Čelik: definicija, klasifikacija, hemijski sastav i primjena

Koliko često čujemo riječ "čelik". I izgovaraju ga ne samo profesionalci u oblasti metalurške proizvodnje, već i obični ljudi. Nijedna čvrsta struktura ne može bez čelika. Zapravo, kada govorimo o nečemu metalnom, mislimo na proizvod od čelika. Hajde da saznamo od čega se sastoji i kako je klasifikovan.

Definicije

Čelik je možda najpopularnija legura, koja se zasniva na gvožđu i ugljeniku. Štaviše, udio potonjih kreće se od 0,1 do 2,14%, a prvi ne može biti niži od 45 %. Jednostavnost proizvodnje i dostupnost sirovina od presudnog su značaja za širenje ovog metala na sve sfere ljudske djelatnosti.

Glavni karakteristike materijala varira 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 - za davanje otpornosti na toplotu i nikl - za pružanje otpornosti na koroziju.

Obavezne komponente materijala doprinose pojavi dodatnih prednosti. Dakle, gvožđe čini leguru savitljivom i lako deformabilnom pod određenim uslovima, a ugljenik-čvrstoća i tvrdoća u isto vreme lomljivost. Zato je njegov udio tako mali u ukupnoj masi čelika. Određivanje metode proizvodnje legura dovelo je do sadržaja mangana u njoj u količini od 1 % i silicijuma-0,4 %. Postoji niz nečistoća koje se pojavljuju tokom topljenja metala i koje se pokušavaju riješiti. Zajedno sa fosforom i sumporom, kiseonik i azot takođe degradiraju svojstva materijala, čineći ga manje izdržljivim i menjajući plastičnost.

Kla_sifikacija:

Definicija čelika kao metala sa određenim skup karakteristika, naravno, nema sumnje. Međutim, njegov sastav omogućava klasifikaciju materijala u nekoliko smjerova. Na primjer, metali se razlikuju po sljedećim karakteristikama:

• hemijski;
• po strukturnim;
• po kvalitetu;
• po dogovoru;
• prema stepenu deoksidacije;
• po tvrdoći;
• prema zavarivosti čelika.

Definicija čelika, oznaka i sve njegove karakteristike biće opisane u nastavku.

Označavanje

Nažalost, ne postoji globalna oznaka čelika, što značajno komplikuje trgovinske operacije između zemalja. U Rusiji je definisan alfanumerički sistem. Slova označavaju naziv elemenata i metodu deoksidacije, a brojevi označavaju njihov broj.

Hemijski sastav

Postoje dva načina podjele čelika hemijskim sastavom. Definicija koju daju savremeni udžbenici omogućava razlikovanje karbonatnog i legiranog materijala.

Prva karakteristika definiše čelik kao niskougljični, srednje ugljenični i visokougljični, a druga-niskolegirane, srednje legure i visoke legure. naziva se metal sa niskim ugljikom, koji može uključivati, prema GOST 3080-2005, pored željeza, sljedeće komponente:

• Ugljenik-do 0,2 %. Promoviše termičko otvrdnjavanje, zbog čega se privremeni otpor i tvrdoća udvostručuju.
• Mangan u količini do 0,8% aktivno ulazi u hemijsku vezu sa kiseonikom i ne dozvoljava stvaranje željeznog oksida. Metal bolje podnosi dinamička opterećenja i podložniji je termičkom stvrdnjavanju.
• Silicijum – do 0,35 %. Uz pomoć njega, mehaničke karakteristike kao što su viskozitet, snaga, zavarljivost postaju bolje.

Prema GOST-u, definicija čelika kao niskougljika daje se metalu koji sadrži, osim korisnih, i niz štetnih nečistoća u sljedećim količinama. Ovo su:

• Fosfor-do 0,08% odgovoran je za pojavu hladnog preloma, narušava izdržljivost i snagu. Smanjuje snagu udara metala.
• Sumpor-do 0,06 %. Komplikuje obradu metala pritiskom, povećava lomljivost oslobađanja.
• Nitrogen. Smanjuje tehnološka i čvrstoća svojstva legure.
• Kiseonik. Smanjuje snagu i sprečava obradu alata tokom sečenja.

Treba napomenuti da su čelici sa niskim ili niskim udjelom ugljika posebno meki i duktilni. Dobro se deformišu i u toplim i u hladnim uslovima.

Definicija srednjeg ugljeničnog čelika, kao i njegov sastav, naravno, razlikuju se od gore opisanog materijala. I najveći razlika je količina ugljenika, koja se kreće od 0,2 do 0,45 %. Takav metal ima nisku viskoznost i plastičnost zajedno sa odličnim svojstvima snage. Dijelovi koji se koriste za konvencionalna energetska opterećenja obično su izrađeni od čelika srednje ugljika.

