Jeklo: definicija, klasifikacija, kemična sestava in uporaba

Kako pogosto slišimo besedo "jeklo". In tega ne izrekajo le strokovnjaki v jeklarski industriji, temveč tudi navadni ljudje. Brez jekla ni trdne strukture. Ko govorimo o kovini, imamo v mislih izdelek iz jekla. Iz česa je narejen in kako se razvršča.

Opredelitev

Jeklo je verjetno najbolj priljubljena zlitina na osnovi železa in ogljika. Delež slednjega se giblje med 0,1 in 2,14 %, medtem ko delež prvega ne sme biti nižji od 45 %. Enostavna proizvodnja in razpoložljivost surovin sta odločilni za njegovo razširitev na vsa področja človekovega delovanja.

Glavna stran značilnosti materiala se razlikujejo glede na kemično sestavo. Opredelitev jekla kot zlitine, sestavljene iz dveh komponent, železa in ogljika, je nepopolna. Vsebuje lahko na primer krom za zagotavljanje toplotne odpornosti in nikelj za zagotavljanje odpornosti proti koroziji.

Obvezne sestavine materiala prispevajo k dodatnim koristim. Zaradi železa je na primer zlitina duktilna in se pod določenimi pogoji zlahka deformira, zaradi ogljika pa je hkrati močna in trda ter krhka. Zato je njegov delež v celotni masi jekla tako majhen. Na podlagi metode izdelave zlitine je bila ugotovljena 1-odstotna vsebnost mangana in 0,4-odstotna vsebnost silicija. Pri taljenju kovine se pojavijo številne nečistoče, ki se jih poskušajo znebiti. Poleg fosforja in žvepla tudi kisik in dušik škodujeta materialu, zaradi česar postane manj trden in se spremeni njegova duktilnost.

Razvrstitev

Opredelitev jekla kot kovine z določeno Nabor značilnosti, o tem seveda ni dvoma. Vendar pa je sestava materiala tista, ki nam omogoča, da ga razvrstimo na več načinov. Na primer, kovine se razlikujejo na naslednji način:

• S kemijo;
• strukturno;
• kakovost;
• po namenu;
• glede na stopnjo deoksidacije;
• po trdoti;
• varljivost jekla.

Opredelitev jekla, njegova kakovost in vse njegove značilnosti bodo opisane v nadaljevanju.

Označevanje

Na žalost za jeklo ni svetovnega imena, kar zelo otežuje trgovanje med državami. V Rusiji je bil opredeljen alfanumerični sistem. Črke označujejo imena elementov in način deoksidacije, številke pa njihove količine.

Kemična sestava

Jeklo lahko razdelimo po kemični sestavi na dva načina. V sodobnih učbenikih se razlikuje med karbonatnim in legiranim materialom.

Prvo označuje jekla z nizkim, srednjim in visokim deležem ogljika, drugo pa jekla z nizkim, srednjim in visokim deležem zlitine. Nizkoogljično jeklo je kovina, ki lahko v skladu z GOST 3080-2005 poleg železa vsebuje naslednje sestavine:

• Do 0,2 % ogljika. Spodbuja toplotno utrjevanje, ki podvoji natezno trdnost in trdoto.
• Do 0,8 % mangana kemično reagira s kisikom in preprečuje nastanek železovega oksida. Kovina, ki bolje prenaša dinamične obremenitve in je bolj dovzetna za termično utrjevanje.
• Silicij do 0,35 %. Izboljša mehanske lastnosti, kot so žilavost, trdnost, varljivost.

V skladu z GOST je opredelitev jekla kot nizkoogljičnega jekla daje kovino, ki poleg koristnih vsebuje številne škodljive nečistoče v naslednjih količinah. To:

• fosfor - do 0,08 % je odgovoren za pojav hladne krhkosti, zmanjšuje vzdržljivost in moč. Zmanjša udarno žilavost kovine.
• Žveplo - do 0,06 %. otežuje oblikovanje kovin in povečuje krhkost pri popuščanju.
• Dušik. zmanjšuje tehnološke in trdnostne lastnosti zlitine.
• Kisik. Zmanjšuje trdnost in zavira orodje pri rezanju.

Opozoriti je treba, da so nizkoogljična ali nizkoogljična jekla posebno mehka in duktilna. Dobro se deformirajo tako v vročem kot v hladnem stanju.

Definicija mehkega jekla in njegova sestava se seveda razlikujeta od zgoraj opisanega materiala. И Največja razlika Največja razlika je v vsebnosti ogljika, ki znaša od 0,2 do 0,45 %. Ta kovina ima nizko duktilnost in žilavost ter odlične lastnosti žilavosti. Jeklo s srednjo vsebnostjo ogljika je običajno določeno za normalno uporabo in aplikacije z visokimi obremenitvami.

