Ak obsah uhlíka v železe presiahne stanovenú hornú hranicu, potom materiál stráca svoje kujné vlastnosti a je možné s ním pracovať len odlievaním.
Všeobecné vlastnosti
Oceľ by sa nemala zamieňať so železom, ktoré je pevným a relatívne ťažkým kovom, má atómový priemer 2, 48 angstrómu, teplotu topenia 1535 ° C a teplotu varu 2740 ° C. Na druhej strane, uhlík je nekovový s atómovým priemerom 1, 54 angstrom, mäkký a krehký vo väčšine svojich aloropických modifikácií (s výnimkou diamantu). Difúzia tohto prvku v kryštálovej štruktúre železa je možná kvôli rozdielu v ich atómových priemeroch. Výsledkom tejto difúzie je tento materiál.
Hlavným rozdielom medzi železom a oceľou je vyššie uvedené percento uhlíka. Materiál môže mať inú mikroštruktúru v závislosti od konkrétnej teploty. Môže byť v nasledovných štruktúrach (pre viac informácií pozri fázový diagram železo-uhlík):
- perlit;
- cementitu;
- feritové;
- austenit.
Materiál si zachováva vlastnosti železa v jeho čistom stave, ale pridanie uhlíka a ďalších prvkov, ako kovov, tak aj nekovov, zlepšuje jeho fyzikálno-chemické vlastnosti.
V závislosti od prvkov, ktoré sú k nej pridané, existuje mnoho druhov ocele. Skupina uhlíkových ocelí je tvorená materiálmi, v ktorých je uhlík jedinou prísadou. Ostatné špeciálne materiály odvodzujú svoje názvy kvôli ich základným funkciám a vlastnostiam, ktoré sú určené ich štruktúrou a pridanými ďalšími prvkami, napríklad kremík, cement, nerez, konštrukčné zliatiny a tak ďalej.
Všetky materiály s prísadami sa spravidla kombinujú pod jedným názvom - špeciálne ocele, ktoré sa odlišujú od bežných uhlíkových ocelí, a tieto slúžia ako základný materiál na výrobu špeciálnych materiálov. Takáto rozmanitosť materiálu podľa jeho vlastností a vlastností viedla k tomu, že sa oceľ začala nazývať „zliatina železa a inej látky, ktorá zvyšuje jeho tvrdosť“.
Kovové komponenty
Dve hlavné zložky ocele sa nachádzajú v hojnosti v prírode, čo podporuje jej výrobu vo veľkom meradle. Vďaka rôznorodosti vlastností a dostupnosti tohto materiálu je vhodný pre priemyselné odvetvia, ako je strojárstvo, výroba nástrojov, stavebná konštrukcia, čo prispieva k industrializácii spoločnosti.
Napriek svojej hustote (merná hmotnosť ocele kg m3 je 7850, to znamená, že hmotnosť ocele s objemom 1 m³ je 7850 kilogramov, pre porovnanie, hustota hliníka je 2700 kg / m3) sa používa vo všetkých odvetviach priemyslu vrátane letectva. Dôvody pre jeho rôzne použitie sú ako ťažnosť, tak aj tvrdosť a jej relatívne nízka cena.
Aditíva a ich vlastnosti
Špeciálna klasifikácia ocelí určuje prítomnosť určitého prvku v jeho zložení a jeho hmotnostné percento. Prvky sa pridávajú do zliatiny, aby sa týmto posledným špecifickým vlastnostiam, napríklad aby sa zvýšila ich mechanická odolnosť, tvrdosť, odolnosť proti opotrebeniu, schopnosť tavenia a ďalšie. Nasleduje zoznam najbežnejších doplnkov a účinkov, ktoré spôsobujú.
- Hliník : sa pridáva v koncentráciách blízkych 1% na zvýšenie tvrdosti zliatiny a pri koncentráciách nižších ako 0, 008% ako antioxidant pre tepelne odolné materiály.
- Bór : pri nízkych koncentráciách (0, 001–0, 006%) zvyšuje vytvrditeľnosť materiálu bez toho, aby sa znížila jeho schopnosť obrábania. Používa sa v materiáloch nízkej kvality, napríklad pri výrobe pluhov, drôtov, zaisťujúcich jeho tvrdosť a ťažnosť. Používa sa tiež ako lapače dusíka v kryštalickej štruktúre železa.
