Oțel: definiție, clasificare, compoziție chimică și aplicații

Cât de des auzim cuvântul "oțel"?. Și nu o spun doar profesioniștii din industria siderurgică, ci și profanii. Nici o piesă solidă de oțel nu se poate lipsi de. De fapt, când vorbim despre ceva metalic, ne referim la un produs fabricat din oțel. Știm din ce este făcută și cum este clasificată.

Definiție

Oțelul este probabil cel mai popular aliaj, bazat pe fier și carbon. Ponderea acesteia din urmă variază între 0,1% și 2,14%, în timp ce prima nu poate fi mai mică de 45%. Ușurința de producție și disponibilitatea materiilor prime sunt decisive în răspândirea acestui metal în toate domeniile de activitate umană.

Esențial caracteristicile materialului variază în funcție de compoziția sa chimică. Definiția oțelului ca fiind un aliaj format din două componente, fier și carbon, nu este exhaustivă. Acesta poate conține crom, de exemplu, pentru a-i conferi rezistență la căldură și nichel pentru rezistență la coroziune.

Componentele obligatorii ale materialului contribuie la beneficiile suplimentare. De exemplu, fierul face ca un aliaj să fie ductil și ușor deformabil în anumite condiții, în timp ce carbonul îl face puternic și dur, dar în același timp și fragil. Acesta este motivul pentru care proporția sa în masa totală de oțel este atât de scăzută. Definirea metodei de producție a aliajului are ca rezultat un conținut de mangan de 1% și un conținut de siliciu de 0,4%. Există o serie de impurități care apar la topirea metalului și care se încearcă a fi eliminate. Alături de fosfor și sulf, oxigenul și azotul afectează și ele materialul, făcându-l mai puțin rezistent și schimbându-i ductilitatea.

Clasificare

Definiția oțelului ca fiind un metal cu o structură definită printr-un set de caracteristici, nu este, desigur, pusă la îndoială. Cu toate acestea, compoziția sa este cea care permite clasificarea materialului în mai multe moduri. De exemplu, se face o distincție între metale în funcție de următoarele caracteristici:

• chimice;
• Structural;
• calitate;
• în funcție de scop;
• Cu privire la gradul de dezoxidare;
• prin duritate;
• Sudabilitatea oțelului; - Gradul de dezoxidare.

Definiția oțelului, clasa și toate caracteristicile sale vor fi descrise mai jos.

Etichetare

Din nefericire, nu există o denumire globală pentru oțeluri, ceea ce îngreunează mult comerțul între țări. În Rusia a fost definit un sistem alfanumeric. Literele indică numele elementelor și metoda de dezoxidare.

Compoziția chimică

Există două moduri de împărțire a oțelului în compoziții chimice. Definiția dată de manualele moderne face diferența între oțelurile carbonice și cele aliate.

Prima denumire identifică oțelul ca fiind cu conținut scăzut de carbon, cu conținut mediu de carbon și cu conținut ridicat de carbon, în timp ce a doua denumire îl identifică ca fiind cu conținut scăzut de aliaj, cu conținut mediu de aliaj și cu conținut ridicat de aliaj. Oțelul cu conținut scăzut de carbon este un metal care, în conformitate cu GOST 3080-2005, poate include, pe lângă fier, următorii constituenți:

• Carbon, până la 0,2%. Promovează întărirea termică, ceea ce face ca rezistența temporară și duritatea să crească de două ori.
• Manganul, la niveluri de până la 0,8%, se leagă în mod activ de oxigen și previne formarea oxidului de fier. Metalul este mai capabil să reziste mai bine la sarcini dinamice și este mai ușor de călit termic.
• Siliciu până la 0,35%. Îmbunătățește proprietățile mecanice, cum ar fi duritatea, rezistența, sudabilitatea.

