Jeklo: definicija, klasifikacija, kemična sestava in uporaba

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 05:41

Kako pogosto slišimo besedo "jeklo". In to ne izgovarjajo le strokovnjaki na področju metalurške proizvodnje, ampak tudi meščani. Nobena močna konstrukcija ni popolna brez jekla. Pravzaprav, ko govorimo o nečem kovinskem, mislimo na izdelek iz jekla. Ugotovimo, iz česa je sestavljen in kako je razvrščen.

Definicija

Jeklo je morda najbolj priljubljena zlitina, ki temelji na železu in ogljiku. Poleg tega se delež slednjih giblje od 0,1 do 2,14 %, prvi pa ne sme biti nižji od 45 %. Enostavnost proizvodnje in razpoložljivost surovin sta odločilnega pomena pri distribuciji te kovine na vsa področja človeške dejavnosti.

Glavne značilnosti materiala se razlikujejo glede na njegovo kemično sestavo. Opredelitve jekla kot zlitine, sestavljene iz dveh komponent, železa in ogljika, ni mogoče imenovati popolne. Lahko vključuje na primer krom za toplotno odpornost in nikelj za odpornost proti koroziji.

Zahtevane komponentemateriali zagotavljajo dodatne prednosti. Torej, železo naredi zlitino temdljivo in zlahka deformirajočo pod določenimi pogoji, ogljik pa hkrati s krhkostjo naredi moč in trdoto. Zato je njegov delež v skupni masi jekla tako majhen. Določitev načina proizvodnje zlitine je privedla do vsebnosti mangana v njej v višini 1% in silicija - 0,4%. Med taljenjem kovine se pojavijo številne nečistoče in se jih poskušajo znebiti. Skupaj s fosforjem in žveplom, kisik in dušik tudi poslabšata lastnosti materiala, zaradi česar je manj trpežen in spreminja duktilnost.

Razvrstitev

Definicija jekla kot kovine z določenim naborom lastnosti je seveda nedvomna. Vendar pa je prav njegova sestava tista, ki omogoča razvrščanje materiala v več smereh. Tako na primer kovine odlikujejo naslednje značilnosti:

• o kemikalijah;
• strukturno;
• po kakovosti;
• kot je predvideno;
• glede na stopnjo deoksidacije;
• po trdoti;
• o varljivosti jekla.

Definicija jekla, oznake in vse njegove značilnosti bodo opisane spodaj.

Označevanje

Na žalost ni globalne oznake jekla, kar močno otežuje trgovino med državami. V Rusiji je opredeljen alfanumerični sistem. Črke označujejo ime elementov in način deoksidacije, številke pa njihovo število.

Kemična sestava

Obstajata dva načinadelitev jekla po kemični sestavi. Opredelitev, ki jo dajejo sodobni učbeniki, omogoča razlikovanje med ogljikom in legiranim materialom.

Prvi atribut opredeljuje jeklo kot nizkoogljično, srednje-ogljično in visokoogljično, drugi pa - nizko legirano, srednje legirano in visoko legirano. Imenuje se kovina z nizko vsebnostjo ogljika, ki lahko po GOST 3080-2005 vključuje poleg železa tudi naslednje komponente:

• Ogljik - do 0,2%. Spodbuja toplotno utrjevanje, zaradi česar se natezna trdnost in trdota podvojita.
• Mangan v količini do 0,8% aktivno vstopa v kemično vez s kisikom in preprečuje nastanek železovega oksida. Kovina bolje prenaša dinamične obremenitve in je bolj dovzetna za toplotno utrjevanje.
• Silicij – do 0,35%. Izboljša mehanske lastnosti, kot so žilavost, trdnost, varivost.

V skladu z GOST je opredelitev jekla kot jekla z nizko vsebnostjo ogljika dana kovini, ki poleg uporabnih vsebuje tudi številne škodljive nečistoče v naslednji količini. To je:

• Fosfor - do 0,08% je odgovoren za pojav hladne krhkosti, poslabša vzdržljivost in moč. Zmanjša žilavost kovine.
• Žveplo - do 0,06%. Otežuje obdelavo kovine s pritiskom, povečuje temperamentno krhkost.
• Dušik. Zmanjša tehnološke in trdnostne lastnosti zlitine.
• Kisik. Zmanjša moč in moti rezalno orodje.

Upoštevati je treba, da nizka oznizkoogljična jekla so še posebej mehka in duktilna. Dobro se deformirajo tako vroče kot hladne.

