Якщо вміст вуглецю в залозі перевищує зазначену верхню межу, тоді матеріал втрачає свої ковкие властивості, і працювати з ним можна тільки шляхом лиття.
загальні властивості
Не потрібно плутати сталь з залізом, яке представляє собою твердий і щодо пластичний метал, має атомний діаметр 2, 48 ангстрема, температуру плавлення 1535 ° C і температуру кипіння 2740 ° C. У свою чергу, вуглець є неметаллом з атомним діаметром 1, 54 ангстрема, м'який і крихкий в більшості своїх аллотропних модифікацій (виняток становить алмаз). Дифузія цього елемента в кристалічній структурі заліза можлива завдяки різниці в їх атомних діаметрів. В результаті такої дифузії утворюється цей матеріал.
Головною відмінністю заліза від стали є процентний вміст вуглецю, яке було зазначено вище. Матеріал може мати різну мікроструктуру в залежності від тієї чи іншої температури. Вона може знаходитися в наступних структурах (для більшої інформації подивіться фазову діаграму залізо-вуглець):
- перліт;
- цементит;
- феррит;
- аустенит.
Матеріал зберігає властивості заліза в своєму чистому стані, проте добавка вуглецю та інших елементів, як металів, так і неметалів, покращує її фізико-хімічні властивості.
Існує багато видів стали в залежності від додаються в неї елементів. Групу вуглецевих сталей утворюють матеріали, в яких вуглець є єдиною добавкою. Інші спеціальні матеріали отримують свої назви завдяки своїм основним функціям і властивостями, які визначаються їх структурою і доданими додатковими елементами, наприклад, кремнієві, що цементують, нержавіючі, структурні сплави і так далі.
Як правило, всі матеріали з добавками об'єднуються під однією назвою - спеціальні сталі, які відрізняються від звичайних вуглецевих сталей, а останні служать базовим матеріалом для виготовлення спеціальних матеріалів. Така різноманітність даного матеріалу по його характеристиками і властивостями призвело до того, що сталь почали називати «сплав заліза й інший субстанції, яка підвищує його твердість».
компоненти металу
Два основних компоненти стали зустрічаються в достатку в природі, що сприяє її виробництва в великих масштабах. Різноманітність властивостей і доступність цього матеріалу робить його придатними для таких галузей промисловості, як машинобудування, виробництво інструментів, будівництво будівель, вносячи свій внесок в індустріалізацію суспільства.
Незважаючи на свою щільність (питома вага стали кг м3 становить 7850, тобто маса стали об'ємом 1 м³ дорівнює 7850 кілограм, для порівняння щільність алюмінію 2700 кг / м3) вона використовується в усіх секторах індустрії, включаючи аеронавтику. Причинами її такого різноманітного застосування є як податливість і в той же час твердість, так і її відносно низька вартість.
Добавки і їх характеристика
Спеціальна класифікація сталей визначає наявність конкретного елемента в її складі і його процентний вміст за масою. Елементи додаються в сплав з метою надання останньої специфічних властивостей, наприклад, збільшення її механічної витривалості, твердості, стійкості до зношування, здатності до плавлення та інші. Нижче наведено список найбільш поширених добавок і ефектів, які вони викликають.
- Алюміній: додається в концентраціях, близьких до 1%, для підвищення твердості сплаву, а при концентраціях менше 0, 008% як антиокислювач для жаростійких матеріалів.
- Бор: при малих концентраціях (0, 001-0, 006%) збільшує прокаливаемость матеріалу, не знижуючи її здатність піддаватися механічній обробці. Використовується в матеріалах низької якості, наприклад, при виробництві плугів, дроту, забезпечуючи її твердість і гнучкість. Використовується також в якості пасток для азоту в кристалічній структурі заліза.
- Кобальт. Зменшує закаливаемость і призводить до зміцнення матеріалу і збільшення його твердості при високих температурах. Збільшує також магнітні властивості. Використовується в жароміцних матеріалах.
- Хром: завдяки освіті карбідів надає стали міцність і опірність високих температур, збільшує корозійну стійкість, збільшує глибину формування карбідів і нітридів при термохімічних обробці, використовується в якості твердого нержавіючого покриття для осей, поршнів і так далі.
- Молібден збільшує твердість і корозійну стійкість для аустенітних матеріалів.
- Азот додається для полегшення утворення аустеніту.
- Нікель робить аустенит стабільним при кімнатній температурі, збільшуючи твердість матеріалу. Використовується в жаростійких сплавах.
- Свинець утворює маленькі глобулярні освіти, які підвищують здатність до механічної обробки стали. Цей елемент забезпечує мастило матеріалу при процентний вміст від 0, 15% до 0, 30%.
- Кремній збільшує закаливаемость і стійкість до окислення матеріалу.
- Титан стабілізує сплав при високих температурах і збільшує його опірність окислення.
- Вольфрам утворює разом з залізом стабільні і дуже тверді карбіди, які залишаються стійкими при високих температурах, 14-18% цього елемента дозволяє створити ріжучу сталь, яку можна застосовувати зі швидкістю в три рази більше, ніж звичайну вуглецеву сталь.
- Ванадій підвищує опірність окислення матеріалу і формує складні карбіди з залізом, які збільшують опір втоми.
- Ніобій надає твердість, пластичність і гнучкість сплаву. Використовується в структурних матеріалах і автоматиці.
