Tērauds: definīcija, klasifikācija, ķīmiskais sastāvs un pielietojums

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Cik bieži mēs dzirdam vārdu "tērauds". Un to izrunā ne tikai metalurģijas ražošanas jomas profesionāļi, bet arī pilsētnieki. Neviena spēcīga konstrukcija nav pilnīga bez tērauda. Patiesībā, kad mēs runājam par kaut ko metālu, mēs domājam izstrādājumu, kas izgatavots no tērauda. Noskaidrosim, no kā tas sastāv un kā tas tiek klasificēts.

Definīcija

Tērauds, iespējams, ir vispopulārākais sakausējums, kura pamatā ir dzelzs un ogleklis. Turklāt pēdējo īpatsvars svārstās no 0,1 līdz 2,14%, savukārt pirmais nevar būt mazāks par 45%. Ražošanas vieglumam un izejvielu pieejamībai ir izšķiroša nozīme šī metāla izplatīšanā visās cilvēka darbības jomās.

Materiāla galvenās īpašības atšķiras atkarībā no tā ķīmiskā sastāva. Tērauda kā sakausējuma, kas sastāv no diviem komponentiem, dzelzs un oglekļa, definīciju nevar saukt par pilnīgu. Tas var ietvert, piemēram, hromu karstumizturībai un niķeli, lai nodrošinātu izturību pret koroziju.

Nepieciešamie komponentimateriāli sniedz papildu priekšrocības. Tātad dzelzs padara sakausējumu kaļamu un viegli deformējamu noteiktos apstākļos, un ogleklis padara stiprību un cietību vienlaikus ar trauslumu. Tāpēc tā daļa ir tik maza kopējā tērauda masā. Nosakot sakausējuma ražošanas metodi, mangāna saturs tajā ir 1% un silīcija - 0,4%. Ir vairāki piemaisījumi, kas parādās metāla kušanas laikā un no kuriem viņi cenšas atbrīvoties. Līdzās fosforam un sēram, arī skābeklis un slāpeklis pasliktina materiāla īpašības, padarot to mazāk izturīgu un mainot elastību.

Klasifikācija

Tērauda definīcija kā metāls ar noteiktu īpašību kopumu, protams, nav šaubu. Tomēr tieši tā sastāvs ļauj klasificēt materiālu vairākos virzienos. Tā, piemēram, metāli atšķiras ar šādām pazīmēm:

• par ķīmisko vielu;
• strukturāls;
• pēc kvalitātes;
• kā paredzēts;
• atbilstoši deoksidācijas pakāpei;
• pēc cietības;
• par tērauda metināmību.

Tērauda definīcija, marķējums un visi tā raksturlielumi tiks aprakstīti tālāk.

Marķējums

Diemžēl nav globāla tērauda apzīmējuma, kas ievērojami sarežģī tirdzniecību starp valstīm. Krievijā ir definēta burtciparu sistēma. Burti norāda elementu nosaukumus un deoksidācijas metodi, un cipari norāda to skaitu.

Ķīmiskais sastāvs

Ir divi veiditērauda iedalījums pēc ķīmiskā sastāva. Mūsdienu mācību grāmatās sniegtā definīcija ļauj atšķirt oglekli no leģētajiem materiāliem.

Pirmais atribūts definē tēraudu kā zema oglekļa, vidēja oglekļa un augsta oglekļa satura, bet otrais - zema leģēta, vidēji leģēta un augsta sakausējuma. Tiek saukts metāls ar zemu oglekļa saturu, kas saskaņā ar GOST 3080-2005 papildus dzelzs var ietvert arī šādas sastāvdaļas:

• Ogleklis - līdz 0,2%. Tas veicina termisko stiprināšanu, kā rezultātā stiepes izturība un cietība tiek dubultota.
• Mangāns daudzumā līdz 0,8% aktīvi nonāk ķīmiskajā saitē ar skābekli un novērš dzelzs oksīda veidošanos. Metāls labāk iztur dinamiskas slodzes un ir vairāk pakļauts termiskai sacietēšanai.
• Silīcijs – līdz 0,35%. Tas uzlabo mehāniskās īpašības, piemēram, stingrību, izturību, metināmību.