Conform GOST, definiția oțelului ca oțel cu conținut scăzut de carbon dă metalul, care conține, în plus față de util, o serie de impurități dăunătoare în următoarele cantități. Asta:

• Fosforul, în proporție de până la 0,08%, este responsabil pentru fragilitatea la rece și poate afecta rezistența și forța. Reduce rezistența la impact a metalului.
• Sulf - până la 0,06%. Aceasta complică formarea metalelor și crește fragilitatea la revenire.
• Azot. Reduce proprietățile tehnologice și de rezistență ale aliajului.
• Oxigen. Reduce rezistența și inhibă prelucrarea sculei la tăiere.

Trebuie remarcat faptul că oțelurile cu conținut scăzut de carbon sau cu conținut scăzut de carbon sunt cunoscute pentru moliciunea și ductilitatea lor. Se deformează bine, atât la cald, cât și la rece.

Definiția oțelului moale este, ca și compoziția sa, desigur, diferită de materialul descris mai sus. И cel mai înalt Diferența constă în cantitatea de carbon, care variază între 0,2 % și 0,45 %. Un astfel de oțel prezintă o ductilitate și o tenacitate scăzută, împreună cu proprietăți excelente de rezistență. Oțelurile cu conținut mediu de carbon sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații în care se întâlnesc tensiuni și deformații normale.

Cu toate acestea, dacă conținutul de carbon este mai mare de 0,5%, un astfel de oțel este cunoscut ca fiind cu conținut ridicat de carbon. Are o duritate crescută, ductilitate redusă, ductilitate și este utilizat la ștanțarea sculelor și pieselor prin deformare la cald și la rece.

În plus față de identificarea carbonului din oțel, este posibilă caracterizarea materialului prin prezența elementelor de aliere suplimentare. În cazul în care la metal se adaugă crom, nichel, cupru, vanadiu, titan, azot în stare legată chimic, acesta se numește aliaj. Acești aditivi reduc riscul de fractură fragilă, cresc rezistența la coroziune și rezistența. Cantitatea indică gradul de aliere a oțelului:

• slab aliat - până la 2,5 % elemente de aliere;
• Aliaje medii - de la 2,5 la 10 %;
• Până la 50 % înalt aliate.

Ce înseamnă acest lucru? De exemplu, o creștere a oricăreia dintre proprietățile oțelului poate fi obținută după cum urmează:

1. Adăugarea de crom. Are un efect pozitiv asupra proprietăților mecanice la un nivel de doar 2% din volumul total.
2. Adăugarea de 1% până la 5% nichel crește marja de rezistență la temperatură. Și reduce fragilitatea la rece.
3. Manganul funcționează într-un mod similar cu nichelul, deși este considerabil mai ieftin. Cu toate acestea, crește, de asemenea, sensibilitatea metalului la supraîncălzire.
4. Tungstenul este un aditiv de formare a carburilor care asigură o duritate ridicată. Deoarece inhibă creșterea boabelor atunci când este încălzit.
5. Molibdenul este un aditiv costisitor. Crește rezistența la căldură a oțelurilor de mare viteză.
6. Siliciu. Crește rezistența la acizi, elasticitatea, rezistența la calcar.
7. Titan. Poate contribui la structura fină a granulelor atunci când este combinat cu crom și mangan.
8. Cupru. Îmbunătățește rezistența la coroziune.
9. Aluminiu. Crește rezistența la căldură, rezistența la calcar, rezistența la impact.

Structura

Identificarea compoziției oțelului ar fi incompletă fără examinarea structurii sale. Dar acest lucru nu este uniform și poate depinde de o serie de factori, cum ar fi: regimul de tratament termic, viteza de răcire, gradul de aliere. Structura oțelului trebuie determinată după recoacere sau normalizare. După recoacere, metalul este separat:

• structură pre-eutectoidă - cu exces de ferită;
• Eutectoid, care constă în perlit;
• zeutectoid - cu carburi secundare;
• ledeburit - cu carburi primare;
• Austenitic - cu o rețea centrată pe față
• Ferită - cu o rețea cubică centrată.

