Jeśli zawartość węgla w żelazie przekracza określoną górną granicę, wówczas materiał traci swoje właściwości plastyczne i możliwa jest praca z nim tylko przez odlewanie.
Ogólne właściwości
Stal nie powinna być mylona z żelazem, które jest metalem stałym i stosunkowo ciągliwym, ma średnicę atomową 2, 48 angstremów, temperaturę topnienia 1535 ° C i temperaturę wrzenia 2740 ° C. Z kolei węgiel jest niemetalem o średnicy atomowej 1, 54 angstremów, miękkiej i kruchej w większości jego alotropowych modyfikacji (z wyjątkiem diamentu). Dyfuzja tego pierwiastka w strukturze krystalicznej żelaza jest możliwa dzięki różnicy w ich średnicach atomowych. W wyniku tej dyfuzji powstaje ten materiał.
Główną różnicą między żelazem a stalą jest procent węgla wskazany powyżej. Materiał może mieć inną mikrostrukturę w zależności od określonej temperatury. Może być w następujących strukturach (więcej informacji można znaleźć w diagramie fazy żelazo-węgiel):
- perlit;
- cementyt;
- ferryt;
- austenit.
Materiał zachowuje właściwości żelaza w stanie czystym, ale dodatek węgla i innych pierwiastków, zarówno metali, jak i niemetali, poprawia jego właściwości fizykochemiczne.
Istnieje wiele rodzajów stali w zależności od dodanych elementów. Grupa stali węglowych jest tworzona przez materiały, w których węgiel jest jedynym dodatkiem. Nazwy innych specjalnych materiałów wynikają z ich podstawowych funkcji i właściwości, które są określane przez ich strukturę i dodawane są dodatkowe elementy, na przykład krzem, cement, stal nierdzewna, stopy strukturalne i tak dalej.
Z reguły wszystkie materiały z dodatkami są łączone pod jedną nazwą - stale specjalne, które różnią się od zwykłych stali węglowych, a te ostatnie służą jako materiał podstawowy do produkcji specjalnych materiałów. Taka różnorodność materiału w zależności od jego właściwości i właściwości doprowadziła do tego, że stal zaczęto nazywać „stopem żelaza i innej substancji, która zwiększa jego twardość”.
Elementy metalowe
Dwa główne składniki stali występują w obfitości w przyrodzie, co sprzyja ich produkcji na dużą skalę. Różnorodność właściwości i dostępności tego materiału sprawia, że nadaje się do takich gałęzi przemysłu, jak inżynieria, produkcja narzędzi, budownictwo, przyczyniając się do uprzemysłowienia społeczeństwa.
Pomimo swojej gęstości (ciężar właściwy stali kg m3 wynosi 7850, czyli masa stali o objętości 1 m³ wynosi 7850 kilogramów, dla porównania gęstość aluminium wynosi 2700 kg / m3) jest stosowana we wszystkich sektorach przemysłu, w tym w aeronautyce. Powodem jego zróżnicowanego zastosowania są zarówno plastyczność, jak i twardość, a także stosunkowo niski koszt.
Dodatki i ich właściwości
Specjalna klasyfikacja stali określa obecność określonego elementu w jego składzie i jego procent wagowy. Elementy są dodawane do stopu, aby nadać tym ostatnim specyficzne właściwości, na przykład, aby zwiększyć jego wytrzymałość mechaniczną, twardość, odporność na zużycie, zdolność topienia i inne. Poniżej znajduje się lista najczęściej stosowanych suplementów i efektów.
- Aluminium : dodaje się w stężeniach bliskich 1%, aby zwiększyć twardość stopu, aw stężeniach mniejszych niż 0, 008% jako przeciwutleniacz dla materiałów odpornych na ciepło.
- Bor : w niskich stężeniach (0, 001–0, 006%) zwiększa hartowność materiału, nie zmniejszając jego zdolności do obróbki. Stosowany w materiałach niskiej jakości, na przykład w produkcji pługów, drutów, zapewniających ich twardość i ciągliwość. Jest również stosowany jako pułapki azotowe w krystalicznej strukturze żelaza.
