Сталь: класифікація, особливості та опис різновидів сплаву

Сталь: класифікація, особливості та опис різновидів сплаву Сталь - найвідоміший в світі сплав заліза. По суті, кажучи про залізних конструкціях і предметах, ми говоримо про виробах (або їх виробництві) з тієї чи іншої сталі. 99% сплаву відноситься до категорії конструкційних сталей, так що практично не існує інструментів або обладнання, де він би не використовувався. У цій статті ми постараємося торкнутися такі теми як класифікація марок, її властивості і застосування в будівництві.

Що таке сталь


Сталь - сплав заліза і вуглецю. У звичайних випадках частка вуглецю коливається від 0,1 до 2,14%.Але, з огляду на, що до складу легованих сталей може входити безліч додаткових інгредієнтів, сьогодні під сталлю мають на увазі такий сплав, де частка заліза становить не менше 45%.

Поняття і особливості


Головні привабливі якості сталі - висока міцність при доступності сировини і відносно простому способі виробництва. Саме така комбінація і ставить сплави заліза в позицію абсолютного лідера. На сьогодні просто не існує такої галузі народного господарства, де стали не займали б позицію конструкційний матеріал.

• Залізо і вуглець - обов'язкові складові сплаву. З них залізо забезпечує пластичність і в'язкість, завдяки чому сталь відносять до деформується, ковким сплавів. А вуглець - твердість і міцність, так як твердість завжди поєднується з крихкістю. Добавка вуглецю невелика і навіть в спеціалізованих складах не перевищує 3,4%.
• Крім того, через спосіб виробництва, сталь завжди містить якусь частку марганцю - до 1%, ікремнію - до 0,4%. Ці домішки мало впливають на властивості складу, якщо не перевищують задану норму. З тих же причин в складі виявляються і шкідливі домішки - фосфор, сірка, непов'язаний азот і кисень. У процесі плавки і легування від цих інгредієнтів намагаються позбутися, оскільки вони зменшують міцність і пластичні властивості сплавів.
• У сплав вводять штучно інші добавки з метою змінити якості матеріалу. Так, добавка хрому надає стали жаропрочность, а нікелю - стійкість до корозії і в'язкість.
• Надзвичайно корисним якістю залізних сплавів є те, що на зміну властивостей впливають дуже невеликі за вагою добавки інших речовин. Це дозволяє значно урізноманітнити якості матеріалу.Крім того, на властивості сплаву дуже сильно впливає метод виготовлення власне продукції - холодну деформування, гаряче, гарт і так далі.

Співвідношення з чавуном


Найбільш близький до сталі за властивостями і складом чавун. Частина матеріалу і проводиться з граничного чавуну. Однак на практиці відмінності в характеристиках виявляються досить помітними:

• сталь міцніше і твердіше, ніж чавун;
• чавун на ділі легше стали і має більш низьку температуру плавлення. Оманливе враження створює масивність виробів із чавуну, оскільки він менш міцний;
• сталь легше піддається механічній обробці завдяки низькому вмісту вуглецю. Чавун ж краще відливати ;
• чавун має більш низьку теплопровідність, тобто, вироби з нього краще зберігають тепло, ніж сталеві;
• чавун можна піддати такій процедурі, як гарт. А остання може значно збільшити міцність матеріалу.



Далі розглянемо переваги і недоліки сталі


Переваги і недоліки


Описувати плюси і мінуси матеріалу досить складно. На практиці ми маємо справу з продукцією зі сталі, причому зі сплаву різних марок, а, значить, і властивостей. А одна з особливостей матеріалу якраз і полягає в тому, що метод виготовлення виробі з нього теж впливає на його властивості. Якості звареної труби не порівняти з характеристиками трубопроводу з холоднокатаної сталі.

Загалом, можна говорити про наступні переваги сталі:

• висока міцність і твердість - властиво всім видам;
• велике розмаїття властивості, обумовлене різним складом і різними методами обробки;
• в'язкість і пружність, достатні для застосування на всіх ділянках, де потрібно стійкість до ударних, статичних і динамічних навантажень при відсутності залишкової деформації;
• легкість механічної обробки - зварювання, нарізка, згинання;
• дуже висока зносостійкість в порівнянні з іншими конструкційними матеріалами і, відповідно, довговічність;
• поширеність сировини і економічно вигідний метод виробництва, що зумовлює доступну вартість сплавів.

