Teräs: määritelmä, luokitus, kemiallinen koostumus ja käyttö

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Kuinka usein kuulemme sanan "teräs". Ja sen lausuvat paitsi metallurgisen tuotannon alan ammattilaiset, myös kaupunkilaiset. Mikään vahva rakenne ei ole täydellinen ilman terästä. Itse asiassa, kun puhumme jostain metallista, tarkoitamme teräksestä valmistettua tuotetta. Selvitetään, mistä se koostuu ja miten se luokitellaan.

Määritelmä

Teräs on ehkä suosituin metalliseos, joka perustuu rautaan ja hiileen. Lisäksi jälkimmäisen osuus vaihtelee välillä 0,1-2,14 %, kun taas edellisen osuus ei voi olla pienempi kuin 45 %. Tuotannon helppous ja raaka-aineiden saatavuus ovat ratkaisevan tärkeitä tämän metallin jakelussa kaikille ihmisen toiminnan aloille.

Materiaalin pääominaisuudet vaihtelevat sen kemiallisen koostumuksen mukaan. Teräksen määritelmää seokseksi, joka koostuu kahdesta komponentista, raudasta ja hiilestä, ei voida kutsua täydelliseksi. Se voi sisältää esimerkiksi kromia lämmönkestävyyteen ja nikkeliä korroosionkestävyyteen.

Vaaditut komponentitmateriaalit tarjoavat lisäetuja. Joten rauta tekee seoksesta muokattavan ja helposti muotoutuvan tietyissä olosuhteissa, ja hiili tekee lujuudesta ja kovuudesta samanaikaisesti haurauden kanssa. Siksi sen osuus teräksen kokonaismassasta on niin pieni. Seoksen valmistusmenetelmän määrittäminen johti mangaanipitoisuuteen siinä 1% ja piin - 0,4%. Metallin sulamisen aikana ilmaantuu useita epäpuhtauksia, joista yritetään päästä eroon. Fosforin ja rikin ohella myös happi ja typpi heikentävät materiaalin ominaisuuksia tehden siitä vähemmän kestävän ja muuttaen sitkeyttä.

Luokittelu

Teräksen määritelmä metalliksi, jolla on tietyt ominaisuudet, on tietysti kiistaton. Kuitenkin juuri sen koostumus mahdollistaa materiaalin luokittelun useisiin suuntiin. Joten esimerkiksi metallit erottuvat seuraavista ominaisuuksista:

• kemikaalissa;
• rakenteellinen;
• laadun mukaan;
• tarkoituksen mukaan;
• hapetusasteen mukaan;
• kovuuden mukaan;
• teräksen hitsattavuus.

Teräksen määritelmä, merkintä ja kaikki sen ominaisuudet kuvataan alla.

Merkintä

Valitettavasti ei ole olemassa maailmanlaajuista teräsnimitystä, mikä vaikeuttaa suuresti maiden välistä kauppaa. Venäjällä määritellään aakkosnumeerinen järjestelmä. Kirjaimet osoittavat alkuaineiden nimen ja hapettumismenetelmän, ja numerot osoittavat niiden numeron.

Kemiallinen koostumus

On kaksi tapaateräksen jako kemiallisen koostumuksen mukaan. Nykyaikaisten oppikirjojen antama määritelmä mahdollistaa hiilen ja seostetun materiaalin erottamisen.

Ensimmäinen ominaisuus määrittelee teräksen vähähiiliseksi, keskihiiliseksi ja korkeahiiliseksi, ja toinen ominaisuus - niukkaseosteinen, keskiseosteinen ja runsasseosteinen. Vähähiiliseksi metalliksi kutsutaan, joka GOST 3080-2005:n mukaan voi sisältää raudan lisäksi seuraavia komponentteja:

• Hiili - jopa 0,2 %. Se edistää lämpövahvistusta, jonka ansiosta vetolujuus ja kovuus kaksinkertaistuvat.
• Mangaani, jonka määrä on jopa 0,8 %, muodostaa aktiivisesti kemiallisen sidoksen hapen kanssa ja estää rautaoksidin muodostumisen. Metalli kestää paremmin dynaamisia kuormituksia ja kestää paremmin lämpökarkaisua.
• Pii – jopa 0,35 %. Se parantaa mekaanisia ominaisuuksia, kuten sitkeyttä, lujuutta, hitsattavuutta.