Saskaņā ar GOST tērauds kā zema oglekļa satura tērauds tiek definēts kā metāls, kas papildus noderīgajiem satur arī vairākus kaitīgus piemaisījumus šādā daudzumā. Tas ir:

• Fosfors - līdz 0,08% ir atbildīgs par aukstuma trausluma parādīšanos, pasliktina izturību un spēku. Samazina metāla stingrību.
• Sērs - līdz 0,06%. Tas sarežģī metāla apstrādi ar spiedienu, palielina rūdīšanas trauslumu.
• Slāpeklis. Samazina sakausējuma tehnoloģiskās un stiprības īpašības.
• Skābeklis. Samazina izturību un traucē griezējinstrumentu darbību.

Jāatzīmē, ka zems vaizema oglekļa satura tēraudi ir īpaši mīksti un elastīgi. Tie labi deformējas gan karstā, gan aukstā veidā.

Vidēja oglekļa tērauda definīcija, kā arī tā sastāvs, protams, atšķiras no iepriekš aprakstītā materiāla. Un lielākā atšķirība ir oglekļa daudzums, kas svārstās no 0,2 līdz 0,45%. Šādam metālam ir zema stingrība un elastība, kā arī lieliskas stiprības īpašības. Vidēja oglekļa tērauds parasti tiek izmantots detaļām, kuras izmanto normālā jaudas slodzē.

Ja oglekļa saturs pārsniedz 0,5%, tad šādu tēraudu sauc par tēraudu ar augstu oglekļa saturu. Tam ir palielināta cietība, samazināta viskozitāte, elastība, un to izmanto instrumentu un detaļu štancēšanai ar karstu un aukstu deformāciju.

Papildus tēraudā esošā oglekļa noteikšanai materiāla īpašības ir iespējams noteikt, ja tajā ir papildu piemaisījumi. Ja papildus parastajiem elementiem metālā mērķtiecīgi tiek ievadīts hroms, niķelis, varš, vanādijs, titāns, slāpeklis ķīmiski saistītā stāvoklī, tad to sauc par leģētu. Šādas piedevas samazina trauslu lūzumu risku, palielina izturību pret koroziju un izturību. To skaits norāda tērauda leģēšanas pakāpi:

• mazleģēts - satur līdz 2,5% leģējošo piedevu;
• vidēji leģēts - no 2,5 līdz 10%;
• augsti leģēts - līdz 50%.

Ko tas nozīmē? Piemēram, jebkuru īpašumu palielinājumu sāka nodrošināt šādi:

1. Hroma pievienošana. pozitīvsietekmē mehāniskos raksturlielumus jau 2% apmērā no kopsummas.
2. Niķeļa ieviešana no 1 līdz 5% palielina viskozitātes temperatūras robežu. Un samazina aukstuma trauslumu.
3. Mangāns darbojas tāpat kā niķelis, lai gan daudz lētāk. Tomēr tas palīdz palielināt metāla jutību pret pārkaršanu.
4. Volframs ir karbīdu veidojoša piedeva, kas nodrošina augstu cietību. Jo karsējot tas novērš graudu augšanu.
5. Molibdēns ir dārga piedeva. Kas palielina ātrgaitas tēraudu karstumizturību.
6. Silīcijs. Palielina skābes izturību, elastību, noturību pret nogulsnēm.
7. Titāns. Var veicināt smalkgraudainu struktūru, ja to apvieno ar hromu un mangānu.
8. Varš. Palielina pretkorozijas īpašības.
9. Alumīnijs. Palielina karstumizturību, zvīņošanos, stingrību.