Ako je sadržaj ugljika veći od 0,5%, tada se takav čelik naziva visokim ugljikom. Ima povećanu tvrdoću, smanjen viskozitet, plastičnost i koristi se za utiskivanje alata i dijelova toplom i hladnom deformacijom.

Pored identifikacije ugljenika prisutnog u čeliku, moguće je odrediti karakteristike materijala kroz dodatne nečistoće sadržane u njemu. Ako se hrom, nikl, bakar, vanadijum, titanijum, azot u hemijski vezanom stanju namerno unose u metal, pored uobičajenih elemenata, onda se on naziva legiranim. Takvi aditivi smanjuju rizik od lomljivih preloma, povećavaju otpornost na koroziju i snagu. Njihov broj označava stepen legiranja čelika:

• niskolegirana - ima do 2,5% aditiva za legiranje;
• srednja legura - od 2,5 do 10 %;
• visoka legura - do 50 %.

Šta to znači? Na primer, povećanje bilo kakvih svojstava čelika je obezbeđeno na sledeći način:

1. Dodatak hroma. Pozitivno utiče na mehaničke karakteristike već u količini od 2 % ukupne zapremine.
2. Uvođenje nikla sa 1 do 5% povećava temperaturnu rezervu viskoznosti. I smanjuje hladno lomljenje.
3. Mangan funkcioniše na isti način kao i nikl, iako je mnogo jeftiniji. Međutim, povećava osetljivost metala na pregrevanje.
4. Volfram je aditiv za formiranje karbida koji pruža visoku tvrdoću. Zato što sprečava rast zrna kada se zagreje.
5. Molibden je skup aditiv. Što povećava otpornost na toplotu čelika velike brzine.
6. Silicij. Povećava otpornost na kiseline, elastičnost, otpornost na skale.
7. Titana. Može doprinijeti formiranju sitnozrnate strukture u kombinaciji sa hromom i manganom.
8. Bakar. Povećava antikorozivna svojstva.
9. Aluminijum. Povećava otpornost na toplotu, skalu, snagu udara.

Struktura

Određivanje sastava čelika bilo bi nepotpuno bez proučavanja njegove strukture. Međutim, ova karakteristika nije konstantna i može zavisiti od niza faktora, kao što su: režim termičke obrade, brzina hlađenja, stepen legiranja. Prema pravilima, strukturu čelika treba odrediti nakon žarenja ili normalizacije. Nakon žarenja, metal se dijeli na:

• pre-eutektoidna struktura - sa viškom ferita;
• eutektoid, koji se sastoji od perlita;
• zaeutectoid – sa sekundarnim karbidima;
• od Ledeburita – sa primarnim karbidima;
• austenitni-sa kristalnom rešetkom centriranom na licu;
• feritni-sa rešetkom centriranom kubičnom zapreminom.

Određivanje klase čelika moguće je nakon normalizacije. Podrazumijeva se kao vrsta termičke obrade, uključujući grijanje, izlaganje i naknadno hlađenje. Postoje različite klase perlita, austenita i feritisa.

Kvaliteta

Definicija tipova postala je moguća u pogledu kvaliteta u četiri pravca. Ovo:

1. Običnog kvaliteta su čelici sa sadržajem ugljenika do 0,6%, koji se tope u peći na otvorenom ili u pretvaračima pomoću kiseonika. Smatraju se najjeftinijim i po karakteristikama su inferiorni u odnosu na metale drugih grupa. Primjer takvih čelika su St0, St3sp, St5kp.
2. Visoka kvaliteta. Svijetli predstavnici ovog tipa su čelik St08kp, St10ps, St20. Tope se istim pećima, ali sa većim zahtjevima za procese punjenja i proizvodnje.
3. Visokokvalitetni čelici se tope u električnim pećima, što garantuje povećanje čistoće materijala za nemetalne inkluzije, odnosno poboljšanje mehaničkih svojstava. Takvi materijali uključuju St20A, St15X2MA.
4. Posebno visokokvalitetni-proizveden metodom posebne metalurgije. Podvrgnuti su topljenju elektroslaga, koje obezbeđuje prečišćavanje od sulfida i oksida. Čelici ovog tipa uključuju St18HG-Sh, St20HGNTR-Sh.

