Čelik: definicija, klasifikacija, kemijski sastav i primjena

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

Koliko često čujemo riječ "čelik". I to izgovaraju ne samo profesionalci u području metalurške proizvodnje, već i građani. Nijedna jaka konstrukcija nije potpuna bez čelika. Zapravo, kada govorimo o nečemu metalnom, mislimo na proizvod od čelika. Hajde da saznamo od čega se sastoji i kako je klasificiran.

Definicija

Čelik je možda najpopularnija legura, koja se temelji na željezu i ugljiku. Štoviše, udio potonjih kreće se od 0,1 do 2,14%, dok prvi ne može biti manji od 45%. Lakoća proizvodnje i dostupnost sirovina od presudne su važnosti u distribuciji ovog metala u sva područja ljudske djelatnosti.

Glavne karakteristike materijala variraju ovisno o njegovom kemijskom sastavu. Definicija čelika kao legure koja se sastoji od dvije komponente, željeza i ugljika, ne može se nazvati potpunom. Može uključivati, na primjer, krom za otpornost na toplinu i nikal za otpornost na koroziju.

Potrebne komponentematerijali pružaju dodatne pogodnosti. Dakle, željezo čini leguru savitljivom i lako deformabilnom pod određenim uvjetima, a ugljik čini čvrstoću i tvrdoću istovremeno s lomljivošću. Zato je njegov udio tako mali u ukupnoj masi čelika. Određivanje načina proizvodnje legure dovelo je do sadržaja mangana u njoj u iznosu od 1% i silicija - 0,4%. Postoji niz nečistoća koje se pojavljuju tijekom taljenja metala i kojih se pokušavaju riješiti. Zajedno s fosforom i sumporom, kisik i dušik također degradiraju svojstva materijala, čineći ga manje izdržljivim i mijenjajući duktilnost.

Klasifikacija

Definicija čelika kao metala s određenim skupom karakteristika, naravno, nesumnjivo je. Međutim, upravo njegov sastav omogućuje razvrstavanje materijala u nekoliko smjerova. Tako se, na primjer, metali razlikuju po sljedećim značajkama:

• o kemikalijama;
• strukturno;
• po kvaliteti;
• kako je predviđeno;
• prema stupnju deoksidacije;
• po tvrdoći;
• o zavarljivosti čelika.

Definicija čelika, označavanje i sve njegove karakteristike bit će opisane u nastavku.

Označavanje

Nažalost, ne postoji globalna oznaka čelika, što uvelike komplicira trgovinu između zemalja. U Rusiji je definiran alfanumerički sustav. Slova označavaju nazive elemenata i način deoksidacije, a brojevi označavaju njihov broj.

Kemijski sastav

Postoje dva načinapodjela čelika prema kemijskom sastavu. Definicija koju daju moderni udžbenici omogućuje razlikovanje ugljika i legiranih materijala.

Prvi atribut definira čelik kao niskougljični, srednje-ugljični i visoko-ugljični, a drugi - niskolegirani, srednje legirani i visokolegirani. Naziva se metal s niskim udjelom ugljika, koji, prema GOST 3080-2005, može uključivati, osim željeza, sljedeće komponente:

• Ugljik - do 0,2%. Pospješuje toplinsko jačanje, zbog čega se vlačna čvrstoća i tvrdoća udvostručuju.
• Mangan u količini do 0,8% aktivno ulazi u kemijsku vezu s kisikom i sprječava stvaranje željeznog oksida. Metal bolje podnosi dinamička opterećenja i podložniji je toplinskom stvrdnjavanju.
• Silicij – do 0,35%. Poboljšava mehanička svojstva kao što su žilavost, čvrstoća, zavarljivost.

Prema GOST-u, definicija čelika kao čelika s niskim udjelom ugljika daje se metalu koji osim korisnih sadrži i niz štetnih nečistoća u sljedećoj količini. Ovo je:

• Fosfor - do 0,08% odgovoran je za pojavu hladnokrhkosti, smanjuje izdržljivost i snagu. Smanjuje žilavost metala.
• Sumpor - do 0,06%. Komplicira obradu metala pritiskom, povećava lomljivost temperamenta.
• Dušik. Smanjuje tehnološka svojstva i svojstva čvrstoće legure.
• Kisik. Smanjuje snagu i ometa alate za rezanje.

Treba napomenuti da je niska odnniskougljični čelici su posebno mekani i duktilni. Dobro se deformiraju i tople i hladne.