Pri vsebnosti ogljika nad 0,5 % pa je takšno jeklo znano kot visokoogljično jeklo. Ima povečano trdoto, zmanjšano plastičnost in duktilnost ter se uporablja pri vročem in hladnem oblikovanju orodij in delov.

Poleg ugotavljanja prisotnosti ogljika v jeklu je mogoče material opredeliti tudi s prisotnostjo dodatnih jeklenih nečistoč. Če so kovini poleg običajnih elementov namenoma dodani krom, nikelj, baker, vanadij, titan in dušik v kemično vezanem stanju, se kovina imenuje legirana. Takšni dodatki zmanjšujejo tveganje krhkega zloma, povečujejo korozijsko odpornost in trdnost. Količina kroma in označuje stopnjo legiranja jekla:

• Nizko legirani - do 2,5 % legiranja;
• srednje legirani - med 2,5 in 10
• Do 50 % v visoko legiranih jeklih.

Kaj to pomeni? Povečanje katere koli lastnosti jekla lahko na primer dosežemo z

1. Dodajanje kroma. Pozitivno vpliva na mehanske lastnosti - že 2 % skupne prostornine.
2. Z dodatkom 1 % do 5 % niklja se poveča meja temperaturne žilavosti. in zmanjšuje krhkost zaradi mraza.
3. Mangan deluje podobno kot nikelj, čeprav je precej cenejši. Vendar pa se poveča občutljivost kovine na pregrevanje.
4. Volfram je dodatek za tvorbo karbidov, ki zagotavlja visoko trdoto. Ker pri segrevanju zavira rast zrn.
5. Molibden je drag dodatek. Poveča toplotno odpornost hitroreznih jekel.
6. Silicij. Poveča odpornost proti kislinam, duktilnost in odpornost proti vodnemu kamnu.
7. Titan. V kombinaciji s kromom in manganom lahko prispeva k drobnozrnati strukturi.
8. Baker. Izboljša lastnosti odpornosti proti koroziji.
9. Aluminij. Poveča toplotno odpornost, poveča obseg in udarno trdnost.

Struktura

Ugotavljanje sestave jekla ne bi bilo popolno, če ne bi preučili njegove strukture. Vendar ta ni konstantna in je lahko odvisna od številnih dejavnikov, kot so: režim toplotne obdelave, hitrost ohlajanja, stopnja legiranja. Strukturo jekla je treba določiti po žarjenju ali normalizaciji. Po žarjenju se kovina razdeli na

• Predevtektična struktura - s prekomerno količino ferita;
• Evtektoid, ki je sestavljen iz perlita;
• zevtektoid - s sekundarnimi karbidi;
• Ledeburit - s primarnimi karbidi;
• avstenitna - s kristalno mrežo s središčem na površini;
• Ferit - s kubično volumetrično centrirano mrežo.

Razred jekla se lahko določi po normalizaciji. Razume se kot vrsta toplotne obdelave, ki vključuje segrevanje, zadrževanje in naknadno ohlajanje. Razlikujemo med perlitnimi, avstenitnimi in feritnimi vrstami.

Kakovost

Opredeljene so bile štiri vrste kakovosti. Ti:

1. Jekla običajne kakovosti so jekla z vsebnostjo ogljika do 0,6 %, ki se talijo v odprtih pečeh ali konverterjih s kisikom. Ta jekla veljajo za najcenejša in so slabša od jekla drugih skupin. Primeri takih jekel so St0, St3sp, St5kp.
2. Kakovost. Najmočnejši predstavniki te vrste so te vrste so St08kp, St10ps, St20. Topijo se v istih pečeh, vendar z višjimi zahtevami glede polnilnega in proizvodnega procesa.
3. Visokokakovostna jekla se talijo v električnih pečeh, ki zagotavljajo večjo čistost materiala glede nekovinskih vključkov, kar pomeni boljše mehanske lastnosti. Ti materiali vključujejo St20A, St15X2MA.
4. Izjemno visoke kakovosti - izdelani s posebno metalurgijo. V njih se opravi elektrolitsko pretaljevanje žlindre, ki zagotavlja čiščenje sulfidov in oksidov. Jekli te vrste sta St18CrNiNrSH in St20CrNiNrSH.

