Čelik: definicija, klasifikacija, hemijski sastav i primena

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Koliko često čujemo riječ "čelik". I to izgovaraju ne samo profesionalci u oblasti 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 klasifikovan.

Definicija

Čelik je možda najpopularnija legura, bazirana na gvožđu i ugljeniku. Štaviše, udio potonjih kreće se od 0,1 do 2,14%, dok prvi ne može biti manji od 45%. Lakoća proizvodnje i dostupnost sirovina od presudnog su značaja u distribuciji ovog metala u svim oblastima ljudske delatnosti.

Glavne karakteristike materijala variraju u zavisnosti od njegovog hemijskog sastava. Definicija čelika kao legure koja se sastoji od dvije komponente, željeza i ugljika, ne može se nazvati potpunom. Može uključivati, na primjer, hrom - da daje otpornost na toplotu, i nikl da pruža otpornost na koroziju.

Potrebne komponentematerijali pružaju dodatne pogodnosti. Dakle, gvožđe čini leguru savitljivom i lako deformabilnom pod određenim uslovima, a ugljenik čini čvrstoću i tvrdoću istovremeno sa lomljivošću. Zbog toga je njegov udio tako mali u ukupnoj masi čelika. Određivanje načina proizvodnje legure dovelo je do sadržaja mangana u njoj od 1% i silicijuma - 0,4%. Postoji niz nečistoća koje se pojavljuju tokom topljenja metala i kojih se pokušavaju otarasiti. Zajedno sa fosforom i sumporom, kiseonik i azot takođe degradiraju svojstva materijala, čineći ga manje izdržljivim i menjajući duktilnost.

Klasifikacija

Definicija čelika kao metala sa određenim skupom karakteristika, naravno, je van sumnje. Međutim, upravo njegov sastav omogućava razvrstavanje materijala u nekoliko pravaca. Tako se, na primjer, metali razlikuju po sljedećim karakteristikama:

• o hemikalijama;
• strukturno;
• po kvaliteti;
• kako je predviđeno;
• prema stepenu deoksidacije;
• po tvrdoći;
• o zavarljivosti čelika.

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

Označavanje

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

Hemijski sastav

Postoje dva načinapodjela čelika prema hemijskom sastavu. Definicija koju daju savremeni udžbenici omogućava razlikovanje ugljika i legiranih materijala.

Prvi atribut definira čelik kao nisko-ugljični, 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%. Promoviše termičko jačanje, zbog čega se vlačna čvrstoća i tvrdoća udvostručuju.
• Mangan u količini do 0,8% aktivno ulazi u hemijsku vezu sa kiseonikom i sprečava stvaranje oksida gvožđa. Metal bolje podnosi dinamička opterećenja i podložniji je termičkom otvrdnjavanju.
• Silicij – do 0,35%. Poboljšava mehanička svojstva kao što su žilavost, čvrstoća, zavarljivost.

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

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

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

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

Ako je sadržaj ugljika preko 0,5%, onda se takav čelik naziva visokougljičnim čelikom. Ima povećanu tvrdoću, smanjen viskozitet, 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 prisustvo dodatnih nečistoća u njemu. Ako se, pored običnih elemenata, u metal namjerno unose krom, nikal, bakar, vanadij, titanij, dušik u kemijski vezanom stanju, tada se naziva dopiranim. Takvi aditivi smanjuju rizik od krtog loma, povećavaju otpornost na koroziju i čvrstoću. Njihov broj označava stepen legiranja čelika:

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

Šta ovo znači? Na primjer, povećanje bilo koje imovine počelo se pružati na sljedeći način:

1. Dodavanje hroma. pozitivnoutiče na mehaničke karakteristike već u iznosu od 2% ukupne zapremine.
2. Uvođenje nikla od 1 do 5% povećava temperaturnu marginu viskoziteta. I smanjuje hladnoću.
3. Mangan radi na isti način kao nikal, ali mnogo jeftiniji. Međutim, pomaže da se poveća osjetljivost metala na pregrijavanje.
4. Volfram je aditiv za stvaranje karbida koji daje visoku tvrdoću. Zato što sprečava rast zrna kada se zagreje.
5. Molibden je skup aditiv. Što povećava otpornost na toplinu brzoreznih čelika.
6. Silikon. Povećava otpornost na kiseline, elastičnost, otpornost na kamenac.
7. Titanium. Može poboljšati finozrnastu strukturu u kombinaciji sa hromom i manganom.
8. Bakar. Povećava svojstva protiv korozije.
9. Aluminijum. Povećava otpornost na toplotu, ljuštenje, žilavost.

