美学.

这些增强的特性, 然而, 以较高的初始材料成本获得，并且通常涉及更专业的制造技术.

两者之间的决定 碳钢与不锈钢 不是一个人普遍优越另一个问题.

反而, 选择取决于对特定应用程序要求的彻底分析.