- Kobalt Zmniejsza hartowność i utwardza materiał i zwiększa jego twardość w wysokich temperaturach. Zwiększa również właściwości magnetyczne. Stosowany w materiałach żaroodpornych.
- Chrom : ze względu na tworzenie węglików stal nadaje wytrzymałość i odporność na wysokie temperatury, zwiększa odporność na korozję, zwiększa głębokość tworzenia węglików i azotków podczas obróbki termochemicznej, jest używany jako stała powłoka ze stali nierdzewnej dla osi, tłoków i tak dalej.
- Molibden zwiększa twardość i odporność na korozję materiałów austenitycznych.
- Dodaje się azot w celu ułatwienia tworzenia austenitu.
- Nikiel czyni austenit stabilnym w temperaturze pokojowej, zwiększając twardość materiału. Stosowany w stopach żaroodpornych.
- Ołów tworzy małe kuliste formacje, które zwiększają zdolność do obróbki stali. Ten element zapewnia smarowanie materiału w procentach od 0, 15% do 0, 30%.
- Krzem zwiększa hartowność i odporność na utlenianie materiału.
- Tytan stabilizuje stop w wysokich temperaturach i zwiększa jego odporność na utlenianie.
- Wolfram tworzy razem ze stabilnymi żelazami i bardzo twardymi węglikami, które pozostają stabilne w wysokich temperaturach, 14-18% tego pierwiastka pozwala tworzyć stal tnącą, która może być stosowana trzy razy częściej niż zwykła stal węglowa.
- Wanad zwiększa odporność na utlenianie materiału i tworzy złożone węgliki z żelazem, które zwiększają odporność na zmęczenie.
- Niob nadaje stopowi twardość, plastyczność i plastyczność. Stosowany w materiałach konstrukcyjnych i automatyzacji.
Zanieczyszczenia w stopie
Zanieczyszczenia nazywane są elementami niepożądanymi w składzie stali. Są one zawarte w samym materiale i wpadają do niego w wyniku wytapiania, ponieważ są zawarte w łatwopalnym paliwie i minerałach. Konieczne jest zmniejszenie ich zawartości, ponieważ osłabiają one właściwości stopu. W przypadku, gdy ich usunięcie ze składu materiału jest niemożliwe lub kosztowne, spróbuj zmniejszyć ich procent do minimum.
Siarka: jej zawartość jest ograniczona do 0, 04%. Element tworzy siarczki razem z żelazem, które z kolei wraz z austenitem tworzą eutektykę o niskiej temperaturze topnienia. Siarczki są uwalniane na granicach ziaren. Zawartość siarki znacznie ogranicza możliwość termicznej i mechanicznej obróbki materiałów w średnich i wysokich temperaturach, ponieważ prowadzi to do zniszczenia materiału wzdłuż granic ziaren.
Dodatki manganu pozwalają kontrolować zawartość siarki w materiałach. Mangan jest ściślej związany z siarką niż żelazem, dlatego zamiast siarczku żelaza powstaje siarczek manganu, który ma wysoką temperaturę topnienia i dobre właściwości plastyczne. Stężenie manganu musi być pięć razy większe niż stężenie siarki, aby zapewnić pozytywny efekt. Mangan zwiększa również zdolność obróbki stali.
Fosfor: maksymalny limit jego zawartości w stopie wynosi 0, 04%. Fosfor jest szkodliwy, ponieważ rozpuszcza się w ferrycie, zmniejszając w ten sposób jego plastyczność. Fosforek żelaza wraz z austenitem i cementytem tworzy kruchą eutektykę o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia. Uwalnianie fosforku żelaza na granicach ziaren powoduje, że materiał jest kruchy.
Właściwości mechaniczne i technologiczne stali
Bardzo trudno jest określić specyficzne właściwości fizyczne i mechaniczne stali, ponieważ liczba jej typów jest zróżnicowana ze względu na różny skład i obróbkę cieplną, które pozwalają na tworzenie materiałów o szerokiej gamie właściwości chemicznych i mechanicznych. Ta różnorodność doprowadziła do tego, że produkcja tych materiałów i ich przetwarzanie zaczęły być przypisane do odrębnej gałęzi metalurgii - metalurgii żelaza, która różni się od hutnictwa metali nieżelaznych. Można jednak podać wspólne właściwości stali, które przedstawiono na poniższej liście.