Definicija srednjeg ugljičnog čelika kao i njegov sastav se naravno razlikuje od gore opisanog materijala. A najveća razlika je količina ugljika, koja se kreće od 0,2 do 0,45%. Takav metal ima nisku žilavost i duktilnost uz izvrsna svojstva čvrstoće. Srednji ugljični čelik obično se koristi za dijelove koji se koriste pod normalnim opterećenjem.

Ako je sadržaj ugljika veći od 0,5%, tada se takav čelik naziva čelik s visokim udjelom ugljika. Ima povećanu tvrdoću, smanjenu viskoznost, duktilnost i koristi se za štancanje alata i dijelova vrućom i hladnom deformacijom.

Pored identifikacije ugljika prisutnog u čeliku, određivanje karakteristika materijala moguće je kroz prisutnost dodatnih nečistoća u njemu. Ako se, osim običnih elemenata, u metal namjerno unose krom, nikal, bakar, vanadij, titan, dušik u kemijski vezanom stanju, tada se naziva dopiranim. Takvi aditivi smanjuju rizik od krhkog loma, povećavaju otpornost na koroziju i čvrstoću. Njihov broj označava stupanj legiranja čelika:

• niskolegirani - ima do 2,5% legirajućih aditiva;
• srednje legirana - od 2,5 do 10%;
• visoko legirana - do 50%.

Što to znači? Na primjer, povećanje svih svojstava počelo se pružati na sljedeći način:

1. Dodavanje kroma. pozitivanutječe na mehaničke karakteristike već u iznosu od 2% od ukupnog broja.
2. Uvođenje nikla od 1 do 5% povećava temperaturnu granicu viskoznosti. I smanjuje hladnoću.
3. Mangan djeluje na isti način kao nikal, iako je mnogo jeftiniji. Međutim, pomaže povećati osjetljivost metala na pregrijavanje.
4. Volfram je aditiv za stvaranje karbida koji osigurava visoku tvrdoću. Jer sprječava rast zrna kada se zagrijava.
5. Molibden je skup aditiv. Što povećava otpornost na toplinu brzoreznih čelika.
6. Silicij. Povećava otpornost na kiseline, elastičnost, otpornost na kamenac.
7. Titan. Može promovirati finozrnastu strukturu u kombinaciji s kromom i manganom.
8. Bakar. Povećava svojstva protiv korozije.
9. Aluminij. Povećava otpornost na toplinu, skaliranje, žilavost.

Struktura

Određivanje sastava čelika bilo bi nepotpuno bez proučavanja njegove strukture. Međutim, ovaj znak nije konstantan i može ovisiti o brojnim čimbenicima, kao što su: način toplinske obrade, brzina hlađenja, stupanj legiranja. Prema pravilima, čeličnu strukturu treba odrediti nakon žarenja ili normalizacije. Nakon žarenja, metal se dijeli na:

• proeutektoidna struktura - s viškom ferita;
• eutektoid, koji se sastoji od perlita;
• hipereutektoid - sa sekundarnim karbidima;
• ledeburit - s primarnim karbidima;
• austenit - s kristalnom rešetkom usmjerenom na lice;
• feritni - s kubičnom rešetkom u središtu tijela.

Određivanje klase čelika moguće je nakon normalizacije. Podrazumijeva se kao vrsta toplinske obrade, koja uključuje zagrijavanje, držanje i naknadno hlađenje. Ovdje se razlikuju biserni, austenit i feritni razredi.

Kvaliteta

Određivanje vrsta postalo je moguće u smislu kvalitete na četiri načina. Ovo je:

1. Obične kvalitete - to su čelici s udjelom ugljika do 0,6%, koji se tope u otvorenim pećima ili u konverterima pomoću kisika. Smatraju se najjeftinijim i inferiorni su po karakteristikama od metala drugih skupina. Primjer takvih čelika su St0, St3sp, St5kp.
2. Kvaliteta. Istaknuti predstavnici ove vrste su čelici St08kp, St10ps, St20. Tope se u istim pećima, ali s većim zahtjevima za punjenje i proizvodne procese.
3. U električnim pećima tope se visokokvalitetni čelici, što jamči povećanje čistoće materijala za nemetalne inkluzije, odnosno poboljšanje mehaničkih svojstava. Ovi materijali uključuju St20A, St15X2MA.
4. Posebno kvalitetni - izrađuju se po metodi specijalne metalurgije. Podvrgnuti su elektrotroskom pretapanju, što osigurava pročišćavanje od sulfida i oksida. Čelici ove vrste uključuju St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Konstrukcijski čelici