Definicija srednje ogljikovega jekla in njegova sestava se seveda razlikujeta od zgoraj opisanega materiala. In največja razlika je količina ogljika, ki se giblje od 0,2 do 0,45%. Takšna kovina ima nizko žilavost in duktilnost ter odlične lastnosti trdnosti. Srednje ogljikovo jeklo se običajno uporablja za dele, ki se uporabljajo pri normalnih obremenitvah.

Če je vsebnost ogljika večja od 0,5 %, se takšno jeklo imenuje visokoogljično jeklo. Ima povečano trdoto, zmanjšano viskoznost, duktilnost in se uporablja za žigosanje orodij in delov z vročo in hladno deformacijo.

Poleg identifikacije ogljika, ki je prisoten v jeklu, je mogoče določiti lastnosti materiala s prisotnostjo dodatnih nečistoč v njem. Če se poleg navadnih elementov v kovino namerno vnesejo krom, nikelj, baker, vanadij, titan, dušik v kemično vezanem stanju, potem se imenuje dopirana. Takšni dodatki zmanjšujejo tveganje krhkih zlomov, povečujejo odpornost proti koroziji in trdnost. Njihovo število označuje stopnjo legiranja jekla:

• nizko legirana - vsebuje do 2,5% legirnih dodatkov;
• srednje legirana - od 2,5 do 10%;
• visoko legirana - do 50%.

Kaj to pomeni? Na primer, povečanje vseh lastnosti se je začelo zagotavljati na naslednji način:

1. Dodajanje kroma. pozitivnovpliva na mehanske lastnosti že v višini 2% celotnega zneska.
2. Uvedba niklja od 1 do 5% poveča temperaturno mejo viskoznosti. In zmanjša hladno krhkost.
3. Mangan deluje na enak način kot nikelj, čeprav veliko ceneje. Vendar pa pomaga povečati občutljivost kovine na pregrevanje.
4. Volfram je dodatek, ki tvori karbide in zagotavlja visoko trdoto. Ker preprečuje rast zrn pri segrevanju.
5. Molibden je drag dodatek. Kar poveča toplotno odpornost hitroreznih jekel.
6. Silicij. Poveča odpornost proti kislinam, elastičnost, odpornost na luske.
7. Titan. Lahko spodbuja finozrnato strukturo v kombinaciji s kromom in manganom.
8. Baker. Poveča protikorozijske lastnosti.
9. aluminij. Poveča toplotno odpornost, luščenje, žilavost.

Struktura

Določanje sestave jekla bi bilo nepopolno brez preučevanja njegove strukture. Vendar ta znak ni stalen in je lahko odvisen od številnih dejavnikov, kot so: način toplotne obdelave, hitrost hlajenja, stopnja legiranja. V skladu s pravili je treba jekleno konstrukcijo določiti po žarjenju ali normalizaciji. Po žarjenju je kovina razdeljena na:

• pro-evtektoidna struktura - s presežkom ferita;
• evtektoid, ki je sestavljen iz perlita;
• hiperevtektoid - s sekundarnimi karbidi;
• ledeburit - s primarnimi karbidi;
• avstenit - s kristalno mrežo, osredotočeno na obraz;
• feritna - s kubično telesno osredotočeno mrežo.

Določanje razreda jekla je možno po normalizaciji. Razume se kot vrsta toplotne obdelave, ki vključuje ogrevanje, zadrževanje in naknadno hlajenje. Tu ločimo biserne, avstenitne in feritne stopnje.

Kakovost

Določanje vrst je v smislu kakovosti postalo možno na štiri načine. To je:

1. Navadna kakovost - to so jekla z vsebnostjo ogljika do 0,6 %, ki se talijo v odprtih pečeh ali v pretvornikih s kisikom. Veljajo za najcenejše in so po lastnostih slabše od kovin drugih skupin. Primer takšnih jekel so St0, St3sp, St5kp.
2. Kakovost. Izraziti predstavniki te vrste so jekla St08kp, St10ps, St20. Talijo jih v istih pečeh, vendar z višjimi zahtevami za polnjenje in proizvodne procese.
3. Kakovostna jekla se talijo v električnih pečeh, kar zagotavlja povečanje čistosti materiala za nekovinske vključke, torej izboljšanje mehanskih lastnosti. Ti materiali vključujejo St20A, St15X2MA.
4. Še posebej visokokakovostni - izdelani so po metodi posebne metalurgije. Podvrženi so elektrožlindarskemu taljenju, ki zagotavlja čiščenje iz sulfidov in oksidov. Jekla te vrste vključujejo St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Konstrukcijska jekla