GOST:n mukaan teräksen määritelmä vähähiiliseksi teräkseksi annetaan metallille, joka sisältää hyödyllisten lisäksi useita haitallisia epäpuhtauksia seuraavassa määrin. Tämä on:

• Fosfori - jopa 0,08 % on vastuussa kylmän haurauden esiintymisestä, heikentää kestävyyttä ja voimaa. Vähentää metallin sitkeyttä.
• Rikki - jopa 0,06 %. Se vaikeuttaa metallin prosessointia paineella, lisää temperoinnin haurautta.
• Typpi. Vähentää lejeeringin teknisiä ja lujuusominaisuuksia.
• Happi. Vähentää lujuutta ja häiritsee leikkaustyökaluja.

On huomattava, että alhainen taivähähiiliset teräkset ovat erityisen pehmeitä ja sitkeitä. Ne muotoutuvat hyvin sekä kuumana että kylmänä.

Keskihiilisen teräksen määritelmä ja sen koostumus eroavat luonnollisesti edellä kuvatusta materiaalista. Ja suurin ero on hiilen määrä, joka vaihtelee välillä 0,2-0,45%. Tällaisella metallilla on alhainen sitkeys ja sitkeys sekä erinomaiset lujuusominaisuudet. Keskikokoista hiiliterästä käytetään yleisesti osissa, joita käytetään normaaleissa tehokuormissa.

Jos hiilipitoisuus on yli 0,5 %, tällaista terästä kutsutaan korkeahiiliseksi teräkseksi. Sillä on lisääntynyt kovuus, alentunut viskositeetti, sitkeys, ja sitä käytetään työkalujen ja osien leimaamiseen kuuma- ja kylmämuodonmuutoksilla.

Teräksessä olevan hiilen tunnistamisen lisäksi materiaalin ominaisuuksien määrittäminen on mahdollista siinä olevien lisäepäpuhtauksien perusteella. Jos metalliin lisätään tavallisten alkuaineiden lisäksi tarkoituksellisesti kromia, nikkeliä, kuparia, vanadiinia, titaania, typpeä kemiallisesti sitoutuneessa tilassa, niin sitä kutsutaan seostetuksi. Tällaiset lisäaineet vähentävät hauraiden murtumien riskiä, lisäävät korroosionkestävyyttä ja lujuutta. Niiden numero ilmaisee teräksen seostusasteen:

• vähäseostettu - sisältää jopa 2,5 % seostavia lisäaineita;
• keskiseostettu - 2,5 - 10 %;
• runsasseostettu – jopa 50 %.

Mitä tämä tarkoittaa? Esimerkiksi kiinteistöjen korotukset alettiin tarjota seuraavasti:

1. Lisätään kromia. positiivinenvaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin jo 2 % kokonaismäärästä.
2. Nikkelin lisääminen 1 %:sta 5 %:iin lisää viskositeetin lämpötilamarginaalia. Ja vähentää kylmähaurautta.
3. Mangaani toimii samalla tavalla kuin nikkeli, vaikkakin paljon halvempaa. Se kuitenkin auttaa lisäämään metallin herkkyyttä ylikuumenemiselle.
4. Volframi on kovametallia muodostava lisäaine, joka tarjoaa korkean kovuuden. Koska se estää jyvien kasvua kuumennettaessa.
5. Molybdeeni on kallis lisäaine. Mikä lisää pikaterästen lämmönkestävyyttä.
6. Pii. Lisää haponkestävyyttä, joustavuutta, hilseilykestävyyttä.
7. Titanium. Saattaa edistää hienorakeista rakennetta yhdistettynä kromiin ja mangaaniin.
8. Kupari. Lisää korroosionesto-ominaisuuksia.
9. Alumiini. Lisää lämmönkestävyyttä, hilseilyä, sitkeyttä.

