Stål: definition, klassificering, kemisk sammansättning och tillämpning

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

Hur ofta hör vi ordet "stål". Och det uttalas inte bara av proffs inom metallurgisk produktion, utan också av stadsborna. Ingen stark struktur är komplett utan stål. I själva verket, när vi talar om något metall, menar vi en produkt gjord av stål. Låt oss ta reda på vad den består av och hur den klassificeras.

Definition

Stål är kanske den mest populära legeringen, som är baserad på järn och kol. Dessutom varierar andelen av de senare från 0,1 till 2,14 %, medan den förra inte kan vara lägre än 45 %. Enkel produktion och tillgång på råvaror är av avgörande betydelse för distributionen av denna metall till alla områden av mänsklig verksamhet.

Materialets huvudsakliga egenskaper varierar beroende på dess kemiska sammansättning. Definitionen av stål som en legering bestående av två komponenter, järn och kol, kan inte kallas fullständig. Det kan till exempel inkludera krom för värmebeständighet och nickel för korrosionsbeständighet.

Obligatoriska komponentermaterial ger ytterligare fördelar. Så, järn gör legeringen formbar och lätt deformerbar under vissa förhållanden, och kol gör styrka och hårdhet samtidigt med sprödhet. Det är därför dess andel är så liten i den totala massan av stål. Bestämning av tillverkningsmetoden för legeringen ledde till innehållet av mangan i den i mängden 1% och kisel - 0,4%. Det finns ett antal föroreningar som uppstår under smältningen av metallen och som de försöker bli av med. Tillsammans med fosfor och svavel försämrar även syre och kväve materialets egenskaper, vilket gör det mindre hållbart och förändrar formbarheten.

Klassificering

Definitionen av stål som en metall med en viss uppsättning egenskaper är naturligtvis utom tvivel. Men det är just dess sammansättning som gör det möjligt att klassificera materialet i flera riktningar. Så till exempel kännetecknas metaller av följande egenskaper:

på kemikalier;
strukturell;
efter kvalitet;
som avsett;
enligt graden av deoxidation;
efter hårdhet;
om stålsvetsbarhet.

Ståldefinition, märkning och alla dess egenskaper kommer att beskrivas nedan.

Markering

Tyvärr finns det ingen global stålbeteckning, vilket i hög grad komplicerar handeln mellan länder. I Ryssland är ett alfanumeriskt system definierat. Bokstäverna anger namnet på grundämnena och metoden för deoxidation, och siffrorna anger deras antal.

Kemisk sammansättning

Det finns två sättuppdelning av stål efter kemisk sammansättning. Definitionen som ges av moderna läroböcker gör det möjligt att skilja mellan kol och legerat material.

Det första attributet definierar stål som låg-kol, medium-kol och hög-kol, och det andra - låglegerat, medium-legerat och höglegerat. En metall med låg kolh alt kallas, som, enligt GOST 3080-2005, kan innehålla, förutom järn, följande komponenter:

Kol - upp till 0,2 %. Det främjar termisk förstärkning, vilket gör att draghållfastheten och hårdheten fördubblas.
Mangan i en mängd på upp till 0,8 % går aktivt in i en kemisk bindning med syre och förhindrar bildandet av järnoxid. Metallen klarar bättre dynamiska belastningar och är mer mottaglig för termisk härdning.
Silicon – upp till 0,35 %. Det förbättrar mekaniska egenskaper som seghet, styrka, svetsbarhet.

Enligt GOST ges definitionen av stål som lågkolh altigt stål till en metall som innehåller, förutom användbara, ett antal skadliga föroreningar i följande mängd. Det här är:

Fosfor - upp till 0,08 % är ansvarig för uppkomsten av kall sprödhet, försämrar uthållighet och styrka. Minskar metallens seghet.
Svavel - upp till 0,06 %. Det komplicerar bearbetningen av metall genom tryck, ökar temperamentets sprödhet.
Kväve. Minskar legeringens tekniska egenskaper och hållfasthetsegenskaper.
Syre. Minskar styrka och stör skärverktyg.