Домішки в сплаві
Домішками називаються елементи, які небажані в складі стали. Вони містяться в самому матеріалі і потрапляють в нього в результаті плавки, так як містяться в пальному паливі і в мінералах. Необхідно зменшувати їх зміст, оскільки вони погіршують властивості сплаву. У тому випадку, коли їх видалення зі складу матеріалу є неможливим або дорогим, тоді намагаються скоротити їх процентний вміст до мінімуму.
Сірка: її зміст обмежується 0, 04%. Елемент утворює сульфіди разом з залізом, які, в свою чергу, спільно з аустенітом утворюють евтектику з низькою температурою плавлення. Сульфіди виділяються на кордонах зерен. Вміст сірки різко обмежує можливість термо- і механічної обробки матеріалів при середніх і високих температурах, оскільки призводить до руйнування матеріалу по межах зерен.
Добавки марганцю дозволяють контролювати вміст сірки в матеріалах. Марганець має більшу спорідненість з сіркою, ніж залізо, тому замість сульфіду заліза утворюється сульфід марганцю, що має високу температуру плавлення і хороші пластичні властивості. Концентрація марганцю повинна бути в п'ять разів більше, ніж концентрація сірки, для забезпечення позитивного ефекту. Марганець також збільшує здатність до механічної обробки сталей.
Фосфор: максимальна межа його вмісту в сплаві становить 0, 04%. Фосфор шкідливий, оскільки розчиняється в фериті, зменшуючи тим самим його пластичність. Фосфід заліза разом з аустенітом і цементитом утворює крихку евтектики з відносно низькою температурою плавлення. Виділення фосфіду заліза на кордонах зерен робить матеріал крихким.
Механічні і технологічні характеристики стали
Дуже важко визначити конкретні фізичні і механічні властивості стали, оскільки число її видів різноманітно зважаючи різного складу і термічної обробки, які дозволяють створювати матеріали з широким розмаїттям хімічних і механічних характеристик. Така різноманітність привело до того, що виробництво цих матеріалів і їх обробку почали виділяти в окрему галузь металургії - чорну металургію, що відрізняється від кольорової металургії. Однак загальні властивості для стали привести можна, вони представлені в списку нижче.
- Питома вага стали, тобто маса 1 м³, становить 7850 кг. Щільність стали г см3 становить, таким чином, 7, 85.
- Залежно від температури матеріал можна гнути, витягати і плавити.
- Температура плавлення залежить від типу сплаву і процентного вмісту добавок. Так, чисте залізо плавиться при температурі 1510 ° C, в свою чергу, сталь має точку плавлення, що дорівнює 1375 ° C, яка збільшується у міру збільшення процентного вмісту вуглецю та інших елементів в ній (виняток становлять евтектики, що плавляться при більш низьких температурах). Швидкорізальна сталь плавиться при температурі 1650 ° C.
- Кипить матеріал при температурі 3000 ° C.
- Це стійкий до деформацій матеріал, твердість якого підвищується при додаванні інших елементів.
- Має відносну ковкістю (за допомогою нього можна отримувати тонкі нитки шляхом волочіння - дріт), а також пластичністю (можна отримувати плоскі металеві листи товщиною 0, 12-0, 50 мм - жесть, яка зазвичай покривається оловом для запобігання окислення).
- Перед використанням термічного впливу сплав проходить механічну обробку.
- Деякі композити володіють пам'яттю форми і деформуються на величину, яка перевищує межу текучості.
- Твердість стали варіюється між твердістю заліза і твердістю структур, які виходять за допомогою термічних і хімічних процесів. Серед них найбільш відомою є гарт, що застосовується до матеріалів з високим вмістом вуглецю. Висока поверхнева твердість сталі дозволяє її використовувати в якості ріжучого інструменту. Для отримання цієї характеристики, яка зберігається до високих температур, в сталь додають хром, вольфрам, молібден і ванадій. Вимірюють твердість металу по Брінеллю, Вікерсу і Роквеллу.
- Має гарні ливарні властивості.
- Здатність піддаватися корозії є одним з основних недоліків стали, оскільки окислене залізо збільшується в об'ємі і призводить до виникнення тріщин на поверхні, що, в свою чергу, ще сильніше прискорює процес руйнування. Традиційно метал захищали від корозії за допомогою різних поверхневих обробок. Крім того, деякі склади стали стійкі до окислення, наприклад, нержавіючі матеріали.
- Має високу електропровідність, яка не сильно змінюється в залежності від складу сплаву. У повітряних лініях електропередач найчастіше використовують алюмінієві провідники, які покриваються сталевий сорочкою. Остання забезпечує необхідну механічну міцність проводів, а також сприяє більш дешевому їх виробництва.
- Використовується для виробництва штучних постійних магнітів, оскільки намагнічена сталь не втрачає свою магнітну здатність до певної температури. При цьому структура стали феррит має магнітні властивості, в той час як структура аустеніт не є магнітної. Магніти на основі стали для стабілізації структури фериту містять, як правило, близько 10% нікелю і хрому.
- Зі збільшенням температури виріб з цього матеріалу збільшує свою довжину. Тому якщо в тій чи іншій конструкції існують ступені свободи, то теплове розширення не є проблемою, якщо ж таких ступенів свободи не існує, то розширення стали призведе до появи додаткових напружень, які потрібно враховувати. Коефіцієнт теплового розширення стали близький до такого для бетону. Цей факт робить можливим їх спільне використання в конструкціях різного типу, такий матеріал отримав назву залізобетон.
- Це негорючий матеріал, проте його фундаментальні механічні властивості швидко погіршуються під впливом відкритого вогню.