Strukturalni čelik

Ovo je možda najjednostavniji i najrazumljiviji znak za laike. Postoje strukturalni, alatni i specijalni čelici. Strukturno se obično dijeli na:

1. Konstrukcija – ovo su karbonski čelici običnog kvaliteta i predstavnici niskolegiranog asortimana. Za njih postoji nekoliko zahtjeva, od kojih je glavni zavarivost na dovoljno visokom nivou. Primjeri su StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Izrađeni su cementirani proizvodi koji rade u uslovima površinskog habanja i istovremeno doživljavaju dinamička opterećenja. To uključuje niskougljične čelike St15, St20, St25 i neke legirane: St15H, St20H, St15HF, St20HN, St12HNZA, St18X2N4VA, St18X2N4MA, St18HGT, St20HGR, St30HGT.
3. Za hladno žigosanje koristi se valjano lišće iz visokokvalitetnih uzoraka sa niskim udjelom ugljika. Kao što su ST08YU, St08ps, St08kp.
4. Poboljšani čelici koji se poboljšaju tokom gašenja i visokog kaljenja. To su čelici srednjeg ugljenika (St35, St40, St45, St50), hroma (St40X, St45X, St50X, St30HRA, St40HR), kao i hrom-silicijum mangan, hrom-nikl molibden i hrom-nikl.
5. Opružne opruge imaju elastična svojstva i zadržavaju ih dugo vremena, jer imaju visok stepen otpornosti na umor i uništavanje. To su karbonski predstavnici st65, St70 i legiranih čelika (St60X2, St50HGS, St60X2HFA, St55HGR).
6. Uzorci visoke čvrstoće su oni koji imaju dvostruko veću snagu od ostalih strukturnih čelika, postignutu termičkom obradom i hemijskim sastavom. U rinfuzi, to su legirani čelik srednjeg ugljika, na primjer, St30HGSN2A, St40XN2MA, ST30HGS, St38HN3MA, STZN18K9M5T, St04HIN9M2D2TY.
7. Čelik sa kugličnim ležajevima karakteriše posebna izdržljivost, visok stepen otpornosti na habanje i čvrstoća. Moraju imati zahtjeve za odsustvo različitih vrsta inkluzija. Ovi uzorci uključuju visokougljične čelike sa sadržajem hroma u sastavu (STSHX9, STSHX15).
8. Automatski čelici imaju sljedeću definiciju. Ovo su uzorci za upotrebu u proizvodnji ne-odgovornih proizvoda, kao što su kao vijci, , nuts, vijci. Takvi rezervni dijelovi se obično obrađuju rezanjem. Stoga je glavni zadatak povećati obradivost dijelova, što se postiže uvođenjem telura, Selena, sumpora i olova u materijal. Takvi aditivi doprinose stvaranju krhkih i kratkih čipsa tokom obrade i smanjuju trenje. Glavni predstavnici automatskih čelika označeni su na sljedeći način: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Čelik otporan na koroziju uključuje legirani čelik sa sadržajem hroma od oko 12%, jer na površini stvara oksidni film koji sprečava koroziju. Predstavnici ovih legura su St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NUT,
10. Uzorci otporni na habanje koriste se u proizvodima koji rade pod abrazivnim trenjem, uticajima i visokim pritiskom. Primjer su detalji željezničkih pruga, drobljenja i gusjeničarskih vozila, poput St110G13L.
11. Čelik otporan na toplotu može raditi na visokoj temperaturi. Koriste se u proizvodnji cijevi, rezervnih dijelova za gasne i parne turbine. To su uglavnom visokolegirani niskougljični uzorci koji nužno sadrže nikl, koji može sadržavati aditive u obliku molibdena, nobija, titanijuma, volframa, bora. Primer može biti St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, ST40XYUS2M, St12X18N9T, STHN62MVKYU.
12. Otporni na toplotu su posebno otporni na hemijska oštećenja u vazduhu, gasu i peći, oksidacionim i karburizacionim okruženjima, ali pokazuju puzanje pod velikim opterećenjima. Predstavnici ovog tipa su St15X5, St15X6CM, St40X9X2, St20X20N14X2.

Čelični alat

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

• Materijal za hladnu deformaciju mora imati visok stepen tvrdoće, čvrstoće, otpornosti na habanje, otpornosti na toplotu. Ali imaju dovoljan viskozitet (StH12F1, StH12M, StH6VF, St6X5VMFS).
• Materijal za toplu deformaciju karakteriše dobra snaga i viskoznost. Zajedno sa otpornošću na habanje i otpornost na skalu (ST5KHNM, ST5KHNV, ST4KHZVMF, St4X5V2FS).

Čelik za merne instrumente, pored otpornosti na habanje i tvrdoće, treba da se razlikuje po veličini i lako se brusi. Od ovih legura izrađeni su kalibri, spajalice, šabloni, lenjiri, vage, pločice. Primer može biti legura StU8, St12X1, StHVG, StH12F1.