Konstrukcijska jekla

To je verjetno najlažji in najpreprostejši znak za splošno javnost. Razlikujemo med konstrukcijskimi, orodnimi in specialnimi jekli. Konstrukcijska jekla se običajno delijo na:

1. Gradbena jekla so ogljikova jekla običajne kakovosti in nizko legirana jekla. Zanje velja več zahtev, med katerimi je najpomembnejša dovolj visoka varivost. Primeri so StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementni izdelki se uporabljajo za izdelke, ki so izpostavljeni površinski obrabi in vzporednim dinamičnim obremenitvam. To so nizkoogljična jekla St15, St20, St25 in nekatera legirana jekla: St15Х, St20Х, St15ХФ, St20ХН, St12ХNЗА, St18Х2Н4ВА, St18Х2Н4МА, St18ХГТ, St20ХГР, St30ХГТ.
3. Za hladno kovanje uporabljajo kakovostne hladno oblikovane nizkoogljične vzorce. Kot so St08Yu, St08ps, St08kp.
4. kaljiva jekla, ki se izboljšajo s kaljenjem in visokim popuščanjem. To so jekla s srednjo vsebnostjo ogljika (St35, St40, St45, St50), kromova jekla (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) ter krom-krom-mangan, krom-nikelj-molibden in krom-nikelj.
5. Vzmetna jekla imajo elastične lastnosti in jih ohranjajo dolgo časa, saj imajo visoko odpornost proti utrujanju in zlomu. To so ogljikova jekla St65, St70 in legirana jekla (St60С2, St50ХГС, St60С2ХФА, St55ХГР).
6. Vzorci z visoko trdnostjo so tisti, ki imajo dvakrat večjo trdnost od drugih konstrukcijskih jekel, doseženo s toplotno obdelavo in kemično sestavo. To so večinoma jekla s srednjo vsebnostjo ogljika, kot so St30CrNi2A, St40CrNi2MA, St30CrNiSA, St38CrNi3MA, StOzN18K9M5T, St04CrNi9M2D2Tu.
7. Za jekla za kroglične ležaje so značilni posebna robustnost, visoka stopnja odpornosti proti obrabi in trdnost. Zanje veljajo stroge zahteve, da ne smejo vsebovati nobenih vključkov. Med njimi so visokoogljična jekla s kromovo komponento (StShKh9, StShKh15).
8. Avtomobilska jekla so opredeljena na naslednji način. To so vzorci za uporabo v proizvodnji neodgovornih izdelkov, kot so kot vijaki, matice, vijaki. Ti deli so običajno obdelani z rezanjem. Cilj je torej povečati obdelovalnost delov z dodajanjem telurja, selena, žvepla in svinca v material. Ti aditivi med strojno obdelavo ustvarjajo krhke in kratke drobce ter zmanjšujejo trenje. Glavna imena za ta avtomobilska jekla so StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Korozijsko odporna jekla vključujejo legirana jekla Vsebnost kroma je približno 12 %, saj na površini tvori oksidno plast, ki preprečuje nastanek korozije. Predstavniki teh zlitin so St12X13, St20X17H2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NUT,
10. Vzorci, odporni proti obrabi, se uporabljajo v izdelkih, ki delujejo pri abrazivnem trenju, udarcih in visokem tlaku. Primeri vključujejo dele železniških tirov, opremo za drobljenje in polaganje, kot je St110G13L.
11. Toplotno odporna jekla lahko delujejo pri visoki vročini. Uporabljajo se pri izdelavi cevi ter delov plinskih in parnih turbin. Na splošno so to visoko legirani nizkoogljični vzorci, ki vsebujejo nikelj, lahko pa tudi dodatke, kot so molibden, nobij, titan, volfram in bor. Primeri so St15CrM, St25Cr2M1F, St20Cr2MVF, St40Cr2M, St12Cr18Ni9T, StXN62MVKY.
12. Toplotno odporni so še posebej odporni na kemično razgradnjo v zraku, plinu in peči, oksidacijskem in karburizacijskem okolju, pri hudih obremenitvah pa kažejo odpornost proti lezenju. Predstavniki te vrste so St15CX5, St15CX6CM, St40CX9C2, St20CX20H14C2.

Orodna jekla

V tej skupini se zlitine delijo na štancanje, za rezalna in merilna orodja. Stiskarska jekla so dveh vrst.

• Material za hladno oblikovanje mora imeti visoko stopnjo trdote, trdnosti, odpornosti proti obrabi in toplotne odpornosti. vendar imajo zadostno žilavost (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Za material za vročo obdelavo sta značilni dobra trdnost in žilavost. Poleg odpornosti proti obrabi in vodnemu kamnu (St5CrNiM, St5CrNiV, St4CrZvMF, St4Cr5V2FS).

Jekla za merilna orodja morajo biti poleg odpornosti proti obrabi in trdote dimenzijsko stabilna in enostavna za brušenje. Te zlitine se uporabljajo za izdelavo meril, nosilcev, šablon, ravnil, lestvic in ploščic. Primeri so zlitine StU8, St12X1, StXVG, StX12F1.