Det bör noteras att låg ellerlågkolh altiga stål är särskilt mjuka och formbara. De deformeras väl både varma och kalla.

Definitionen av medelstort kolstål och dess sammansättning skiljer sig naturligtvis från materialet som beskrivs ovan. Och den största skillnaden är mängden kol, som varierar från 0,2 till 0,45%. En sådan metall har låg seghet och duktilitet tillsammans med utmärkta hållfasthetsegenskaper. Medelstort kolstål används vanligtvis för delar som används under normal kraftbelastning.

Om kolh alten är över 0,5 % kallas sådant stål högkolh altigt stål. Den har ökad hårdhet, minskad viskositet, duktilitet och används för stansning av verktyg och delar genom varm och kall deformation.

Förutom att identifiera kolet som finns i stålet är det möjligt att bestämma materialets egenskaper genom närvaron av ytterligare föroreningar i det. Om, förutom vanliga grundämnen, krom, nickel, koppar, vanadin, titan, kväve i ett kemiskt bundet tillstånd avsiktligt införs i metallen, så kallas det dopat. Sådana tillsatser minskar risken för sprödbrott, ökar korrosionsbeständigheten och styrkan. Deras nummer anger graden av legering av stål:

låglegerat - har upp till 2,5 % legeringstillsatser;
medium legerat - från 2,5 till 10 %;
höglegerat - upp till 50%.

Vad betyder det här? Till exempel började ökningen av alla fastigheter att tillhandahållas enligt följande:

Lägger till krom. positivpåverkar de mekaniska egenskaperna redan i mängden 2 % av totalen.
Införandet av nickel från 1 till 5 % ökar temperaturmarginalen för viskositet. Och minskar köldsprödhet.
Mangan fungerar på samma sätt som nickel, fast mycket billigare. Det hjälper dock till att öka metallens känslighet för överhettning.
Tungsten är en karbidbildande tillsats som ger hög hårdhet. Eftersom det förhindrar korntillväxt vid uppvärmning.
Molybden är en dyr tillsats. Vilket ökar värmebeständigheten hos höghastighetsstål.
Silicon. Ökar syrabeständighet, elasticitet, fjällbeständighet.
Titanium. Kan främja finkornig struktur i kombination med krom och mangan.
Koppar. Ökar rostskyddsegenskaper.
Aluminium. Ökar värmebeständigheten, skalning, seghet.

Structure

Att fastställa stålets sammansättning skulle vara ofullständigt utan att studera dess struktur. Detta tecken är dock inte konstant och kan bero på ett antal faktorer, såsom: värmebehandlingsläge, kylningshastighet, legeringsgrad. Enligt reglerna ska stålkonstruktionen bestämmas efter glödgning eller normalisering. Efter glödgning delas metallen i:

pro-eutektoid struktur - med överskott av ferrit;
eutectoid, som består av perlit;
hypereutektoid - med sekundära karbider;
ledeburite - med primära karbider;
austenitisk - med ett ansiktscentrerat kristallgitter;
ferritisk - med ett kubiskt kroppscentrerat galler.

Det är möjligt att bestämma stålklassen efter normalisering. Det förstås som en typ av värmebehandling, som inkluderar uppvärmning, hållning och efterföljande kylning. Här särskiljs perlit, austenitiska och ferritiska kvaliteter.

Kvalitet

Att bestämma typer har blivit möjligt kvalitetsmässigt på fyra sätt. Det här är:

Vanlig kvalitet - det här är stål med en kolh alt på upp till 0,6 %, som smälts i ugnar med öppen spis eller i omvandlare med syre. De anses vara de billigaste och har sämre egenskaper än metaller från andra grupper. Ett exempel på sådana stål är St0, St3sp, St5kp.
Kvalitet. Framstående representanter för denna typ är stål St08kp, St10ps, St20. De smälts med samma ugnar, men med högre krav på laddning och produktionsprocesser.
Stål av hög kvalitet smälts i elektriska ugnar, vilket garanterar en ökning av materialets renhet för icke-metalliska inneslutningar, det vill säga en förbättring av mekaniska egenskaper. Dessa material inkluderar St20A, St15X2MA.
Särskilt hög kvalitet - tillverkas enligt metoden för specialmetallurgi. De utsätts för elektroslaggomsmältning, vilket ger rening från sulfider och oxider. Stål av denna typ inkluderar St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Strukturstål