До недоліків можна віднести наступне:


• найбільший недолік матеріалу - нестійкість до корозії. Щоб уникнути пошкоджень, випускають спеціальні види металу стали - нержавіючі, проте їх вартість помітно вище. Найчастіше проблему вирішують за рахунок покриття сталевих виробів захисним шаром металу або полімеру;
• сплав накопичує електрику, що помітно підсилює електрохімічної корозії. Скільки-небудь об'ємні конструкції - корпуса машин, трубопроводи, потребують спеціального захисту;
• сплав не відрізняється легкістю, сталеві конструкції мають велику вагу і помітно збільшують об'єкти;
• виготовлення сталевих виробів - багатоетапний процес. Недоліки і помилки на будь-якому з етапів обертаються значним зниженням якості.

Далі буде розглянута маркування та класифікація сталей за якістю, за призначенням, а також за складом і іншим характеристикам.

Різновиди металу


Підрахувати кількість відомих і використовуваних на сьогодні сплавів - завдання дуже непросте. Класифікувати їх не менш складно: властивості матеріалу залежать від складу, методу отримання, характеру добавок, способу обробки і так далі.

Найчастіше використовуються такі класифікації:

• за хімічним складом сталей - вуглецеві і леговані;
• по структурному складу - аустенитную, феритної і так далі;
• за змістом домішок - звичайної якості, якісна і так далі;
• за методом обробки - термічна гарт - отжиг, термомеханическая - кування, хіміко-термічна - азотування;
• за призначенням - інструментальні, конструкційні, спеціальні стали і так далі.

Хімічний склад


Сплав, по суті своїй - твердий розчин. Причому компонент в твердому основному матеріалі розчиняється за іншими законами, ніж в рідині. Основою отримання всіх залізних сплавів є здатність заліза до поліморфізму, тобто, формування різних структурних фаз при різній температурі. Завдяки цьому вуглець і інші елементи, розчинені в залозі при високій температурі, не випадають в осад при зниженні температури, як це відбувається зі звичайними рідинами, а утворюють спільну структуру.

За своїм склади стали діляться на вуглецеві і леговані


Вуглецеві


Вуглецеві - головним, тобто, що визначає властивості легуючим компонентом є вуглець. Розрізняють 3 види:
• маловуглецеві - менше 0,3%. Сплави відрізняються ковкістю і стійкістю до динамічних навантажень;
• середньовуглецеві - частка вуглецю варіюється від 0,3 до 0,7%;
• високовуглецеві містять більше 0,7% вуглецю. Їх відрізняє більш висока міцність і твердість.

Цей поділ пов'язано з тими перетвореннями, які відбуваються в сплавах. До змісту вуглецю в 0,8% сплав зберігає доевтектоїдної структуру, тобто, має феритної-перлітною структуру. При збільшенні частки вуглецю структура змінюється на евтектоїдних і заевтектоідних, що відповідає перліту і цементиту. Співвідношення фаз у багато визначає характеристики.
Користувач стикається не стільки з мало- або високовуглецевої сталлю, скільки зі складом певної марки. Марка визначається співвідношенням декількох критеріїв, а не тільки вмістом вуглецю.

Розрізняють за призначенням 3 групи:
• А - нормуються механічні якості. Група поділяється на 3 категорії і 6 марок. Позначається марка Ст від 0 до 6. Ст0 - це відбракована з якихось показниками сталь, яка використовується в незначних конструкціях. Ст6 - найбільшою мірою відповідає поняттю якісна сталь;
• Б - нормується за своїм хімічним складом, ділиться на 2 категорії і 6 марок, позначається БСТ від 0 до 6. Зі збільшенням номера підвищується міцність і плинність матеріалу;
• група В нормується і за механічними показниками, і за складом. Вона ділиться на 5 марок, позначається ВСТ.
Застосовується додаткова класифікація за змістом марганцю. I - з нормальним вмістом елемента, тобто, 0,25 0,8%, і II - з підвищеним, до 1,2%

Леговані


Легованими називають сталі, в які спеціально вводять додаткові інгредієнти для додання складу інших якостей. Класифікація проводиться за сумарним обсягом всіх легуючих добавок - НЕ домішок марганцю або фосфору.

