Ako sadržaj ugljika u željezu prelazi zadanu gornju granicu, tada materijal gubi svojstva kovanosti, a s njim se može raditi samo lijevanjem.
Opća svojstva
Čelik se ne smije miješati s željezom, čvrstim i relativno duktilnim metalom, ima atomski promjer od 2, 48 angstroma, točku taljenja 1535 ° C i točku vrenja 2740 ° C. S druge strane, ugljik je nemetal s atomskim promjerom 1, 54 angstroma, mekan i krhak u većini njegovih alotropnih modifikacija (osim dijamanta). Difuzija ovog elementa u kristalnoj strukturi željeza moguća je zbog razlike u njihovim atomskim promjerima. Kao rezultat ove difuzije nastaje ovaj materijal.
Glavna razlika između željeza i čelika je postotak ugljika koji je gore naveden. Materijal može imati različitu mikrostrukturu ovisno o određenoj temperaturi. Može biti u sljedećim strukturama (za više informacija, vidi dijagram faze željeza i ugljika):
- perlit;
- cementita;
- feritni;
- austenita.
Materijal zadržava svojstva željeza u čistom stanju, ali dodavanje ugljika i drugih elemenata, metala i nemetala, poboljšava njegova fizikalno-kemijska svojstva.
Postoje mnogi tipovi čelika ovisno o elementima koji su mu dodani. Skupinu ugljičnih čelika čine materijali u kojima je ugljik jedini aditiv. Drugi specijalni materijali dobivaju svoje ime zbog svojih osnovnih funkcija i svojstava, koja su određena njihovom strukturom i dodanim dodatnim elementima, primjerice silicij, cement, nehrđajući, strukturne legure i tako dalje.
U pravilu se svi materijali s aditivima kombiniraju pod jednim imenom - posebni čelici, koji se razlikuju od običnih ugljičnih čelika, a drugi služe kao osnovni materijal za proizvodnju posebnih materijala. Takva raznolikost materijala prema svojim karakteristikama i svojstvima dovela je do toga da se čelik počeo nazivati "legura željeza i drugih tvari koje povećavaju njegovu tvrdoću".
Metalne komponente
Dvije glavne komponente čelika nalaze se u izobilju u prirodi, što pogoduje njegovoj proizvodnji u velikim razmjerima. Raznolikost svojstava i dostupnost ovog materijala čini ga pogodnim za industrije kao što su inženjering, izrada alata, gradnja zgrada, doprinoseći industrijalizaciji društva.
Unatoč svojoj gustoći (specifična težina čelika kg m3 je 7850, tj. Masa čelika s volumenom od 1 m³ jednaka je 7850 kilograma, za usporedbu gustoća aluminija iznosi 2700 kg / m3) koristi se u svim sektorima industrije, uključujući aeronautiku. Razlozi njegove raznolike upotrebe su duktilnost i istodobno tvrdoća te relativno niski troškovi.
Aditivi i njihova svojstva
Posebna klasifikacija čelika određuje prisutnost određenog elementa u njegovom sastavu i njegov postotak po masi. Elementi se dodaju u leguru kako bi se posljednjim specifičnim svojstvima, na primjer, povećala mehanička izdržljivost, tvrdoća, otpornost na habanje, sposobnost taljenja i drugi. Slijedi popis najčešćih dodataka i učinaka koje uzrokuju.
- Aluminij : dodaje se u koncentracijama blizu 1% kako bi se povećala tvrdoća legure, a pri koncentracijama manjim od 0, 008% kao antioksidans za materijale otporne na toplinu.
- Bor : u niskim koncentracijama (0, 001–0, 006%) povećava tvrdoću materijala bez smanjenja njegove sposobnosti obrade. Koristi se u materijalima niske kvalitete, na primjer, u proizvodnji plugova, žica, osiguravajući njegovu tvrdoću i duktilnost. Koristi se i kao zamke za dušik u kristalnoj strukturi željeza.