- Cobalt. Znižuje kaliteľnosť a vytvrdzuje materiál a zvyšuje jeho tvrdosť pri vysokých teplotách. Zvyšuje tiež magnetické vlastnosti. Používa sa v tepelne odolných materiáloch.
- Chróm : vďaka tvorbe karbidov, oceľ dodáva pevnosť a odolnosť voči vysokým teplotám, zvyšuje odolnosť proti korózii, zvyšuje hĺbku tvorby karbidov a nitridov počas termochemického spracovania, používa sa ako tuhý nerezový povlak pre osi, piesty a pod.
- Molybdén zvyšuje tvrdosť a odolnosť voči korózii pre austenitické materiály.
- Dusík sa pridáva na uľahčenie tvorby austenitu.
- Nikel robí austenit stabilný pri izbovej teplote, čím sa zvyšuje tvrdosť materiálu. Používa sa v žiaruvzdorných zliatinách.
- Olovo tvorí malé guľovité útvary, ktoré zvyšujú schopnosť obrábať oceľ. Tento prvok poskytuje mazanie materiálu v percentách od 0, 15% do 0, 30%.
- Kremík zvyšuje kaliteľnosť a odolnosť voči oxidácii materiálu.
- Titán stabilizuje zliatinu pri vysokých teplotách a zvyšuje jej odolnosť voči oxidácii.
- Volfrám tvorí spolu so železom stabilné a veľmi tvrdé karbidy, ktoré zostávajú stabilné pri vysokých teplotách, 14-18% tohto prvku umožňuje vytvoriť reznú oceľ, ktorá môže byť použitá v miere trikrát viac ako obyčajná uhlíková oceľ.
- Vanád zvyšuje odolnosť voči oxidácii materiálu a vytvára komplexné karbidy so železom, ktoré zvyšujú odolnosť proti únave.
- Niób dodáva zliatine tvrdosť, tvárnosť a ťažnosť. Používa sa v konštrukčných materiáloch a automatizácii.
Nečistoty v zliatine
Nečistoty sa nazývajú prvky, ktoré sú nežiaduce v zložení ocele. Sú obsiahnuté v samotnom materiáli a spadajú do neho v dôsledku tavenia, pretože sú obsiahnuté v horľavom palive av mineráloch. Je potrebné znížiť ich obsah, pretože zhoršujú vlastnosti zliatiny. V prípade, že ich odstránenie zo zloženia materiálu je nemožné alebo drahé, pokúste sa znížiť ich percento na minimum.
Síra: jej obsah je obmedzený na 0, 04%. Prvok tvorí sulfidy spolu so železom, ktoré spolu s austenitom tvoria eutektikum s nízkou teplotou topenia. Sulfidy sa uvoľňujú na hraniciach zŕn. Obsah síry výrazne obmedzuje možnosť tepelného a mechanického spracovania materiálov pri stredných a vysokých teplotách, pretože vedie k zničeniu materiálu pozdĺž hraníc zŕn.
Mangánové prísady umožňujú kontrolovať obsah síry v materiáloch. Mangán je príbuznejší so sírou ako železo, preto namiesto sulfidu železa vzniká sulfid mangánu, ktorý má vysokú teplotu topenia a dobré plastové vlastnosti. Koncentrácia mangánu musí byť päťkrát väčšia ako koncentrácia síry, aby sa zabezpečil pozitívny účinok. Mangán tiež zvyšuje schopnosť obrábania ocelí.
Fosfor: maximálny limit jeho obsahu v zliatine je 0, 04%. Fosfor je škodlivý, pretože sa rozpúšťa vo ferite, čím sa znižuje jeho plasticita. Fosfid železa spolu s austenitom a cementitom tvorí krehký eutektik s relatívne nízkou teplotou topenia. Uvoľňovanie fosfidu železa na hraniciach zŕn robí materiál krehkým.
Mechanické a technologické vlastnosti ocele
Je veľmi ťažké určiť špecifické fyzikálne a mechanické vlastnosti ocele, pretože počet jej typov je rôznorodý vďaka rozdielnemu zloženiu a tepelnému spracovaniu, ktoré vám umožňuje vytvárať materiály so širokou škálou chemických a mechanických vlastností. Táto rôznorodosť viedla k tomu, že výroba týchto materiálov a ich spracovanie sa začalo prideľovať do samostatného odvetvia metalurgie - železnej metalurgie, ktorá sa líši od metalurgie neželezných kovov. Je však možné uviesť spoločné vlastnosti ocele, ktoré sú uvedené v nasledujúcom zozname.