To je morda najbolj preprost in razumljiv znak za laike. Obstajajo konstrukcijska, orodna in jekla za posebne namene. Strukturno je običajno razdeljeno na:

1. Konstrukcijska jekla so ogljikova jekla običajne kakovosti in so predstavniki nizkolegirane serije. Zanje velja več zahtev, od katerih je glavna varivost na dovolj visoki ravni. Primer je StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementirani materiali se uporabljajo za izdelavo izdelkov, ki delujejo v pogojih površinske obrabe in hkrati doživljajo dinamične obremenitve. Sem spadajo nizkoogljična jekla St15, St20, St25 in nekatera legirana: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGKhGKhG.
3. Za hladno žigosanje se uporabljajo valjani listi iz visokokakovostnih nizkoogljičnih vzorcev. Kot so St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Jekla za obdelavo, ki so izboljšana s postopkom kaljenja in visokega odpuščanja. To so srednjeogljična (St35, St40, St45, St50), kromova (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) jekla, pa tudi krom-silicij-mangan, krom-nikelj-molibden in krom-nikelj.
5. Vzmeti imajo elastične lastnosti in jih dolgo ohranjajo, saj imajo visoko stopnjo odpornosti na utrujenost in uničenje. To so ogljikovi predstavniki St65, St70 in legiranih jekel (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Vzorci visoke trdnosti so tisti, ki imajo dvakrat večjo trdnost od ostalih konstrukcijskih jekel, kar je doseženo s toplotno obdelavo in kemično sestavo. V razsutem stanju so to legirana srednje ogljikova jekla, na primer St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Koglični ležajZa jekla so značilna posebna vzdržljivost, visoka stopnja odpornosti proti obrabi in trdnosti. Izpolnjevati morajo zahteve za odsotnost različnih vrst vključkov. Ti vzorci vključujejo visokoogljična jekla z vsebnostjo kroma v sestavi (StSHKh9, StSHKh15).
8. Samodejne definicije jekla so naslednje. To so vzorci za uporabo pri izdelavi nekritičnih izdelkov, kot so vijaki, matice, vijaki. Takšni nadomestni deli so običajno strojno obdelani. Zato je glavna naloga povečanje obdelovalnosti delov, kar dosežemo z vnosom telurja, selena, žvepla in svinca v material. Takšni dodatki prispevajo k nastanku krhkih in kratkih odrezkov med obdelavo in zmanjšajo trenje. Glavni predstavniki avtomatskih jekel so označeni na naslednji način: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Korozijsko odporna jekla so legirana jekla z vsebnostjo kroma okoli 12%, saj na površini tvori oksidni film, ki preprečuje korozijo. Predstavniki teh zlitin so St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Obrabno odporni vzorci se uporabljajo v izdelkih, ki delujejo pod abrazivnim trenjem, udarci in močnim pritiskom. Primer so deli železniških tirov, drobilnikov in goseničnih strojev, kot je St110G13L.
11. Vročinsko odporna jekla lahko delujejo pri visoki vročini. Uporabljajo se pri izdelavi cevi, rezervnih delov za plinske in parne turbine. To so predvsem visoko legirani nizkoogljični vzorci, ki nujno vsebujejo nikelj, ki lahko vsebuje dodatke v oblikimolibden, nobij, titan, volfram, bor. Primer bi bil St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Toplotno odporni so še posebej odporni na kemične poškodbe v zraku, plinu in pečeh, oksidacijskih in karburizirajočih okoljih, vendar kažejo lezenje pri hudih obremenitvah. Predstavniki te vrste so St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Orodna jekla

V tej skupini so zlitine razdeljene na matrice, za rezalno in merilno orodje. Obstajata dve vrsti matrice.