- Kobalt. Smanjuje tvrdoću i učvršćuje materijal i povećava njegovu tvrdoću pri visokim temperaturama. Također povećava magnetska svojstva. Koristi se u materijalima otpornim na toplinu.
- Krom : uslijed stvaranja karbida, čelik daje čvrstoću i otpornost na visoke temperature, povećava otpornost na koroziju, povećava dubinu stvaranja karbida i nitrida tijekom termokemijske obrade, koristi se kao čvrsti inox premaz za osovine, klipove i tako dalje.
- Molibden povećava tvrdoću i otpornost na koroziju za austenitne materijale.
- Dušik se dodaje kako bi se olakšalo stvaranje austenita.
- Nikal čini austenit stabilnim na sobnoj temperaturi, povećavajući tvrdoću materijala. Koristi se u legurama otpornim na toplinu.
- Olovo tvori male kuglaste formacije koje povećavaju sposobnost strojnog čelika. Ovaj element omogućuje podmazivanje materijala u postocima od 0, 15% do 0, 30%.
- Silicij povećava tvrdoću i otpornost na oksidaciju materijala.
- Titan stabilizira leguru na visokim temperaturama i povećava otpornost na oksidaciju.
- Volfram tvori zajedno sa željezom stabilne i vrlo tvrde karbide, koji ostaju stabilni na visokim temperaturama, 14-18% ovog elementa omogućuje stvaranje reznog čelika, koji se može koristiti po stopi od tri puta više od običnih ugljičnih čelika.
- Vanadij povećava otpornost na oksidaciju materijala i tvori složene karbide s željezom, što povećava otpornost na zamor.
- Niobij leguri daje tvrdoću, duktilnost i duktilnost. Koristi se u konstrukcijskim materijalima i automatizaciji.
Nečistoće u leguri
Nečistoće se nazivaju elementi koji su nepoželjni u sastavu čelika. Oni se nalaze u samom materijalu i upadaju u njega kao posljedica taljenja, jer se nalaze u gorivu i mineralima. Potrebno je smanjiti njihov sadržaj, jer narušavaju svojstva legure. U slučaju kada je njihovo uklanjanje iz sastava materijala nemoguće ili skupo, pokušajte smanjiti njihov postotak na minimum.
Sumpor: njegov sadržaj je ograničen na 0, 04%. Element stvara zajedno sa željezom sulfide, koji zajedno s austenitom tvore eutektik s niskom točkom taljenja. Sulfidi se oslobađaju na granicama zrna. Sadržaj sumpora oštro ograničava mogućnost termičke i mehaničke obrade materijala pri srednjim i visokim temperaturama, jer dovodi do uništenja materijala duž granica zrna.
Dodaci mangana omogućuju kontrolu sadržaja sumpora u materijalima. Mangan je u većoj mjeri povezan sa sumporom od željeza, stoga se umjesto željeznog sulfida formira manganov sulfid, koji ima visoku točku taljenja i dobra plastična svojstva. Koncentracija mangana mora biti pet puta veća od koncentracije sumpora, kako bi se osigurao pozitivan učinak. Mangan također povećava sposobnost obrade čelika.
Fosfor: maksimalna granica sadržaja u leguri je 0, 04%. Fosfor je štetan jer se otapa u feritu, čime se smanjuje njegova plastičnost. Željezni fosfid zajedno s austenitom i cementitom tvori krhki eutektik s relativno niskom točkom taljenja. Oslobađanje fosfida željeza na granicama zrna čini materijal krhkim.
Mehanička i tehnološka svojstva čelika
Vrlo je teško odrediti specifična fizička i mehanička svojstva čelika, budući da je broj vrsta različit zbog različitog sastava i toplinske obrade, što vam omogućuje stvaranje materijala s različitim kemijskim i mehaničkim svojstvima. Ta raznolikost dovela je do toga da se proizvodnja ovih materijala i njihova obrada počela dodjeljivati zasebnoj grani metalurgije - crne metalurgije, koja se razlikuje od obojene metalurgije. Međutim, zajednička svojstva čelika mogu se dati, a prikazana su na donjem popisu.