Ovo je možda najjednostavniji i najrazumljiviji znak za laike. Postoje konstrukcijski, alatni i namjenski čelici. Strukturno se obično dijeli na:

1. Građevinski čelici su ugljični čelici uobičajene kvalitete i predstavnici niskolegiranih serija. Podliježu nekoliko zahtjeva, od kojih je glavni zavarljivost na dovoljno visokoj razini. Primjer je StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementirani materijali se koriste za izradu proizvoda koji rade u uvjetima površinskog trošenja i istovremeno doživljavaju dinamička opterećenja. To uključuje čelik s niskim udjelom ugljika St15, St20, St25 i neke legirane: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGKhGKhGT.
3. Za hladno štancanje koriste se valjani listovi od visokokvalitetnih niskougljičnih uzoraka. Kao što su St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Čelici za obradu koji su poboljšani postupkom kaljenja i visokog kaljenja. To su srednje ugljični (St35, St40, St45, St50), krom (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) čelici, kao i krom-silicij-mangan, krom-nikl-molibden i krom-nikl.
5. Opruge imaju elastična svojstva i zadržavaju ih dugo vremena, jer imaju visok stupanj otpornosti na zamor i uništavanje. To su ugljični predstavnici St65, St70 i legiranih čelika (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Uzorci visoke čvrstoće su oni koji imaju dvostruko veću čvrstoću od ostalih konstrukcijskih čelika, što se postiže toplinskom obradom i kemijskim sastavom. U velikoj mjeri, to su legirani čelici srednjeg ugljika, na primjer, St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Kuglični ležajčelike karakterizira posebna izdržljivost, visok stupanj otpornosti na habanje i čvrstoća. Od njih se traži da udovolje zahtjevima za odsutnost raznih vrsta uključivanja. Ovi uzorci uključuju visokougljične čelike sa sadržajem kroma u sastavu (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automatske definicije čelika su sljedeće. To su uzorci za upotrebu u proizvodnji nekritičnih proizvoda kao što su vijci, matice, vijci. Takvi se rezervni dijelovi obično obrađuju strojno. Stoga je glavni zadatak povećanje obradivosti dijelova, što se postiže uvođenjem telurija, selena, sumpora i olova u materijal. Takvi aditivi pridonose stvaranju krhkih i kratkih strugotina tijekom obrade i smanjuju trenje. Glavni predstavnici automatskih čelika označeni su kako slijedi: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Čelici otporni na koroziju su legirani čelici s udjelom kroma od oko 12%, budući da na površini stvara oksidni film koji sprječava koroziju. Predstavnici ovih legura su St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Uzorci otporni na habanje koriste se u proizvodima koji rade pod abrazivnim trenjem, udarima i jakim pritiskom. Primjer su dijelovi željezničkih tračnica, drobilica i strojeva za gusjenice, kao što je St110G13L.
11. Čelici otporni na toplinu mogu raditi na visokoj toplini. Koriste se u proizvodnji cijevi, rezervnih dijelova za plinske i parne turbine. To su uglavnom visokolegirani uzorci s niskim udjelom ugljika, koji nužno sadrže nikal, koji može sadržavati aditive u oblikumolibden, nobij, titan, volfram, bor. Primjer bi bio St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Otporne na toplinu posebno su otporne na kemijska oštećenja u zraku, plinu i peći, oksidirajuća i naugljična okruženja, ali pokazuju puzanje pod teškim opterećenjima. Predstavnici ove vrste su St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Alatni čelici

U ovoj grupi legure se dijele na matrice, za rezne i mjerne alate. Postoje dvije vrste čelika za kalupe.

• Materijal za hladno oblikovanje treba imati visok stupanj tvrdoće, čvrstoće, otpornosti na habanje, otpornosti na toplinu. Ali imaju dovoljnu viskoznost (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materijal za vruće oblikovanje ima dobru čvrstoću i žilavost. Uz otpornost na habanje i otpornost na kamenac (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Mjerni alatni čelici, osim otpornosti na habanje i tvrdoće, moraju biti dimenzijski stabilni i laki za mljevenje. Od ovih legura izrađuju se kalibri, spajalice, šabloni, ravnala, vage, pločice. Primjer bi bile legure StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Određivanje grupa čelika za alate za rezanje je prilično jednostavno. Takve legure moraju imati sposobnost rezanja i visoku tvrdoću dugo vremena, čak i kada su podvrgnute toplini. To uključuje alat od ugljika i legure, kao ibrzorezni čelici. Ovdje možete imenovati sljedeće istaknute predstavnike: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Deoksidacija legure

Određivanje čelika prema stupnju deoksidacije podrazumijeva njegove tri vrste: mirno, polumirno i kipuće. Sam koncept se odnosi na uklanjanje kisika iz tekuće legure.