• Material za hladno oblikovanje mora imeti visoko stopnjo trdote, trdnosti, odpornosti proti obrabi, toplotne odpornosti. Vendar imajo zadostno viskoznost (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materijal za vroče preoblikovanje ima dobro trdnost in žilavost. Skupaj z odpornostjo proti obrabi in odpornosti proti lestvici (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Merilna orodna jekla morajo biti poleg odpornosti proti obrabi in trdote dimenzijsko stabilna in enostavna za brušenje. Iz teh zlitin so izdelani kalibri, sponke, šablone, ravnila, tehtnice, ploščice. Primer bi bile zlitine StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Določanje jeklenih skupin za rezalna orodja je dokaj enostavno. Takšne zlitine morajo dolgo časa imeti rezalno sposobnost in visoko trdoto, tudi če so izpostavljene toploti. Sem spadajo orodja iz ogljika in zlitin, kot tudihitrorezna jekla. Tukaj lahko poimenujete naslednje vidne predstavnike: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Deoksidacija zlitine

Določanje jekla po stopnji deoksidacije vključuje njegove tri vrste: mirno, polmirno in vrelo. Sam koncept se nanaša na odstranjevanje kisika iz tekoče zlitine.

Tiho jeklo med strjevanjem skoraj ne oddaja plinov. To je posledica popolne odstranitve kisika in nastanka krčne votline na vrhu ingota, ki se nato odreže.

V polmirnem jeklu se plini delno sproščajo, torej več kot v mirnem jeklu, vendar manj kot pri vrelih. Tu ni lupine, kot v prejšnjem primeru, ampak na vrhu nastanejo mehurčki.

Vrele zlitine pri strjevanju sprostijo veliko količino plina, v prerezu pa je dovolj, da preprosto opazimo razliko v kemični sestavi med zgornjo in spodnjo plastjo.

Trdota

Ta koncept se nanaša na sposobnost materiala, da se upre težjemu prodiranju vanj. Določanje trdote je postalo mogoče s tremi metodami: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Po Brinellovi metodi se utrjena jeklena krogla vtisne v talno površino vzorca. S preučevanjem premera odtisa določite trdoto.

Metoda za določanje trdote jekla po Rockwellu. Temelji na izračunu globine prodiranja 120-stopinjske konice diamantne stožce.

Po Vickersu v testnem vzorcuje vtisnjena diamantna tetraedrska piramida. S kotom 136 stopinj na nasprotnih straneh.

Ali je mogoče določiti kakovost jekla brez kemične analize? Strokovnjaki s področja metalurgije lahko prepoznajo kakovost jekla po iskri. Določanje sestavin kovine je možno med njeno obdelavo. Tako na primer:

• CVG jeklo ima temno škrlatne iskrice z rumeno-rdečimi pikami in šopki. Na koncih razvejanih niti se pojavijo svetlo rdeče zvezde z rumenimi zrnci v sredini.
• P18 jeklo prepoznamo tudi po temno škrlatnih iskricah z rumenimi in rdečimi šopki na začetku, vendar so niti ravne in nimajo vilic. Na koncih snopov so iskre z enim ali dvema svetlo rumenimi zrni.
• Raste jekla ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 imajo rumene iskre s svetlimi zvezdami. In rdeča zrna na vejah.
• U12F jeklo odlikujejo svetlo rumene iskre z gostimi in velikimi zvezdami. Z več rdečimi in rumenimi šopki.
• Jekla 15 in 20 imajo svetlo rumene iskre, številne vilice in zvezdice. Ampak nekaj šopkov.

Določanje jekla z iskro je za strokovnjake dokaj natančna metoda. Vendar navadni ljudje kovine ne morejo opisati samo s preučevanjem barve iskre.

zvarljivost

Lastnost kovin, da tvorijo spoj pod določenim udarcem, se imenuje varivost jekel. Določanje tega indikatorja je možno po zaznavi vsebnosti železa in ogljika.

Meni je, da so dobro povezani z varjenjemnizkoogljična jekla. Ko vsebnost ogljika preseže 0,45 %, se varivost poslabša in postane slabša, ko je vsebnost ogljika visoka. To se zgodi tudi zato, ker se poveča nehomogenost materiala, na mejah zrn pa izstopajo sulfidni vključki, ki vodijo do nastanka razpok in povečanja notranje napetosti.

Delujejo tudi legirne komponente, ki poslabšajo povezavo. Najbolj neugodni za varjenje so kemični elementi, kot so krom, molibden, mangan, silicij, vanadij, fosfor.

Vendar skladnost s tehnologijo pri delu z nizko legiranimi jekli zagotavlja dober odstotek varljivosti brez uporabe posebnih ukrepov. Določanje zvarljivosti je možno po oceni številnih pomembnih lastnosti materiala, vključno z:

• Hladilna hitrost.
• Kemična sestava.
• Pogled primarne kristalizacije in strukturnih sprememb med varjenjem.
• Zmožnost kovine, da tvori razpoke.
• Nagnjenost materiala k strjevanju.