Detta är kanske det enklaste och mest begripliga tecknet för lekmannen. Det finns konstruktions-, verktygs- och specialstål. Strukturell brukar delas in i:

Konstruktionsstål är kolstål av vanlig kvalitet och representanter för den låglegerade serien. De är föremål för flera krav, varav de viktigaste är svetsbarhet på en tillräckligt hög nivå. Ett exempel är StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
Cementerade material används för att tillverka produkter som fungerar under ytslitage och samtidigt upplever dynamiska belastningar. Dessa inkluderar lågkolh altiga stål St15, St20, St25 och några legerade: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGR, St3KGT, St3KGT.
För kallstämpling används rullade löv från högkvalitativa lågkolh altiga prover. Såsom St08Yu, St08ps, St08kp.
Behandlingsbara stål som förbättras genom härdning och höghärdning. Dessa är medelkolh altiga (St35, St40, St45, St50), krom (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) stål, samt krom-kisel-mangan, krom-nickel-molybden och krom-nickel.
Fjädrar har elastiska egenskaper och behåller dem under lång tid, eftersom de har en hög grad av motståndskraft mot utmattning och förstörelse. Dessa är kolrepresentanter för St65, St70 och legerade stål (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
Höghållfasta prover är de som har dubbelt så stark hållfasthet som andra konstruktionsstål, som uppnås genom värmebehandling och kemisk sammansättning. I bulken är dessa legerade medelkolstål, till exempel St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
Kullagerstål kännetecknas av speciell uthållighet, hög grad av slitstyrka och styrka. De är skyldiga att uppfylla kraven för frånvaro av olika typer av inneslutningar. Dessa prover inkluderar högkolh altiga stål med en kromh alt i sammansättningen (StSHKh9, StSHKh15).
Automatiska ståldefinitioner är följande. Dessa är prover för användning vid tillverkning av icke-kritiska produkter såsom bultar, muttrar, skruvar. Sådana reservdelar är vanligtvis bearbetade. Därför är huvuduppgiften att öka bearbetbarheten av delar, vilket uppnås genom att introducera tellur, selen, svavel och bly i materialet. Sådana tillsatser bidrar till bildandet av spröda och korta spån under bearbetning och minskar friktionen. Huvudrepresentanterna för automatiska stål är betecknade enligt följande: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
Korrosionsbeständiga stål är legerade stål med en kromh alt på cirka 12 %, eftersom det bildar en oxidfilm på ytan som förhindrar korrosion. Representanter för dessa legeringar är St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
Nötningsbeständiga prover används i produkter som arbetar under nötande friktion, stötar och starkt tryck. Ett exempel är delar av järnvägsspår, krossar och larvmaskiner, som St110G13L.
Värmebeständigt stål kan fungera vid hög värme. De används vid tillverkning av rör, reservdelar för gas- och ångturbiner. Dessa är främst höglegerade lågkolh altiga prover, som nödvändigtvis innehåller nickel, som kan innehålla tillsatser i form avmolybden, nobium, titan, volfram, bor. Ett exempel skulle vara St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
Värmebeständiga är särskilt motståndskraftiga mot kemiska skador i luft, gas och ugnar, oxiderande och uppkolande miljöer, men visar krypning under hård belastning. Representanter av denna typ är St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Verktygsstål

I denna grupp delas legeringar in i formar, för skärande och mätande verktyg. Det finns två typer av formstål.