Rakenne

Teräksen koostumuksen määrittäminen olisi epätäydellinen ilman sen rakenteen tutkimista. Tämä merkki ei kuitenkaan ole vakio, ja se voi riippua useista tekijöistä, kuten: lämpökäsittelytila, jäähdytysnopeus, seostusaste. Sääntöjen mukaan teräsrakenne on määritettävä hehkutuksen tai normalisoinnin jälkeen. Hehkutuksen jälkeen metalli jaetaan:

• pro-eutektoidirakenne - ylimääräisellä ferriittillä;
• eutektoidi, joka koostuu perliitistä;
• hypereutektoidi - sekundaarisilla karbideilla;
• ledeburiitti - primäärikarbideilla;
• austeniittinen - kasvokeskeisellä kidehilalla;
• ferriittinen - kuutiomainen runkokeskeinen hila.

Teräsluokan määrittäminen on mahdollista normalisoinnin jälkeen. Se ymmärretään eräänlaisena lämpökäsittelynä, joka sisältää lämmityksen, pidon ja sitä seuraavan jäähdytyksen. Tässä erotetaan perliitti-, austeniitti- ja ferriittiset lajikkeet.

Laatu

Tyyppien määrittäminen on tullut mahdolliseksi laadun kann alta neljällä tavalla. Tämä on:

1. Tavallinen laatu - nämä ovat teräksiä, joiden hiilipitoisuus on jopa 0,6 % ja jotka sulatetaan avouunissa tai happikonverttereissa. Niitä pidetään halvimpana ja ne ovat ominaisuuksiltaan huonompia kuin muiden ryhmien metallit. Esimerkkejä tällaisista teräksistä ovat St0, St3sp, St5kp.
2. Laatu. Tämän tyypin merkittäviä edustajia ovat teräkset St08kp, St10ps, St20. Ne sulatetaan samoilla uuneille, mutta panos- ja tuotantoprosesseille asetetaan korkeammat vaatimukset.
3. Laadukkaat teräkset sulatetaan sähköuuneissa, mikä takaa materiaalin puhtauden lisääntymisen ei-metallisten sulkeumien os alta, eli mekaanisten ominaisuuksien paranemisen. Näitä materiaaleja ovat mm. St20A, St15X2MA.
4. Erityisen korkealaatuiset - valmistetaan erikoismetallurgian menetelmällä. Ne alistetaan sähkökuonan uudelleensulatukseen, joka tarjoaa puhdistuksen sulfideista ja oksideista. Tämän tyyppisiä teräksiä ovat St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Rakenneteräkset

Tämä on ehkä yksinkertaisin ja ymmärrettävin merkki maallikolle. Tarjolla on rakenne-, työkalu- ja erikoisteräksiä. Rakenne on yleensä jaettu:

1. Rakennusteräkset ovat normaalilaatuisia hiiliteräksiä ja edustavat niukkaseosteista sarjaa. Niille on asetettu useita vaatimuksia, joista tärkein on hitsattavuus riittävän korkealla tasolla. Esimerkki on StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Sementtimateriaaleja käytetään sellaisten tuotteiden valmistukseen, jotka toimivat pinnan kulumisolosuhteissa ja kokevat samanaikaisesti dynaamisia kuormituksia. Näitä ovat vähähiiliset teräkset St15, St20, St25 ja jotkut seostetut teräkset: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGT, St30KhGT.
3. Kylmäleimauksessa käytetään valssattuja lehtiä korkealaatuisista vähähiiliseistä näytteistä. Kuten St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Käsiteltäviä teräksiä, joita parannellaan karkaisu- ja korkeakarkaisuprosessilla. Näitä ovat keskihiili (St35, St40, St45, St50), kromi (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) teräkset sekä kromi-pii-mangaani, kromi-nikkeli-molybdeeni ja kromi-nikkeli.
5. Jousijousilla on elastisia ominaisuuksia ja ne säilyttävät ne pitkään, koska niillä on korkea väsymis- ja tuhoutumiskestävyys. Nämä ovat St65:n, St70:n ja seostettujen terästen (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR) hiilen edustajia.
6. Suurilujilla näytteillä on kaksinkertainen lujuus muihin rakenneteräksiin verrattuna lämpökäsittelyn ja kemiallisen koostumuksen avulla. Suurin osa näistä on seostettuja keskihiiliteräksiä, esimerkiksi St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Kuulalaakeriteräksille on ominaista erityinen kestävyys, korkea kulutuskestävyys ja lujuus. Niiden on täytettävä erilaisten sulkeumien puuttumisen vaatimukset. Näissä näytteissä on korkeahiilisiä teräksiä, joiden koostumuksessa on kromipitoisuus (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automaattiset teräksen määritelmät ovat seuraavat. Nämä ovat näytteitä, joita käytetään ei-kriittisten tuotteiden, kuten pulttien, muttereiden ja ruuvien, valmistukseen. Tällaiset varaosat yleensä koneistetaan. Siksi päätehtävänä on lisätä osien työstettävyyttä, mikä saavutetaan lisäämällä materiaaliin telluuria, seleeniä, rikkiä ja lyijyä. Tällaiset lisäaineet edistävät hauraiden ja lyhyiden lastujen muodostumista koneistuksen aikana ja vähentävät kitkaa. Automaattiterästen pääedustajat on nimetty seuraavasti: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Korroosionkestävät teräkset ovat seosteräksiä, joiden kromipitoisuus on noin 12 %, koska se muodostaa pinnalle oksidikalvon, joka estää korroosiota. Näiden metalliseosten edustajia ovat St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Kulutuksenkestäviä näytteitä käytetään tuotteissa, jotka toimivat hankaavan kitkan, iskujen ja voimakkaan paineen alaisena. Esimerkkinä ovat rautatiekiskojen, murskaimien ja telakoneiden osat, kuten St110G13L.
11. Lämmönkestävät teräkset voivat toimia korkeassa kuumuudessa. Niitä käytetään putkien, kaasu- ja höyryturbiinien varaosien valmistukseen. Nämä ovat pääasiassa runsaasti seostettuja vähähiilisiä näytteitä, jotka sisältävät välttämättä nikkeliä, joka voi sisältää lisäaineita muodossamolybdeeni, nobium, titaani, volframi, boori. Esimerkki olisi St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Lämmönkestävät ovat erityisen kestäviä kemiallisia vaurioita ilmassa, kaasussa ja uunissa, hapettavia ja hiilettäviä ympäristöjä, mutta ne hiipivät kovissa kuormissa. Tämän tyypin edustajat ovat St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Työkaluteräkset

Tässä ryhmässä metalliseokset jaetaan stansseihin, leikkaus- ja mittaustyökaluihin. Muottiteräksiä on kahta tyyppiä.

• Kylmämuovauksen materiaalilla tulee olla korkea kovuus, lujuus, kulutuskestävyys ja lämmönkestävyys. Mutta on riittävä viskositeetti (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Kuumamuovausmateriaalilla on hyvä lujuus ja sitkeys. Kulutuskestävyyden ja hilseilykestävyyden lisäksi (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Mittaustyökaluterästen tulee kulumiskestävyyden ja kovuuden lisäksi olla mitoiltaan vakaita ja helposti hiottavia. Näistä seoksista valmistetaan kaliiperit, niitit, mallit, viivoittimet, vaa'at, laatat. Esimerkkinä voisivat olla seokset StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Teräsryhmien määrittäminen leikkuutyökaluille on melko helppoa. Tällaisilla metalliseoksilla on oltava leikkauskyky ja korkea kovuus pitkään, jopa kuumuudelle altistettaessa. Näitä ovat hiili- ja seostyökalut sekänopeat teräkset. Täällä voit nimetä seuraavat näkyvät edustajat: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Seoksen hapettuminen

Teräksen määrittäminen hapettumisasteen perusteella tarkoittaa sen kolmea tyyppiä: tyyni, puolirauhallinen ja kiehuva. Itse käsite viittaa hapen poistamiseen nestemäisestä seoksesta.

Hiljainen teräs ei läheskään aiheuta kaasuja jähmettymisen aikana. Tämä johtuu hapen täydellisestä poistumisesta ja kutistumisontelon muodostumisesta harkon päälle, joka sitten leikataan pois.

Puolityynessä teräksessä kaasuja vapautuu osittain, toisin sanoen enemmän kuin rauhallisessa teräksessä, mutta vähemmän kuin kiehuvassa. Tässä ei ole kuorta, kuten edellisessä tapauksessa, mutta kuplia muodostuu yläosaan.