Struktura

Određivanje sastava čelika bilo bi nepotpuno bez proučavanja njegove strukture. Međutim, ovaj znak nije konstantan i može zavisiti od brojnih faktora, kao što su: način termičke obrade, brzina hlađenja, stepen legiranja. Prema pravilima, čeličnu konstrukciju treba odrediti nakon žarenja ili normalizacije. Nakon žarenja, metal se dijeli na:

• proeutektoidna struktura - sa viškom ferita;
• eutektoid, koji se sastoji od perlita;
• hipereutektoid - sa sekundarnim karbidima;
• ledeburit - sa primarnim karbidima;
• austenit - sa kristalnom rešetkom usredsređenom na lice;
• feritic - sa kubičnom centriranom rešetkom.

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

Kvalitet

Određivanje tipova postalo je moguće u smislu kvaliteta na četiri načina. Ovo je:

1. Obične kvalitete - to su čelici sa sadržajem ugljika do 0,6% koji se tope u otvorenim pećima ili u konvertorima uz korištenje kisika. Smatraju se najjeftinijim i po karakteristikama su inferiorni u odnosu na metale drugih grupa. Primjer takvih čelika su St0, St3sp, St5kp.
2. Kvalitet. Istaknuti predstavnici ove vrste su čelici St08kp, St10ps, St20. Tope se u istim pećima, ali sa većim zahtjevima za punjenje i procese proizvodnje.
3. U električnim pećima se tope visokokvalitetni čelici, što garantuje 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 elektro-troskom pretapanju, što omogućava pročišćavanje od sulfida i oksida. Čelici ovog tipa 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. Konstrukcijski čelici su ugljični čelici običnog kvaliteta i predstavnici niskolegiranih serija. Oni podliježu nekoliko zahtjeva, od kojih je glavni zavarljivost na dovoljno visokom nivou. Primjer je StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementirani materijali se koriste za izradu proizvoda koji rade u uslovima površinskog habanja i istovremeno doživljavaju dinamička opterećenja. Ovo uključuje niskougljične čelike St15, St20, St25 i neke legirane: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGKhGKhG
3. Za hladno štancanje koriste se valjani listovi od visokokvalitetnih niskougljičnih uzoraka. Kao što su St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Čelici za obradu koji se poboljšavaju kroz proces kaljenja i visokog kaljenja. To su srednjeugljenični (St35, St40, St45, St50), hrom (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) čelici, kao i hrom-silicijum-mangan, hrom-nikl-molibden i hrom-nikl.
5. Opruge imaju elastična svojstva i zadržavaju ih dugo vremena, jer imaju visok stepen otpornosti na zamor i uništavanje. Ovo 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 termičkom obradom i hemijskim sastavom. U velikoj mjeri, to su legirani čelici srednjeg ugljika, na primjer, St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Koglični ležajčelike karakterizira posebna izdržljivost, visok stupanj otpornosti na habanje i čvrstoća. Od njih se traži da ispune zahtjeve za odsustvo raznih vrsta uključivanja. Ovi uzorci uključuju visokougljenične čelike sa sadržajem hroma u sastavu (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automatske definicije čelika su sljedeće. Ovo su uzorci za upotrebu u proizvodnji nekritičnih proizvoda kao što su vijci, matice, vijci. Takvi rezervni dijelovi se obično mašinski obrađuju. Stoga je glavni zadatak povećanje obradivosti dijelova, što se postiže uvođenjem telura, selena, sumpora i olova u materijal. Takvi aditivi doprinose stvaranju krhkih i kratkih strugotina tokom 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 sa sadržajem hroma od oko 12%, budući da formira oksidni film na površini koji sprečava 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 šina, drobilica i gusjeničarskih mašina, kao što je St110G13L.
11. Čelici otporni na toplotu mogu raditi na visokoj temperaturi. 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 toplotu su posebno otporne na hemijska oštećenja u vazduhu, gasu i pećima, oksidirajućim i karburizirajućim okruženjima, ali pokazuju puzanje pod velikim opterećenjima. Predstavnici ovog tipa su St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Alatni čelici