Determinarea clasei de oțel este posibilă după normalizare. Se referă la un tip de tratament termic care implică încălzirea, menținerea și răcirea ulterioară. Aici distingem clasele perlitică, austenitică și ferită.

Calitate

Noi definim tipurile de oțel în termeni de calitate în patru moduri. Așa este:

1. Oțelurile de calitate obișnuită sunt oțeluri cu un conținut de carbon de până la 0,6%, care sunt topite într-un cuptor cu foc deschis sau în convertizoare care utilizează oxigen. Acestea sunt considerate cele mai ieftine oțeluri și au performanțe inferioare celor ale altor metale din grup. Exemple de astfel de oțeluri sunt St0, St3sp, St5kp.
2. Calitativ. Reprezentanți importanți ai acestor oțeluri sunt de acest tip oțelurile sunt St08kp, St10ps, St20. Acestea sunt topite folosind aceleași cuptoare, dar cu cerințe mai mari privind încărcătura și procesele de producție.
3. Oțelurile de înaltă calitate sunt topite în cuptoare electrice, ceea ce garantează creșterea purității materialului în ceea ce privește incluziunile nemetalice, adică îmbunătățirea proprietăților mecanice. Aceste materiale includ St20A, St15Cr2MA.
4. Oțelurile de calitate super înaltă sunt produse prin metode speciale de metalurgie. Acestea sunt supuse la topirea cu zgură electrică pentru a elimina sulfurile și oxizii. Oțelurile de acest tip includ St18CrNiNrSh, St20CrNiNrSh.

Oțeluri structurale

Acesta este probabil cel mai simplu și mai direct semn pe care îl poate înțelege o persoană obișnuită. Se face o distincție între oțeluri pentru construcții, oțeluri pentru scule și oțeluri speciale. Oțelurile structurale sunt în mod obișnuit subdivizate în diferite tipuri:

1. Oțelurile pentru construcții sunt oțeluri obișnuite cu carbon și oțeluri slab aliate. Acestea au mai multe cerințe, principala fiind o sudabilitate suficient de ridicată. Exemple: StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Oțelurile cimentabile sunt utilizate pentru produsele care funcționează în condiții de uzură superficială și, în același timp, sub sarcini dinamice. Printre acestea se numără oțelurile cu conținut scăzut de carbon St15, St20, St25 și unele oțeluri aliate: St15Х, St20Х, St15ХФ, St20ХН, St12ХНЗА, St18Х2Н4ВА, St18Х2Н4МА, St18ХГТ, St20ХГР, St30ХГТ.
3. Pentru formarea la rece, se folosesc oțeluri de calitate cu conținut scăzut de carbon. Cum ar fi St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Oțeluri călibile, care sunt îmbunătățite prin călire și revenire înaltă. Acestea sunt oțeluri cu conținut mediu de carbon (St35, St40, St45, St50), oțeluri cu crom (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), precum și oțeluri cu crom-siliciu-mangan, crom-nichel-molibden și crom-nichel.
5. Metalele pentru arcuri elastice sunt elastice și își păstrează proprietățile elastice pentru o perioadă lungă de timp, deoarece sunt foarte rezistente la oboseală și la fractură. Acestea sunt oțeluri carbon St65, St70 și oțeluri aliate (St60C2, St50CGS, St60C2CFA, St55CGR).
6. Oțelurile de înaltă rezistență sunt cele care au o rezistență dublă față de alte oțeluri structurale, obținută prin tratament termic și compoziție chimică. În principal, oțeluri aliate cu carbon mediu, cum ar fi St30CrNi2A, St40CrNi2MA, St30CrNi3MA, St38CrNi9M5T, St04CrNi9M2D2Tu.
7. Oțelurile pentru rulmenți cu bile se caracterizează prin robustețea lor deosebită, rezistența ridicată la uzură și rezistență. Acestea sunt supuse unor cerințe stricte pentru a fi lipsite de orice tip de incluziuni. Acestea includ oțeluri cu conținut ridicat de carbon cu conținut de crom (StShKh9, StShKh15).
8. Oțelurile pentru rulmenți sunt definite ca fiind. Acestea sunt specimene destinate utilizării la fabricarea de produse neresponsabile, cum ar fi șuruburi, Piulițe, șuruburi. Aceste piese forjate sunt de obicei prelucrate prin tăiere. De aceea, sarcina principală este de a îmbunătăți prelucrabilitatea pieselor, ceea ce se realizează prin introducerea în material a telurului, seleniului, sulfului și plumbului. Astfel de aditivi favorizează formarea de așchii fragile și scurte în timpul prelucrării și reduc frecarea. Principalii reprezentanți ai oțelurilor automate sunt denumiți StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Oțelurile rezistente la coroziune includ Oțeluri aliate Oțeluri cu un conținut de crom de aproximativ 12%, deoarece formează o peliculă de oxid la suprafață care previne coroziunea. Reprezentanți ai acestor aliaje sunt St12X13, St20X17H2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NUT,
10. Clasele rezistente la uzură sunt utilizate în produsele care funcționează în condiții de frecare abrazivă, impact și presiune ridicată. Exemplele includ piese pentru șine de cale ferată, mașini de concasare și mașini pe șenile, cum ar fi St110G13L.
11. Oțelurile pentru temperaturi înalte pot funcționa la temperaturi ridicate. Acestea sunt utilizate la fabricarea țevilor și a componentelor turbinelor cu gaz și cu abur. Acestea sunt, în principal, probe slab aliate cu conținut scăzut de carbon, cu nichel ca și componentă, care pot conține aditivi precum molibden, nobiu, titan, tungsten, bor etc. Exemple sunt St15CrM, St25Cr2M1F, St20Cr2MVF, St40Cr2M, St12Cr18Ni9T, StXN62MVKY.
12. Rezistent la căldură este deosebit de rezistent la atac chimic în aer, gaz și cuptor, în medii oxidante și de carburare, dar prezintă rezistență la fluaj în condiții de sarcini severe. Reprezentanți ai acestui tip sunt St15Cr5, St15Cr6CM, St40Cr9Cr2, St20Cr20N14Cr2.