Kiehuvat seokset vapauttavat suuren määrän kaasua jähmettyessään, ja poikkileikkauksessa riittää, että huomaat eron ylemmän ja alemman kerroksen kemiallisessa koostumuksessa.

Kovuus

Tämä käsite viittaa materiaalin kykyyn vastustaa kovempaa tunkeutumista siihen. Kovuuden määritys tuli mahdolliseksi kolmella menetelmällä: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Brinell-menetelmän mukaan näytteen maapintaan puristetaan karkaistu teräskuula. Määritä kovuus tutkimalla painatuksen halkaisijaa.

Menetelmä teräksen kovuuden määrittämiseksi Rockwellin mukaan. Se perustuu 120 asteen timanttikartion kärjen tunkeutumissyvyyden laskemiseen.

Vickersin mukaan testinäytteessätimanttitetraedrinen pyramidi painetaan sisään. 136 asteen kulma vastakkaisilla puolilla.

Voidaanko teräksen laatu määrittää ilman kemiallista analyysiä? Metallurgian asiantuntijat pystyvät tunnistamaan teräksen laadun kipinästä. Metallin ainesosien määrittäminen on mahdollista sen käsittelyn aikana. Joten esimerkiksi:

• CVG-teräksessä on tummanpunaisia kipinöitä, joissa on kelta-punaisia pisteitä ja kimppuja. Haaroittuneiden lankojen päissä näkyy kirkkaan punaisia tähtiä, joiden keskellä on keltaisia rakeita.
• P18-teräs tunnistaa myös tummanpunaisista kipinöistä, joiden alussa on keltaisia ja punaisia kimppuja, mutta kierteet ovat suorat eikä niissä ole haarukoita. Kimppujen päissä on kipinöitä yhdellä tai kahdella vaaleankeltaisella rakeella.
• Teräslaaduissa ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 on keltaisia kipinöitä vaaleilla tähdillä. Ja punaisia jyviä oksilla.
• U12F-teräs erottuu vaaleankeltaisista kipinöistä, joissa on tiheitä ja suuria tähtiä. Useilla punaisilla ja keltaisilla tupsuilla.
• Teräksissä 15 ja 20 on vaaleankeltaisia kipinöitä, paljon haarukoita ja tähtiä. Mutta muutama kimppu.

Teräksen määritys kipinällä on melko tarkka menetelmä asiantuntijoille. Tavalliset ihmiset eivät kuitenkaan voi luonnehtia metallia tutkimalla vain kipinän väriä.

Hitsattavuus

Metallien ominaisuutta muodostaa liitos tietyn iskun vaikutuksesta kutsutaan terästen hitsattavuudeksi. Tämän indikaattorin määrittäminen on mahdollista sen jälkeen, kun rauta- ja hiilipitoisuus on havaittu.

Niiden uskotaan kytkeytyvän hyvin hitsaamallavähähiiliset teräkset. Kun hiilipitoisuus ylittää 0,45 %, hitsattavuus huononee ja huononee, kun hiilipitoisuus on korkea. Tämä tapahtuu myös siksi, että materiaalin epähomogeenisuus lisääntyy ja sulfidisulkeumat erottuvat raerajoilla, mikä johtaa halkeamien muodostumiseen ja sisäisen jännityksen lisääntymiseen.

Seoskomponentit vaikuttavat myös heikentäen yhteyttä. Hitsauksen kann alta epäedullisimpia ovat sellaiset kemialliset alkuaineet kuin kromi, molybdeeni, mangaani, pii, vanadiini, fosfori.

Teknologian noudattaminen työskenneltäessä niukkaseosteisten terästen kanssa takaa kuitenkin hyvän hitsattavuuden ilman erityistoimenpiteitä. Hitsattavuuden määrittäminen on mahdollista, kun on arvioitu useita tärkeitä materiaalin ominaisuuksia, mukaan lukien:

• Jäähdytysnopeus.
• Kemiallinen koostumus.
• Näkymä primäärikiteytymisestä ja rakenteellisista muutoksista hitsauksen aikana.
• Metallin kyky muodostaa halkeamia.
• Materiaalin taipumus kovettua.