Identifikacija skupin jekel za rezalna orodja je razmeroma enostavna. Takšne zlitine morajo imeti dolgotrajno sposobnost rezanja in visoko trdoto, tudi če so izpostavljene vročini. Ti vključujejo ogljikova jekla in legirana jekla orodna jekla in hitrorezna jekla. V nadaljevanju so navedena nekatera bolj reprezentativna jekla: StU7, StU13A, St9HS, StHVG, StR6M5, StRUK5F5.

Deoksidacija zlitine

Stopnje deoksidacije se nanašajo na tri vrste jekla: mirujoče, polmirujoče in vrelo. Izraz se nanaša na odstranjevanje kisika iz tekoče zlitine.

Mirno jeklo med strjevanjem ne proizvaja skoraj nobenih plinov. Razlog za to je popolna odstranitev kisika in nastanek krčitvene jame na vrhu ingota, ki se nato obreže.

V polklimnem jeklu se plini delno sproščajo, tj. več kot pri mirujočem, vendar manj kot pri vrelišču. Ni potopa kot v prejšnjem primeru, vendar se na vrhu tvorijo mehurčki.

Zlitine, ki vrejo, med strjevanjem oddajajo velike količine plina, v prečnem prerezu pa je precej enostavno opaziti razliko v kemijski sestavi med zgornjo in spodnjo plastjo.

Trdota

Ta izraz se nanaša na sposobnost materiala, da se upre močnejšim, prodornim. Za določanje trdote jekla lahko uporabimo tri metode: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Po Brinellovi metodi se kaljena jeklena kroglica vtisne v brušeno površino vzorca. S pregledom premera odtisa določimo trdoto.

Preskusna metoda trdote po Rockwellu. Temelji na izračunu globine prodora konice v obliki diamantnega stožca s kotom 120 stopinj.

Vickers v testni kos vtisne štiristransko diamantno piramido. S kotom 136 stopinj na nasprotnih straneh.

Ali lahko trdoto jekla določimo brez Kemijska analiza? Strokovnjaki s področja metalurgije lahko določijo kakovost jekla z iskrico. Določanje trdote kovin je mogoče s strojno obdelavo. Na primer:

• Jeklo HVG ima temno škrlatne iskre z rumeno-rdečimi lisami in snopi. Na koncih razvejanih pramenov so svetlo rdeče zvezde, na sredini pa rumene kepe.
• Jeklo P18 opredeljujejo tudi temno škrlatne iskre z rumenimi in rdečimi nitkami na začetku, vendar so nitke ravne in se ne razvejijo. Na koncih žarkov se pojavijo iskre z enim ali dvema svetlo rumenima kristaloma.
• Jekla XG, XX, SX15, SX9 kažejo rumene iskre s svetlimi zvezdicami. In rdeči madeži na vejicah.
• U12F ima svetlo rumene iskre z debelimi, grobimi zvezdicami. z več rdeče-rumenimi šopki.
• Jekli 15 in 20 imata svetlo rumene iskre, veliko razvejitev in zvezdic. Vendar le nekaj grozdov.

Določanje jekla z iskro je dovolj natančna metoda za strokovnjake. Vendar pa filistri ne morejo opredeliti kovine samo na podlagi barve iskre.

Varljivost

Sposobnost kovin, da pod določenimi pogoji tvorijo spoj, je znana kot varljivost jekel. To se lahko določi po določitvi vsebnosti železa in ogljika.

Za nizkoogljična jekla velja, da se dobro varijo. Ko vsebnost ogljika presega 0,45 %, se varljivost poslabša, najbolj pa se poslabša pri visoki vsebnosti ogljika. Razlog za to je tudi večja heterogenost materiala, na mejah zrn pa nastanejo sulfidni vključki, ki povzročajo razpoke in povečane notranje napetosti.

Tudi legirne komponente imajo negativen učinek in poslabšajo sklep. Kemični elementi, kot so krom, molibden, mangan, silicij, vanadij, fosfor, veljajo za najbolj neugodne za varjenje.

Vendar pa je opazovanje procesa pri delu Pri nizkolegiranih jeklih je dober odstotek varljivosti brez uporabe posebnih ukrepov. Varljivost je mogoče določiti po oceni številnih pomembnih lastnosti materiala, vključno z:

• Hitrost ohlajanja.
• Kemična sestava.
• Vrsta začetne kristalizacije in strukturne spremembe med varjenjem.
• sposobnost kovine, da tvori razpoke.
• Nagnjenost materiala, da tvori tvorbe, ki se strdijo.