Tihi čelik gotovo ne ispušta plinove tijekom skrućivanja. To je zbog potpunog uklanjanja kisika i stvaranja šupljine skupljanja na vrhu ingota, koja se zatim odsiječe.

U polumirnom čeliku plinovi se djelomično oslobađaju, odnosno više nego u mirnom čeliku, ali manje nego u kipućim. Ovdje nema ljuske, kao u prethodnom slučaju, već se na vrhu formiraju mjehurići.

Krećuće legure pri skrućivanju oslobađaju veliku količinu plina, a u presjeku je dovoljno jednostavno uočiti razliku u kemijskom sastavu između gornjeg i donjeg sloja.

Tvrdoća

Ovaj koncept se odnosi na sposobnost materijala da se odupre težem prodiranju u njega. Određivanje tvrdoće postalo je moguće korištenjem tri metode: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Prema Brinellovoj metodi, kuglica od kaljenog čelika utiskuje se u tlo površine uzorka. Proučavanjem promjera otiska odredite tvrdoću.

Metoda za određivanje tvrdoće čelika prema Rockwellu. Temelji se na izračunavanju dubine prodiranja vrha dijamantnog konusa od 120 stupnjeva.

Prema Vickersu u testnom uzorkuutisnuta je dijamantna tetraedarska piramida. S kutom od 136 stupnjeva na suprotnim stranama.

Je li moguće odrediti razred čelika bez kemijske analize? Stručnjaci iz područja metalurgije mogu prepoznati kvalitetu čelika po iskri. Određivanje sastojaka metala moguće je tijekom njegove obrade. Tako na primjer:

• CVG čelik ima tamno grimizne iskre sa žuto-crvenim točkicama i pramenovima. Na krajevima razgranatih niti pojavljuju se svijetle crvene zvijezde sa žutim zrncima u sredini.
• P18 čelik se također prepoznaje po tamnocrvenim iskrama sa žutim i crvenim pramenovima na početku, međutim, niti su ravne i nemaju vilice. Na krajevima snopova nalaze se iskre s jednim ili dva svijetložuta zrna.
• Gradovi čelika HG, H, ŠH15, ŠH9 imaju žute iskre sa svijetlim zvjezdicama. I crvena zrna na granama.
• U12F čelik se odlikuje svijetložutim iskrama s gustim i velikim zvijezdama. S nekoliko crvenih i žutih čuperaka.
• Čelici 15 i 20 imaju svijetložute iskre, mnogo vilica i zvjezdica. Ali nekoliko čuperaka.

Određivanje čelika pomoću iskre prilično je točna metoda za stručnjake. Međutim, obični ljudi ne mogu okarakterizirati metal ispitujući samo boju iskre.

Zavarljivost

Svojstvo metala da tvore spoj pod određenim udarom naziva se zavarljivost čelika. Određivanje ovog pokazatelja moguće je nakon što se otkrije sadržaj željeza i ugljika.

Vjeruje se da su dobro spojeni zavarivanjemniskougljični čelici. Kada sadržaj ugljika prijeđe 0,45%, zavarljivost se pogoršava i pogoršava kada je udio ugljika visok. To se također događa jer se povećava nehomogenost materijala, a na granicama zrna ističu se sulfidne inkluzije, što dovodi do stvaranja pukotina i povećanja unutarnjeg naprezanja.

Komponente legure također djeluju, pogoršavajući vezu. Najnepovoljniji za zavarivanje su kemijski elementi kao što su krom, molibden, mangan, silicij, vanadij, fosfor.

Međutim, usklađenost s tehnologijom pri radu s niskolegiranim čelicima osigurava dobar postotak zavarljivosti bez upotrebe posebnih mjera. Određivanje zavarljivosti moguće je nakon procjene brojnih važnih kvaliteta materijala, uključujući:

• Brzina hlađenja.
• Kemijski sastav.
• Prikaz primarne kristalizacije i strukturnih promjena tijekom zavarivanja.
• Sposobnost metala da stvara pukotine.
• Sklonost materijala stvaranju stvrdnjavanja.