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

• Materijal za hladno oblikovanje treba da ima visok stepen tvrdoće, čvrstoće, otpornosti na habanje, otpornosti na toplotu. Ali imaju dovoljan viskozitet (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materijal za vruće oblikovanje ima dobru čvrstoću i žilavost. Zajedno sa otpornošću 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 rezne alate je prilično jednostavno. Takve legure moraju imati sposobnost rezanja i visoku tvrdoću dugo vremena, čak i kada su izložene toplini. To uključuje alate od ugljenika i legure, kao ibrzorezni čelici. Ovdje možete imenovati sljedeće istaknute predstavnike: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, Str6M5, Stryuk5F5.

Deoksidacija legure

Određivanje čelika prema stepenu deoksidacije podrazumijeva njegove tri vrste: mirno, polumirno i kipuće. Sam koncept se odnosi na uklanjanje kiseonika iz tečne legure.

Tihi čelik skoro da ne emituje gasove tokom skrućivanja. To je zbog potpunog uklanjanja kisika i stvaranja šupljine za skupljanje na vrhu ingota, koja se zatim odsiječe.

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

Legura koja ključa oslobađa veliku količinu gasa kada se stvrdne, a u poprečnom presjeku je dovoljno da se jednostavno uoči razlika u hemijskom 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 Brinell metodi, kaljena čelična kugla se utiskuje u tlo površine uzorka. Proučavanjem prečnika otiska odredite tvrdoću.

Metoda za određivanje tvrdoće čelika prema Rockwellu. Zasniva se na izračunavanju dubine prodiranja vrha dijamantskog konusa od 120 stepeni.

Prema Vickersu u probnom uzorkuutisnuta je dijamantska tetraedarska piramida. Sa uglom od 136 stepeni na suprotnim stranama.

Da li je moguće odrediti kvalitet čelika bez hemijske analize? Specijalisti iz oblasti metalurgije u stanju su da prepoznaju kvalitet čelika po iskri. Određivanje sastojaka metala moguće je tokom njegove obrade. Tako na primjer:

• CVG čelik ima tamno grimizne iskre sa žuto-crvenim tačkama i pramenovima. Na krajevima razgranatih niti pojavljuju se jarko 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 ravni i nemaju vilice. Na krajevima snopova nalaze se iskre sa jednim ili dva svijetložuta zrna.
• Gradovi čelika HG, H, ŠH15, ŠH9 imaju žute iskre sa svijetlim zvijezdama. I crvena zrna na granama.
• U12F čelik se odlikuje svijetložutim iskrama sa gustim i velikim zvijezdama. Sa nekoliko crvenih i žutih čuperaka.
• Čelici 15 i 20 imaju svijetlo žute iskre, mnogo viljuški i zvijezda. Ali nekoliko čuperaka.

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

Zavarljivost

Svojstvo metala da formira spoj pod određenim udarom naziva se zavarljivost čelika. Određivanje ovog indikatora je moguće nakon što se detektuje sadržaj gvožđa i ugljenika.

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

Komponente legure također djeluju, pogoršavajući vezu. Najnepovoljniji za zavarivanje su hemijski elementi kao što su hrom, molibden, mangan, silicijum, vanadijum, fosfor.

Međutim, usklađenost sa tehnologijom pri radu sa niskolegiranim čelicima obezbeđuje dobar procenat zavarljivosti bez upotrebe posebnih mera. Određivanje zavarljivosti moguće je nakon procjene brojnih važnih kvaliteta materijala, uključujući:

• Brzina hlađenja.
• Hemijski sastav.
• Prikaz primarne kristalizacije i strukturnih promjena tokom zavarivanja.
• Sposobnost metala da formira pukotine.
• Sklonost materijala ka formiranju stvrdnjavanja.