- Objemová hmotnosť ocele, to znamená hmotnosť 1 m³, je 7850 kg. Hustota ocele g cm3 je teda 7, 85.
- V závislosti od teploty môže byť materiál ohýbaný, natiahnutý a roztavený.
- Teplota topenia závisí od typu zliatiny a percentuálneho podielu prísad. Čisté železo sa teda taví pri teplote 1510 ° C, naopak, oceľ má teplotu topenia 1375 ° C, ktorá sa zvyšuje s rastúcim percentom uhlíka a ďalších prvkov v ňom (s výnimkou eutektík, ktoré sa topia pri nižších teplotách). Oceľ s vysokou rýchlosťou sa topí pri 1650 ° C.
- Materiál sa varí pri teplote 3000 ° C.
- Ide o materiál odolný voči deformácii, ktorého tvrdosť sa zvyšuje pridaním ďalších prvkov.
- Má relatívnu duktilitu (pomocou neho môžete získať tenké nite ťahaním - drôtom), ako aj plasticitu (môžete získať ploché plechy s hrúbkou 0, 12-0, 50 mm - cín, ktorý je zvyčajne pokrytý cínom, aby sa zabránilo oxidácii).
- Pred použitím tepla sa zliatina opracuje.
- Niektoré kompozity majú tvarovú pamäť a sú deformované väčším množstvom ako je medza klzu.
- Tvrdosť ocele sa mení medzi tvrdosťou železa a tvrdosťou štruktúr, ktoré sa získajú tepelnými a chemickými procesmi. Medzi nimi najznámejšie je kalenie, aplikované na materiály s vysokým obsahom uhlíka. Vysoká povrchová tvrdosť ocele umožňuje použitie ako rezný nástroj. Na dosiahnutie tejto charakteristiky, ktorá sa udržiava až do vysokých teplôt, sa do ocele pridávajú chróm, volfrám, molybdén a vanád. Zmerajte tvrdosť kovu v Brinell, Vickers a Rockwell.
- Má dobré odlievacie vlastnosti.
- Schopnosť korodovať je jednou z hlavných nevýhod ocele, pretože oxidované železo sa zväčšuje v objeme a vedie k vzniku trhlín na povrchu, čo ďalej urýchľuje proces deštrukcie. Kov je tradične chránený proti korózii rôznymi povrchovými úpravami. Okrem toho sa niektoré zlúčeniny stali odolnými voči oxidácii, napríklad nerezovým materiálom.
- Má vysokú elektrickú vodivosť, ktorá sa výrazne nelíši v závislosti od zloženia zliatiny. V nadzemnom vedení sa najčastejšie používajú hliníkové vodiče, ktoré sú pokryté oceľovým plášťom. Ten poskytuje drôtom potrebnú mechanickú pevnosť a tiež prispieva k ich lacnejšej výrobe.
- Používa sa na výrobu umelých permanentných magnetov, pretože magnetizovaná oceľ nestráca svoju magnetickú schopnosť na určitú teplotu. Štruktúra oceľového feritu má magnetické vlastnosti, zatiaľ čo štruktúra austenitu nie je magnetická. Magnety na báze ocele na stabilizáciu štruktúry feritu obsahujú spravidla asi 10% niklu a chrómu.
- S rastúcou teplotou zvyšuje produkt vyrobený z tohto materiálu svoju dĺžku. Preto, ak v určitej štruktúre existujú stupne voľnosti, potom tepelná rozťažnosť nie je problém, ale ak takéto stupne voľnosti neexistujú, potom expanzia ocele povedie k dodatočným namáhaniam, ktoré treba brať do úvahy. Koeficient tepelnej rozťažnosti ocele je blízky koeficientu betónu. Táto skutočnosť umožňuje ich spoločné použitie v konštrukciách rôznych typov, tento materiál sa nazýva železobetón.
- Je to nehorľavý materiál, ale jeho základné mechanické vlastnosti sa pri vystavení otvorenému plameňu rýchlo zhoršujú.