Oțeluri pentru scule

În această grupă, aliajele sunt subdivizate în matrițe, pentru scule de tăiere și de măsurare. Există două tipuri de oțel pentru unelte.

• Materialul pentru deformare la rece trebuie să aibă o duritate ridicată, rezistență, rezistență la uzură și rezistență la căldură. Dar au o rezistență suficientă (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materialul de formare la cald are o bună rezistență și tenacitate. În plus față de rezistența la uzură și calcar (St5CrNm, St5CrNV, St4CrZVMF, St4Cr5V2FS).

Oțelurile pentru uneltele de măsură, pe lângă faptul că sunt rezistente la uzură și dure, trebuie să fie stabile din punct de vedere dimensional și ușor de rectificat. Aceste aliaje sunt utilizate pentru a produce calibre, suporturi, șabloane, rigle, cântare, plăci. Printre exemple se numără StU8, St12X1, StXVG, StX12F1.

Identificarea grupurilor de oțeluri pentru scule de tăiere este relativ ușoară. Aceste aliaje trebuie să fie capabile să taie și să mențină o duritate ridicată pe o perioadă lungă de timp, chiar și atunci când sunt supuse la căldură. Aceasta include Oțeluri carbon și oțeluri aliate oțeluri pentru scule, precum și oțeluri de mare viteză. Următoarele sunt unele dintre cele mai reprezentative calități: StU7, StU13A, St9ÕÑ, StXVG, StR6M5, StRUK5Ô5.

Dezoxidarea aliajelor

Clasele de dezoxidare includ trei tipuri de oțel: liniștit, semiliniștit și în fierbere. Termenul în sine denotă îndepărtarea oxigenului din aliajul lichid.

Oțelurile silențioase nu produc aproape deloc gaze în timpul solidificării. Acest lucru se datorează eliminării complete a oxigenului și formării unui înveliș de contracție deasupra lingoului, care este apoi tăiat.