- Volumetrijska težina čelika, tj. Masa od 1 m³, iznosi 7850 kg. Gustoća čelika g cm3 je prema tome 7, 85.
- Ovisno o temperaturi, materijal može biti savijen, rastegnut i rastopljen.
- Točka taljenja ovisi o vrsti legure i postotku aditiva. Tako se čisti željezo topi na temperaturi od 1510 ° C, a čelik ima točku taljenja od 1375 ° C, što se povećava s povećanjem postotka ugljika i drugih elemenata (osim eutektika koji se tali pri nižim temperaturama). Čelik velike brzine se topi na 1650 ° C.
- Skuša materijal na temperaturi od 3000 ° C.
- To je materijal otporan na deformacije, čija se tvrdoća povećava s dodatkom drugih elemenata.
- To je relativna duktilnost (koristeći ga možete dobiti tanke niti po crtež - žica), kao i plastičnost (možete dobiti ravne limove debljine od 0, 12-0, 50 mm - kositar, koji je obično prekriven kositrom kako bi se spriječilo oksidaciju).
- Prije korištenja topline, legura je obrađena.
- Neki kompoziti imaju memoriju oblika i deformirani su količinom većom od granice popuštanja.
- Tvrdoća čelika varira između tvrdoće željeza i tvrdoće struktura koje se dobivaju toplinskim i kemijskim procesima. Među njima, najpoznatije je gašenje, koje se primjenjuje na materijale s visokim sadržajem ugljika. Visoka površinska tvrdoća čelika omogućuje da se koristi kao rezni alat. Da bi se dobilo ovo svojstvo, koje se održava do visoke temperature, u čelik se dodaju krom, volfram, molibden i vanadij. Izmjerite tvrdoću metala u Brinellu, Vickersu i Rockwellu.
- Ima dobra svojstva lijevanja.
- Sposobnost korodiranja jedan je od glavnih nedostataka čelika, budući da se oksidirano željezo povećava u volumenu i dovodi do pojave pukotina na površini, što dalje ubrzava proces uništavanja. Tradicionalno, metal je zaštićen od korozije različitim površinskim tretmanima. Osim toga, neki spojevi postali su otporni na oksidaciju, na primjer, nehrđajući materijali.
- Ima visoku električnu provodljivost, koja ne varira u velikoj mjeri ovisno o sastavu legure. Kod nadzemnih vodova najčešće se koriste aluminijski vodiči, koji su prekriveni čeličnom košuljicom. Potonji osigurava potrebnu mehaničku čvrstoću žicama, a također pridonosi njihovoj jeftinijoj proizvodnji.
- Koristi se za proizvodnju umjetnih trajnih magneta, jer magnetizirani čelik ne gubi svoju magnetsku sposobnost do određene temperature. Struktura čeličnog ferita ima magnetska svojstva, dok struktura austenita nije magnetska. Magneti na bazi čelika za stabilizaciju strukture ferita sadrže, u pravilu, oko 10% nikla i kroma.
- S povećanjem temperature, proizvod od ovog materijala povećava njegovu duljinu. Stoga, ako u određenoj strukturi postoje stupnjevi slobode, onda toplinsko širenje nije problem, ali ako takvi stupnjevi slobode ne postoje, tada će širenje čelika dovesti do dodatnih naprezanja koja se moraju uzeti u obzir. Koeficijent toplinskog širenja čelika je blizu koeficijentu betona. Ta činjenica omogućuje njihovo zajedničko korištenje u konstrukcijama različitih tipova, koji se nazivaju armirani beton.
- To je nezapaljiv materijal, ali njegova temeljna mehanička svojstva brzo propadaju kada su izložena otvorenom plamenu.