Određivanje čeličnih grupa za rezne alate je prilično jednostavno. Takve legure moraju imati sposobnost rezanja i visoku tvrdoću za dugo vremena, čak i ako su grijani. To uključuje ugljenik i legura čelik za alat, kao i čelik velike brzine. Ovdje možete imenovati sljedeće svijetle predstavnike: StU7, StU13A, St9HS, StHVG, StR6M5, STRYUK5F5.

Deoksidacija legure

Definicija čelika prema stepenu deoksidacije podrazumijeva njegove tri vrste: smirenost, polumir i ključanje. Isti koncept odnosi se na uklanjanje kiseonika iz tečne legure.

U mirnom čeliku, gasovi se gotovo ne oslobađaju tokom očvršćavanja. To je zbog potpunog uklanjanja kiseonika i stvaranja ingota skupljajuće ljuske na vrhu, koji se zatim prekida.

U polu-mirnom čeliku, gasovi se djelomično oslobađaju, odnosno više nego u mirnom, ali manje nego u ključanju. Ovdje nema sudopera, kao u prethodnom slučaju, ali na vrhu se formiraju mehurići.

Kipuće legure emituju veliku količinu gasa tokom skrućivanja, a u poprečnom preseku je dovoljno lako primetiti razliku 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 korišćenjem tri metode: L. Brinel, M. Rockwell, O. Vickers.

Prema Brinell metodi, Lopta od kaljenog čelika se utiskuje u poliranu površinu uzorka. Proučavanjem prečnika štampe utvrđuje se tvrdoća.

Rockwell metoda za određivanje tvrdoće čelika. Zasnovan je na izračunavanju dubine prodora vrha u obliku dijamantskog konusa pod uglom od 120 stepeni.

Prema Vickersu, dijamantska tetraedarska piramida utisnuta je u ispitni uzorak. Sa uglom od 136 stepeni na suprotnim stranama.

Da li je moguće odrediti razred čelika bez hemijska analiza? Stručnjaci iz oblasti nauke o metalima mogu prepoznati marku čelika po iskri. Određivanje metalnih komponenti moguće je tokom njegove obrade. Tako, na primer:

• HVG čelik ima tamne grimizne iskre sa žuto-crvenim tačkama i snopovima. Svijetle crvene zvijezde sa žutim zrnima u sredini pojavljuju se na krajevima razgranatih niti.
• Čelik P18 je takođe određen tamnocrvenim iskricama sa žutim i crvenim snopovima na početku, ali niti su ravne i nemaju grane. Na krajevima snopova postoje varnice sa jednim ili dva svetlo žuta zrna.
• Vrste čelika HG, X, SHX15, SHX9 imaju žute iskre sa svjetlosnim zvijezdama. I crvena zrna na granama.
• U12F čelik odlikuje se svijetložutim varnicama sa gustim i velikim zvijezdama. Sa nekoliko crveno-žutih grozdova.
• Čelik 15 i 20 imaju jarko žute iskre, mnoge grane i zvijezde. Ali postoji nekoliko paketa.

Određivanje čelika pomoću spark-a prilično je tačna metoda za stručnjake. Međutim, obični ljudi ne mogu okarakterizirati metal proučavajući samo boju iskre.

Zavarivost

Svojstvo metala da formiraju jedinjenje pod određenim uticajem naziva se zavarljivost čelika. Određivanje ovog indikatora je moguće nakon otkrivanja sadržaja gvožđa i ugljenika.

Smatra se da su niskougljični čelici dobro povezani zavarivanjem. Kada sadržaj ugljika pređe 0,45%, zavarljivost se pogoršava i postaje najgora kada je sadržaj ugljika visok. Ovo se takođe dešava zato što se heterogenost materijala povećava, a sulfidne inkluzije se oslobađaju na granicama zrna, što dovodi do stvaranja pukotina i povećanja unutrašnjeg naprezanja.

Legirajuće komponente također djeluju, razgrađujući spoj. Najnepovoljniji za zavarivanje su hemijski elementi kao što su hrom, molibden, mangan, silicijum, vanadijum, fosfor.

Međutim, poštivanje tehnologije tokom rada sa niskolegiranim čelicima pruža dobar procenat zavarivosti bez upotrebe posebnih mjera. Određivanje zavarljivosti moguće je nakon procjene niza važnih kvaliteta materijala, uključujući:

• Brzina hlađenja.
• Hemijski sastav.
• Vrsta primarne kristalizacije i strukturne promjene tokom zavarivanja.
• Sposobnost metala za formiranje pukotina.
• Tendencija materijala na izgled formacija za gašenje.