Розрізняють 3 види:
• низьколеговані - з сумарним об'ємом добавок до 2,5%;
• середньолеговані - містить від 2,5 до 10% домішок;
• в високолегованих частка добавок перевищує 10%.

Легування значно ускладнює структуру твердого розчину, що призводить до виникнення складної класифікації по структурному складу. Маркуються марки за складом: обов'язково вказується частка вуглецю. А потім по зменшенню вказують частки легуючих добавок. Якщо частка домішки менш 1% речовину не вказується.

Як добавки застосовують як неметали, так і метали


• Марганець - збільшує міцність і твердість матеріалу, покращує ріжучі властивості. Але при цьому сприяє збільшенню зерна, що зменшується стійкість до ударних навантажень.
• Хром - покращує стійкість до ударних і статичних навантажень, а також підвищує жароміцність.При великій частці хрому матеріал стає нержавіючим.
• Нікель - підвищує гнучкість сплаву. При значному вмісті надає стали корозійну стійкість і жароміцність.
• Молібден - підвищує твердість сплаву, але при цьому зменшує крихкість.

Найбільш відома з легованих сталей, звичайно, нержавіюча. Найчастіше це хромо-нікелева і хромистая сталь з часткою хрому до 27%.

Фазовий і структурний склад


Отримання стали - процес непростий і неоднозначний. Особливість його полягає в тому, що при плавці сплав проходить через фазові перетворення, які і обумовлюють поєднання міцності і пружності.

Легування вуглецем відбувається в 2 етапи. На першій стадії при нагріванні до 725 С залізо з'єднується з вуглецем, утворюючи карбід, тобто, хімічна сполука, зване цементитом. При нормальній температурі сталь включає суміш цементиту і фериту. При підвищенні температури вище 725 С цементит розчиняється в залозі, формую іншу фазу - аустеніт.

З цією особливістю пов'язана класифікація сплаву по структурному складу в нормалізованому вигляді:

• перлитная - в основному це низьковуглецеві і низьколеговані сталі;
• мартенситні - з великим вмістом добавок;
• аутенітная - високолегована.

У отожженном стані виділяють такі структурні класи:

• доевтектоїдної,
• заевтектоідний,
• ледебуритного,
• феритний,
• аустенітний.

У чому сенс такого поділу? Справа в тому, що легуючі добавки надають різний вплив на різні структури стали. Так, розчинення в фериті легуючих елементів призводить до збільшення тимчасового опору, за винятком марганцю і кремнію, які сплав упрочняют. При легуванні аустеніту знижується межа плинності при відносно високій міцності. В результаті матеріал легко і швидко зміцнюється при деформації .

Класифікація за Розкислювачем


При плавці металів частою проблемою є розчинений в них газ - кисень, азот, водень, щоб видалити його вдаються до раскислению. Залежно від повноти процесу розрізняють 3 види:

• спокійна - метал не містить закису заліза. У сплаві повністю відсутні гази, так що його властивості найбільш стабільні й однорідні. Застосовується для відповідальних конструкцій, оскільки технологія його отримання дорога;
• полуспокойная - твердне без кипіння, але супроводжується виділенням газів. Якась кількість газів залишається, однак може бути видалено під час прокатки сплаву. Як правило, полуспокойная сталь використовується як конструкційна;
• кипляча - містить розчинені гази. Це позначається на властивостях: матеріал схильний до утворення тріщин при зварюванні, наприклад, але, так як виробництво киплячій стали вимагає найменше витрат, проводиться і такий сплав для багатьох простих конструкцій.