În cazul oțelurilor semiquiescente, gazele sunt emise parțial, adică mai mult decât în cazul oțelurilor quiescente, dar mai puțin decât în cazul oțelurilor în fierbere. Nu există coajă, ca în procedura anterioară, ci bule în partea de sus.

Aliajele aflate în fierbere degajă cantități mari de gaz în timpul solidificării, iar în secțiunea transversală este destul de ușor să se distingă diferența de compoziție chimică între straturile superioare și inferioare.

Duritate

Acest termen se referă la capacitatea unui material de a rezista la o rezistență mai dură, mai penetrantă. Pentru determinarea durității au fost utilizate trei metode: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Cu metoda Brinell, o bilă de oțel călit este forțată în suprafața unei probe șlefuite. Prin examinarea diametrului adânciturii se determină duritatea.

Metoda de duritate Rockwell pentru oțel. Se bazează pe calcularea adâncimii de penetrare a unui vârf sub forma unui con de diamant cu un unghi de 120 de grade.

O piramidă tetraedrică de diamant este presată în epruvetă de către Vickers. Cu un unghi de 136 de grade pe laturile opuse.

Poate fi determinată o calitate a oțelului fără analiză chimică? Specialiștii în metalurgie sunt capabili să identifice clasa de oțel din scânteia. Este posibil să se identifice constituenții metalului. De exemplu:

• Oțelul CVG are scântei de culoare purpuriu închis cu pete și buchete de culoare galben-roșie. La capetele firelor ramificate apar stele roșii strălucitoare cu cristale galbene în mijloc.
• P18 se identifică, de asemenea, prin scânteile de culoare purpurie închisă cu ciorchini galbeni și roșii la început, dar firele sunt drepte și neramificate. Există scântei cu unul sau două cristale de culoare galben deschis la capetele mănunchiurilor.
• Oțelurile XG, XX, XX15 și XX9 au scântei galbene cu ușoare explozii stelare. Și pete roșii pe ramuri.
• Oțelul U12F se caracterizează prin scântei de culoare galben deschis, cu stele dense și grosiere. Cu mai multe fascicule roșu-galben.
• Oțelurile 15 și 20 au scântei de culoare galben deschis, multe ramificații și stele. Dar puține pachete.

Determinarea oțelului prin scânteie este o metodă suficient de precisă pentru experți. Dar publicul larg nu poate caracteriza un metal doar prin observarea culorii unei scântei.

Sudabilitate

Capacitatea metalelor de a forma o îmbinare sub anumite influențe se numește sudabilitate a oțelurilor. Acest lucru poate fi determinat după ce se determină conținutul de fier și de carbon.

Oțelurile cu conținut scăzut de carbon sunt considerate a se conecta bine prin sudare. Atunci când conținutul de carbon depășește 0,45%, sudabilitatea se deteriorează și se deteriorează cel mai mult atunci când conținutul de carbon este ridicat. Acest lucru se întâmplă, de asemenea, pentru că eterogenitatea materialului crește, iar la granițele granulelor se formează incluziuni de sulfuri care duc la fisurare și la creșterea tensiunii interne.

Agenții de aliere contribuie, de asemenea, la deteriorarea articulațiilor. Cromul, molibdenul, manganul, siliciul, vanadiul, fosforul sunt considerate cele mai nefavorabile elemente chimice pentru sudare.

Cu toate acestea, aderența la tehnologia la locul de muncă Cu oțeluri slab aliate asigură un procent bun de sudabilitate fără a fi nevoie de măsuri speciale. Determinarea sudabilității este posibilă după evaluarea unui număr de proprietăți importante ale materialului:

• Viteza cu care se răcește.
• Compoziția chimică.
• Tipul de cristalizare primară și modificări structurale în timpul sudării.
• Capacitatea metalului de a forma fisuri.
• Tendința materialului de a forma forma formațiuni de întărire.