Struktūra

Tērauda sastāva noteikšana būtu nepilnīga, neizpētot tā struktūru. Tomēr šī zīme nav nemainīga un var būt atkarīga no vairākiem faktoriem, piemēram: termiskās apstrādes režīma, dzesēšanas ātruma, sakausējuma pakāpes. Saskaņā ar noteikumiem tērauda konstrukcija jānosaka pēc atkausēšanas vai normalizācijas. Pēc atkausēšanas metālu sadala:

• pro-eitektoīda struktūra - ar lieko ferītu;
• eutektoīds, kas sastāv no perlīta;
• hipereutektoīds - ar sekundārajiem karbīdiem;
• ledeburīts - ar primārajiem karbīdiem;
• austenīts - ar seju centrētu kristāla režģi;
• ferīta - ar kubisku korpusu centrētu režģi.

Tērauda klases noteikšana ir iespējama pēc normalizācijas. To saprot kā termiskās apstrādes veidu, kas ietver sildīšanu, turēšanu un sekojošu dzesēšanu. Šeit izšķir perlīta, austenīta un ferīta kategorijas.

Kvalitāte

Kvalitātes ziņā veidu noteikšana ir kļuvusi iespējama četros veidos. Tas ir:

1. Parastā kvalitāte - tie ir tēraudi ar oglekļa saturu līdz 0,6%, kas tiek kausēti martena krāsnīs vai pārveidotājos, izmantojot skābekli. Tie tiek uzskatīti par lētākajiem un pēc īpašībām ir zemāki par citu grupu metāliem. Šādu tēraudu piemēri ir St0, St3sp, St5kp.
2. Kvalitāte. Ievērojami šī tipa pārstāvji ir tēraudi St08kp, St10ps, St20. Tie tiek kausēti, izmantojot vienas un tās pašas krāsnis, taču ar augstākām prasībām uzlādes un ražošanas procesiem.
3. Augstas kvalitātes tēraudus kausē elektriskajās krāsnīs, kas garantē materiāla tīrības paaugstināšanos nemetāliskiem ieslēgumiem, tas ir, mehānisko īpašību uzlabošanos. Šie materiāli ietver St20A, St15X2MA.
4. Īpaši kvalitatīvi - ir izgatavoti pēc speciālās metalurģijas metodes. Tie tiek pakļauti elektrosārņu pārkausēšanai, kas nodrošina attīrīšanu no sulfīdiem un oksīdiem. Šāda veida tēraudi ietver St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Strukturālie tēraudi

Šī, iespējams, ir visvienkāršākā un nespeciālistam saprotamākā zīme. Ir konstrukciju, instrumentu un īpašas nozīmes tēraudi. Strukturālo parasti iedala:

1. Celtniecības tēraudi ir parastas kvalitātes oglekļa tēraudi un mazleģētās sērijas pārstāvji. Uz tiem attiecas vairākas prasības, no kurām galvenā ir metināmība pietiekami augstā līmenī. Piemērs ir StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementētie materiāli tiek izmantoti tādu izstrādājumu izgatavošanai, kas darbojas virsmas nodiluma apstākļos un vienlaikus piedzīvo dinamiskas slodzes. Tie ietver zema oglekļa satura tēraudus St15, St20, St25 un dažus leģētus tēraudus: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGT, St30KhGT.
3. Aukstajai štancēšanai tiek izmantotas velmētas lapas no augstas kvalitātes zema oglekļa satura paraugiem. Piemēram, St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Apstrādājami tēraudi, kas tiek uzlaboti rūdīšanas un augstas rūdīšanas procesā. Tie ir vidēja oglekļa (St35, St40, St45, St50), hroma (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) tēraudi, kā arī hroma-silīcija-mangāna, hroma-niķeļa-molibdēna un hroma-niķeļa tēraudi.
5. Atsperu atsperēm ir elastīgas īpašības un tās saglabājas ilgu laiku, jo tām ir augsta izturība pret nogurumu un iznīcināšanu. Tie ir St65, St70 un leģēto tēraudu (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR) oglekļa pārstāvji.
6. Augstas stiprības paraugi ir tie, kuriem ir divreiz lielāka izturība nekā citiem konstrukciju tēraudiem, kas iegūti ar termisko apstrādi un ķīmisko sastāvu. Lielākoties tie ir leģēti vidēja oglekļa satura tēraudi, piemēram, St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Lodīšu gultnistēraudiem ir raksturīga īpaša izturība, augsta nodilumizturības pakāpe un izturība. Tiem ir jāatbilst prasībām par dažādu ieslēgumu neesamību. Šajos paraugos ir tēraudi ar augstu oglekļa saturu, kura sastāvā ir hroma saturs (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automātiskās tērauda definīcijas ir šādas. Tie ir paraugi izmantošanai nekritisku produktu, piemēram, skrūvju, uzgriežņu, skrūvju, ražošanā. Šādas rezerves daļas parasti tiek apstrādātas ar mašīnu. Tāpēc galvenais uzdevums ir palielināt detaļu apstrādājamību, ko panāk, materiālā ievadot telūru, selēnu, sēru un svinu. Šādas piedevas apstrādes laikā veicina trauslu un īsu skaidu veidošanos un samazina berzi. Automātisko tēraudu galvenie pārstāvji ir apzīmēti šādi: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Koroziju izturīgie tēraudi ir leģēti tēraudi, kuros hroma saturs ir aptuveni 12%, jo tas veido oksīda plēvi uz virsmas, kas novērš koroziju. Šo sakausējumu pārstāvji ir St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Nodilumizturīgi paraugi tiek izmantoti izstrādājumos, kas darbojas abrazīvās berzes, trieciena un spēcīga spiediena ietekmē. Piemērs ir dzelzceļa sliežu, drupinātāju un kāpurķēžu mašīnu daļas, piemēram, St110G13L.
11. Karstumizturīgie tēraudi var darboties augstā temperatūrā. Tos izmanto cauruļu, gāzes un tvaika turbīnu rezerves daļu ražošanā. Tie galvenokārt ir augsti leģēti paraugi ar zemu oglekļa saturu, kas obligāti satur niķeli, kas var saturēt piedevasmolibdēns, nobijs, titāns, volframs, bors. Piemērs varētu būt St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Karstumizturīgie ir īpaši izturīgi pret ķīmiskiem bojājumiem gaisā, gāzē un krāsnī, oksidējošās un karburējošās vidēs, taču tie ir slīdoši pie lielas slodzes. Šī tipa pārstāvji ir St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Instrumentu tērauds

Šajā grupā sakausējumi ir sadalīti presformās, griešanas un mērīšanas instrumentiem. Ir divu veidu prestēraudi.

• Aukstās formēšanas materiālam jābūt ar augstu cietības, stiprības, nodilumizturības un karstumizturības pakāpi. Bet ar pietiekamu viskozitāti (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Karstās formēšanas materiālam ir laba izturība un stingrība. Kopā ar nodilumizturību un noturību pret mērogu (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Mērinstrumentu tēraudiem papildus nodilumizturībai un cietībai jābūt stabiliem izmēriem un viegli slīpējamiem. No šiem sakausējumiem tiek izgatavoti kalibri, skavas, veidnes, lineāli, svari, flīzes. Piemērs varētu būt sakausējumi StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Tērauda grupu noteikšana griezējinstrumentiem ir diezgan vienkārša. Šādiem sakausējumiem ilgstoši ir jābūt griešanas spējai un augstai cietībai, pat ja tie tiek pakļauti karstumam. Tie ietver oglekļa un sakausējuma instrumentu, kā arīātrgaitas tēraudi. Šeit varat nosaukt šādus ievērojamus pārstāvjus: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Sakausējuma deoksidācija

Tērauda noteikšana pēc deoksidācijas pakāpes nozīmē trīs veidus: mierīgu, daļēji mierīgu un vārošu. Pats jēdziens attiecas uz skābekļa atdalīšanu no šķidrā sakausējuma.

Kluss tērauds cietēšanas laikā gandrīz neizdala gāzes. Tas ir saistīts ar pilnīgu skābekļa noņemšanu un saraušanās dobuma veidošanos lietņa augšpusē, kas pēc tam tiek nogriezta.

Daļēji mierīgā tēraudā gāzes izdalās daļēji, tas ir, vairāk nekā mierīgā tēraudā, bet mazāk nekā verdošā tēraudā. Šeit nav apvalka, tāpat kā iepriekšējā gadījumā, bet augšpusē veidojas burbuļi.