- Ciężar objętościowy stali, tj. Masa 1 m³, wynosi 7850 kg. Gęstość stali g cm3 wynosi zatem 7, 85.
- W zależności od temperatury materiał może być zginany, rozciągany i topiony.
- Temperatura topnienia zależy od rodzaju stopu i procentu dodatków. Zatem czyste żelazo topi się w temperaturze 1510 ° C, z kolei stal ma temperaturę topnienia 1375 ° C, która wzrasta wraz ze wzrostem procentu węgla i innych jego pierwiastków (z wyjątkiem eutektyków, które topią się w niższych temperaturach). Stal szybkotnąca topi się w temperaturze 1650 ° C.
- Gotuje materiał w temperaturze 3000 ° C
- Jest to materiał odporny na odkształcenia, którego twardość wzrasta wraz z dodaniem innych elementów.
- Ma względną plastyczność (używając go można uzyskać cienkie nitki poprzez rysowanie - drut), a także plastyczność (można uzyskać płaskie blachy o grubości 0, 12-0, 50 mm - cyna, która jest zwykle pokryta cyną, aby zapobiec utlenianiu).
- Przed użyciem ciepła stop jest obrabiany.
- Niektóre kompozyty mają pamięć kształtu i są zdeformowane o wartość większą niż granica plastyczności.
- Twardość stali zmienia się między twardością żelaza a twardością struktur otrzymywanych w procesach termicznych i chemicznych. Wśród nich najbardziej znanym jest hartowanie, stosowane do materiałów o wysokiej zawartości węgla. Wysoka twardość powierzchni stali pozwala na zastosowanie jej jako narzędzia tnącego. Aby uzyskać tę cechę, która jest utrzymywana do wysokich temperatur, do stali dodaje się chrom, wolfram, molibden i wanad. Zmierz twardość metalu w Brinell, Vickers i Rockwell.
- Ma dobre właściwości odlewnicze.
- Zdolność do korozji jest jedną z głównych wad stali, ponieważ utlenione żelazo zwiększa swoją objętość i prowadzi do pojawienia się pęknięć na powierzchni, co z kolei przyspiesza proces niszczenia. Tradycyjnie metal był chroniony przed korozją przez różne obróbki powierzchni. Ponadto niektóre związki stały się odporne na utlenianie, na przykład materiały nierdzewne.
- Ma wysoką przewodność elektryczną, która nie różni się znacznie w zależności od składu stopu. W napowietrznych liniach elektroenergetycznych najczęściej stosowane są przewody aluminiowe, które są pokryte płaszczem stalowym. Ta ostatnia zapewnia drutom niezbędną wytrzymałość mechaniczną, a także przyczynia się do ich tańszej produkcji.
- Używany do produkcji sztucznych magnesów trwałych, ponieważ namagnesowana stal nie traci swojej magnetycznej zdolności do określonej temperatury. Struktura ferrytu stalowego ma właściwości magnetyczne, podczas gdy struktura austenitu nie jest magnetyczna. Magnesy na bazie stali do stabilizacji struktury ferrytu zawierają z reguły około 10% niklu i chromu.
- Wraz ze wzrostem temperatury produkt wykonany z tego materiału zwiększa swoją długość. Dlatego, jeśli w konkretnej strukturze występują stopnie swobody, to rozszerzalność cieplna nie stanowi problemu, ale jeśli takie stopnie swobody nie istnieją, wówczas ekspansja stali doprowadzi do dodatkowych naprężeń, które należy wziąć pod uwagę. Współczynnik rozszerzalności cieplnej stali jest zbliżony do współczynnika betonu. Fakt ten umożliwia ich łączne stosowanie w konstrukcjach różnych typów, taki materiał jest nazywany żelbetem.
- Jest to materiał niepalny, ale jego podstawowe właściwości mechaniczne szybko pogarszają się pod wpływem otwartego ognia.