Класифікація за призначенням


Досить умовний поділ сталей за сферами застосування.
• Будівельні - сплави звичайної якості і низьколеговані, розраховані на високі статичні та в деяких випадках динамічні навантаження. Головна вимога до них - хороша зварюваність. На ділі в залежності від характеру будівельного об'єкта, застосовується матеріал самої різної якості.
• Інструментальні - як правило, високовуглецеві і високолеговані, застосовуються при виготовленні інструментів. Розрізняють штамповані сплави, ріжучі та стали для вимірювальних інструментів. Ріжучі відрізняються твердістю і теплостійкість, матеріал для вимірювальних приладів - високу зносостійкість.
• Конструкційні - з низьким вмістом марганцю. Це Цементовані, високоміцні, автоматні, кулько-підшипникові, зносостійкі і так далі, що застосовуються для виготовлення найрізноманітніших вузлів і конструкцій. Настільки величезного розмаїття властивостей домагаються за рахунок легування.
• Часом виділяють спеціальні стали - жароміцні, жаростійкі, кислототривкі, але на ділі вони є різновидом конструкційних.
зміст домішок

Сталь може включати корисні домішки, тобто, легуючі елементи, і шкідливі. За змістом шкідливих і розрізняють 4 групи:

• рядові - або звичайної якості, з часткою сірки не більше 0,06% і фосфору не вище 0,07%;
• якісні - допускається частка сірки не більше 0,04% і фосфору не більше 0,035%. Процес їх виготовлення дорожче, але і механічні властивості сталей вище;
• високоякісні - частка сірки не перевищує 0,025%, а фосфору - 0,025%. Отримують сплави в основному в електропечах, щоб домогтися великий чистоти;
• особовисококачественная - виплавляються в електропечах спеціальними методами. Так отримують тільки високолеговані стали з вмістом сірки до 0,015% і фосфору - 0,025%.

Далі розглянемо технології і процес виробництва сталі, його етапи та види.

Виробництво сплаву


Процес виготовлення сплаву зводиться до переробки чавуну, при якій отжигаются зайві домішки і вводяться легуючі елементи. Використовуються при цьому кілька методів.

• Мартенівський - розплавлений або твердий чавун з рудою плавлять в мартенівської печі при 2000 С, щоб відпалювати зайвий вуглець. Добавки вводять в кінці плавки. Сталь розливають в ковші і переправляють в прокатний цех.
• Киснево-конвертерний - більш продуктивний. Крізь чавун в печі продувають повітря або суміш повітря з киснем, домагаючись більш швидкого і повного відпалу.
• Електроплавильний - плавка здійснюється в закритій печі при 2200 С, що виключає потрапляння в сплав газів. Дорогий метод, яким отримують лише високоякісні склади.
• Прямий метод - в шахтній печі окатиші, отримані з залізної руди продувають продуктами згоряння природного газу - сумішшю кисню, чадного газу, аміаку, при температурі в 1000 С.

На цьому процес виготовлення стали не закінчується. У тих випадках, коли необхідно отримати максимально міцний матеріал, вдаються до додаткової обробки.

Термічний метод


До термічних способів відноситься:

• отжиг - нагрів і повільне охолодження різних видів і з різною швидкістю;
• гарт - нагрівання вище критичної температури, що викликає перекристаллизацию сплаву, і швидше охолодження;
• відпустку - процедура, здійснює слідом за загартуванням з метою зменшити напругу металу;
• нормалізація - той же отжиг, але проводиться не в печі, а на повітрі.

Термомеханический спосіб


Термомеханічні методи поєднують механічне і термічне вплив:

• високотемпературна ТМО - гарт - наклеп, зміцнення, проводиться відразу ж після нагрівання, поки сплав зберігає аустенитную структуру. Зміна внаслідок пластичної деформації при прокатці або штампування зберігається на 70% і після охолодження і сталь виявляється міцнішою;
• при низькотемпературної ТМО - холоднокатана сталь. Сплав нагрівають для аустенітного стану, охолоджують нижче точок рекристалізації, щоб домогтися появи мартенситной фази - в межах 400- 600 С. Потім проводиться гарт - наклеп, прокатка. При охолодженні ефект повністю зберігається.

Термохімічна обробка


Термохімічна обробка представляється собою нагрів сплавів і витримку їх в певних хімічних середовищах. До найбільш відомих методів відносять:

• цементацию - насичення поверхні сплаву вуглецем. Таким чином отримують зносостійкий верхній шар;
• азотування - насичення стали азотом. Мета така ж - отримання верхнього зносостійкого шару, але в порівнянні з цементацією, азотування забезпечує більш високу стійкість до корозії;
• нітроцементації і ціанування - насичення поверхневого шару і вуглецем і азотом. Забезпечує більш високу швидкість і продуктивність процесу.


8-12-2018, 00:37 74 0

Поділіться власною думкою