Vāra sakausējumi sacietējot izdala lielu daudzumu gāzes, un šķērsgriezumā pietiek vienkārši pamanīt ķīmiskā sastāva atšķirību starp augšējo un apakšējo slāni.

Cietība

Šis jēdziens attiecas uz materiāla spēju pretoties spēcīgākai iekļūšanai tajā. Cietības noteikšana kļuva iespējama, izmantojot trīs metodes: L. Brinels, M. Rockwell, O. Vickers.

Saskaņā ar Brinela metodi rūdīta tērauda lodīte tiek iespiesta parauga zemes virsmā. Izpētot nospieduma diametru, nosakiet cietību.

Metode tērauda cietības noteikšanai saskaņā ar Rokvelu. Tas ir balstīts uz 120 grādu dimanta konusa uzgaļa iespiešanās dziļuma aprēķināšanu.

Saskaņā ar Vikersu testa paraugātiek iespiesta dimanta tetraedriska piramīda. Ar 136 grādu leņķi uz pretējām pusēm.

Vai ir iespējams noteikt tērauda marku bez ķīmiskās analīzes? Metalurģijas nozares speciālisti spēj atpazīt tērauda marku pēc dzirksteles. Metāla sastāvdaļu noteikšana ir iespējama tā apstrādes laikā. Piemēram:

• CVG tēraudam ir tumši sārtinātas dzirksteles ar dzeltensarkaniem punktiem un pušķiem. Sazaroto pavedienu galos parādās spilgti sarkanas zvaigznes ar dzelteniem graudiņiem vidū.
• P18 tēraudu atpazīst arī tumši sārtinātas dzirksteles ar dzelteniem un sarkaniem pušķiem sākumā, tomēr vītnes ir taisnas un bez dakšām. Saišķu galos ir dzirksteles ar vienu vai diviem gaiši dzelteniem graudiņiem.
• Tērauda markām ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 ir dzeltenas dzirksteles ar gaišām zvaigznēm. Un sarkani graudi uz zariem.
• U12F tērauds izceļas ar gaiši dzeltenām dzirksteles ar blīvām un lielām zvaigznēm. Ar vairākiem sarkaniem un dzelteniem pušķiem.
• Tēraudam 15 un 20 ir gaiši dzeltenas dzirksteles, daudz dakšiņu un zvaigznīšu. Bet daži kušķi.

Tērauda noteikšana ar dzirksteli ir diezgan precīza metode speciālistiem. Taču parastie cilvēki nevar raksturot metālu, pārbaudot tikai dzirksteles krāsu.

Metināmība

Metālu īpašību veidot savienojumu noteikta trieciena ietekmē sauc par tēraudu metināmību. Šī indikatora noteikšana ir iespējama pēc dzelzs un oglekļa satura noteikšanas.

Tiek uzskatīts, ka tie ir labi savienoti ar metināšanuzema oglekļa satura tēraudi. Ja oglekļa saturs pārsniedz 0,45%, metināmība pasliktinās un kļūst sliktāka, ja oglekļa saturs ir augsts. Tas notiek arī tāpēc, ka palielinās materiāla neviendabīgums, un pie graudu robežām izceļas sulfīdu ieslēgumi, kas izraisa plaisu veidošanos un iekšējā sprieguma palielināšanos.

Iedarbojas arī leģējošie komponenti, pasliktinot savienojumu. Visnelabvēlīgākie metināšanai ir tādi ķīmiskie elementi kā hroms, molibdēns, mangāns, silīcijs, vanādijs, fosfors.

Tomēr atbilstība tehnoloģijai, strādājot ar mazleģētiem tēraudiem, nodrošina labu procentuālo metināmību, neizmantojot īpašus pasākumus. Metināmības noteikšana ir iespējama, novērtējot vairākas svarīgas materiāla īpašības, tostarp:

• Dzesēšanas ātrums.
• Ķīmiskais sastāvs.
• Skats uz primāro kristalizāciju un struktūras izmaiņām metināšanas laikā.
• Metāla spēja veidot plaisas.
• Materiāla tendence sacietēt.