Materialet för kallformning bör ha en hög grad av hårdhet, styrka, slitstyrka, värmebeständighet. Men har tillräcklig viskositet (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
Varmformningsmaterialet har god styrka och seghet. Tillsammans med slitstyrka och skalbeständighet (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Mätverktygsstål måste, förutom slitstyrka och hårdhet, vara formstabila och lätta att slipa. Kaliber, häftklamrar, mallar, linjaler, vågar, kakel är gjorda av dessa legeringar. Ett exempel skulle vara legeringar StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Det är ganska enkelt att bestämma stålgrupper för skärande verktyg. Sådana legeringar måste ha skärförmåga och hög hårdhet under lång tid, även när de utsätts för värme. Dessa inkluderar kol och legeringsverktyg, samthöghastighetsstål. Här kan du namnge följande framstående representanter: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Deoxidation av legeringen

Bestämning av stål genom graden av deoxidation innebär dess tre typer: lugn, halvlugn och kokande. Själva konceptet hänvisar till avlägsnandet av syre från den flytande legeringen.

Tyst stål avger nästan inga gaser under stelning. Detta beror på det fullständiga avlägsnandet av syre och bildandet av en krympningshålighet ovanpå götet, som sedan skärs av.

I halvlugnt stål frigörs gaser delvis, det vill säga mer än i lugnt stål, men mindre än i kokande. Det finns inget skal här, som i föregående fall, utan det bildas bubblor i toppen.

Kokande legeringar släpper ut en stor mängd gas när de stelnar, och i tvärsnitt räcker det att helt enkelt lägga märke till skillnaden i kemisk sammansättning mellan de övre och nedre skikten.

Hårdhet

Det här konceptet hänvisar till ett materials förmåga att motstå att hårdare tränger in i det. Hårdhetsbestämning blev möjlig med tre metoder: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Enligt Brinell-metoden pressas en härdad stålkula in i provets markyta. Bestäm hårdheten genom att studera diametern på trycket.

Metod för att bestämma stålets hårdhet enligt Rockwell. Den är baserad på att beräkna penetrationsdjupet för en 120 graders diamantkonspets.

Enligt Vickers i testexempleten tetraedrisk diamantpyramid pressas in. Med en vinkel på 136 grader på motsatta ytor.

Är det möjligt att bestämma stålkvaliteten utan kemisk analys? Specialister inom metallurgi kan känna igen stålkvaliteten genom en gnista. Bestämningen av metallens beståndsdelar är möjlig under dess bearbetning. Så till exempel:

CVG-stål har mörka röda gnistor med gulröda prickar och tofsar. I ändarna av de grenade trådarna visas klarröda stjärnor med gula korn i mitten.
P18 stål identifieras också av mörka crimson gnistor med gula och röda tofsar i början, dock är trådarna raka och har inga gafflar. I ändarna av buntarna finns gnistor med ett eller två ljusgula korn.
Stålkvaliteterna ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 har gula gnistor med ljusa stjärnor. Och röda korn på grenarna.
U12F-stål kännetecknas av ljusgula gnistor med täta och stora stjärnor. Med flera röda och gula tofsar.
Stål 15 och 20 har ljusgula gnistor, många gafflar och stjärnor. Men några tofsar.

Bestämning av stål med en gnista är en ganska exakt metod för specialister. Men vanliga människor kan inte karakterisera metallen genom att bara undersöka färgen på gnistan.

Svetsbarhet

Egenskapen hos metaller att bilda en fog under en viss påverkan kallas stålets svetsbarhet. Bestämningen av denna indikator är möjlig efter att innehållet av järn och kol har detekterats.

Man tror att de är väl sammankopplade genom svetsninglågkolh altiga stål. När kolh alten överstiger 0,45 % försämras svetsbarheten och blir sämre när kolh alten är hög. Detta händer också på grund av att materialets inhomogenitet ökar, och sulfidinneslutningar sticker ut vid korngränserna, vilket leder till att det bildas sprickor och en ökning av inre spänningar.

Legeringskomponenter verkar också, vilket försämrar anslutningen. De mest ogynnsamma för svetsning är sådana kemiska grundämnen som krom, molybden, mangan, kisel, vanadin, fosfor.

Däremot ger överensstämmelse med tekniken vid arbete med låglegerade stål en god procentuell svetsbarhet utan användning av speciella åtgärder. Bestämning av svetsbarhet är möjlig efter att ha utvärderat ett antal viktiga materialkvaliteter, inklusive: