Oglekļa tērauds — definīcija, sastāvs un īpašības
Uzzini oglekļa tērauda definīciju, ķīmisko sastāvu un īpašības — no zema līdz augstam oglekļa saturam, ietekme uz izturību, plastiskumu un metināmību.
Oglekļa tērauds vai vienkāršais oglekļa tērauds ir metāla sakausējums. Tas ir divu elementu - dzelzs un oglekļa - kombinācija. Citi elementi ir pārāk mazos daudzumos, lai ietekmētu tā īpašības. Vienīgie citi elementi, kas atļauti parastā oglekļa tēraudā, ir: mangāns (ne vairāk kā 1,65 %), silīcijs (ne vairāk kā 0,60 %) un varš (ne vairāk kā 0,60 %). Tēraudam ar zemu oglekļa saturu ir tādas pašas īpašības kā dzelzij, tas ir mīksts, bet viegli veidojams. Palielinoties oglekļa daudzumam, metāls kļūst cietāks un izturīgāks, bet kļūst mazāk plastisks un grūtāk metināms. Lielāks oglekļa saturs pazemina tērauda kušanas temperatūru un tā izturību pret temperatūru kopumā.
Sastāvs un klasifikācija
Oglekļa tērauda galvenais sastāvdaļu attiecību nosaka oglekļa saturs. Parasti to iedala trīs galvenajās grupās:
- Zema oglekļa (mīkstais) tērauds: aptuveni līdz 0,25–0,30 % C. Viegli locāms un metināms, plaši izmantots konstrukcijās un mehānismos.
- Vidēja oglekļa tērauds: aptuveni 0,30–0,60 % C. Līdzsvars starp izturību un plastiskumu; bieži lieto automobiļu detaļām, vārpstām un rāmjiem.
- Augsta oglekļa tērauds: aptuveni 0,60–1,0–1,2 % C (var sasniegt arī nedaudz vairāk). Raksturīgs augsts cietības potenciāls pēc siltumapstrādes; izmanto instrumentiem, asmeņiem, atsperēm un stieņiem.
Jāuzsver, ka pie oglekļa saturiem ap 2,14 % un vairāk materiāls klasificējas kā lējtais dzelzs (lējtērauds), nevis oglekļa tērauds.
Mikrostruktūra un tās ietekme uz īpašībām
Oglekļa tērauda mikrostruktūra nosaka lielu daļu tā mehānisko īpašību:
- Ferrīts: mīksts, zema oglekļa saturošos tēraudos dominējošā fāze, nodrošina plastiskumu.
- Pērle (pearlite): slāņaina izejviela, kas rodas no ferrīta un cementīta kombinācijas; palielina stiprību salīdzinājumā ar tīru ferrītu.
- Cementīts (Fe3C): ciets un trausls oglekļa saturošs savienojums; lielāks daudzums palielina cietību, bet samazina deformējamību.
- Martensīts: veidojas ātri dzesējot (quench) un ir ļoti ciets un trausls, ja netiek temperēts.
Mehāniskās īpašības un to maiņa ar oglekļa saturu
- Cietība un vilces izturība parasti palielinās ar oglekļa daudzumu.
- Plastiskums un kušanas izturība samazinās, pieaug trausluma risks augstā oglekļa saturā.
- Metināmība kļūst sliktāka pie augstāka oglekļa satura; praksē izmanto oglekļa ekvivalentu (CE) lai novērtētu metināšanas nosacījumus.
- Siltumvadītspēja un siltuma izplešanās īpašības mainās nelielā mērā, bet siltumapstrāde ievērojami ietekmē gala īpašības.
Siltumapstrāde
Siltumapstrādes procedūras ļauj mainīt mikrostruktūru un īpašības:
- Atkarsēšana (annealing): mīkstina materiālu, uzlabo apstrādājamību.
- Normalizēšana: uzlabo mehānisko īpašību vienmērīgumu un samazina iekšējos spriegumus.
- Ātra dzesēšana (quenching) un temperēšana: iegūst augstu cietību (martensītu) un pēc tam ar temperēšanu samazina trauslumu, pielāgojot cietību un izturību.
Ražošana un apstrāde
Oglekļa tēraudi tiek iegūti gan klasiskos blastfurneļa/LD procesā, gan modernākos elektroplūsmas metodes variantos. Apstrāde ietver valcēšanu, formēšanu, griešanu, urbšanu un metināšanu. Zema oglekļa tēraudu ir vieglāk formēt un metināt; augsta oglekļa tērauda apstrādei bieži nepieciešama siltumapstrāde pirms vai pēc apstrādes.
Korozija un aizsardzība
Oglekļa tērauds nav īpaši izturīgs pret koroziju; tā virsmu parasti aizsargā ar krāsošanu, cinkošanu vai citām pārklājuma metodēm. Noteiktos gadījumos izmanto arī īpašas metināšanas un konstrukcijas metodes, lai samazinātu korozijas risku ūdens vai ķīmisku vielu vidē.
Pielietojumi
- Celtniecība un konstrukcijas (sijas, kolonnas, šasijas)
- Mašīnbūve un automobiļu detaļas
- Atsperes, instrumenti un griezējdaļas (augsta oglekļa tēraudi)
- Sliedes, stiepļu izstrādājumi, vārpstas un citi mehāniski slodžu nesoši elementi
Standarti un izvēle
Specifiskas sastāva un mehānisko īpašību prasības oglekļa tēraudam tiek noteiktas starptautiskos un valsts standartos (piem., EN, ASTM u.c.). Izvēle starp zema, vidēja vai augsta oglekļa tēraudu atkarīga no gala pielietojuma prasībām — stipruma, formējamības, metināmības un siltumapstrādes iespējām.
Kopsavilkums
Oglekļa tērauds ir vienkāršs, tomēr ļoti daudzpusīgs sakausējums, kurā oglekļa saturs būtiski nosaka materiāla īpašības. Saprotot oglekļa lomu mikrostruktūrā un mehāniskajās īpašībās, inženieri var atlasīt piemērotāko tērauda veidu un optimizēt siltumapstrādi, apstrādi vai aizsardzības metodes atkarībā no paredzētā lietojuma.
Oglekļa tērauda veidi
Raksturīgi oglekļa sastāvi ir šādi:
- Viegls (ar zemu oglekļa saturu) tērauds: aptuveni 0,05 % līdz 0,25 % oglekļa saturs ar mangāna saturu līdz 0,4 % (piemēram, AISI 1018 tērauds). Mazāk izturīgs, bet lēts un viegli formējams; virsmas cietību var palielināt, uzoglinot.
- Vidēji oglekļa tērauds: aptuveni 0,14% līdz 0,84% oglekļa saturs ar 0,60-1,65% mangāna saturu (piemēram, AISI 1040 tērauds). Līdzsvarota lokanība un izturība, un tam ir laba nodilumizturība; izmanto lielām detaļām, kalšanai un automobiļu detaļām.
- Tērauds ar augstu oglekļa saturu: aptuveni 0,59 % līdz 0,65 % oglekļa saturs ar 0,30 % līdz 0,90 % mangāna saturu. Ļoti izturīgs, izmanto atsperēm un augstas stiprības stieplēm.
- Tērauds ar ļoti augstu oglekļa saturu: aptuveni 0,96 % līdz 2,1 % oglekļa saturs, īpaši apstrādāts, lai iegūtu specifiskas atomu un molekulu mikrostruktūras.
Tēraudu var termiski apstrādāt, kas ļauj izgatavot detaļas viegli bīdāmā mīkstā stāvoklī. Ja ir pietiekami daudz oglekļa, sakausējumu var sacietināt, lai palielinātu izturību, nodilumizturību un triecienizturību. Tēraudus bieži apstrādā ar aukstās apstrādes metodēm, kas ir metāla formēšana, deformējot to zemā līdzsvara vai meta stabilā temperatūrā.
Metalurģija
Vieglais tērauds ir visizplatītākais tērauda veids, jo tā cena ir salīdzinoši zema, vienlaikus tas nodrošina materiāla īpašības, kas ir pieņemamas daudziem pielietojumiem. Vieglajam tēraudam ir zems oglekļa saturs (līdz 0,3 %), tāpēc tas nav ne īpaši trausls, ne plastisks. Karsējot tas kļūst kaļams, tāpēc to var kalt. To bieži izmanto arī gadījumos, kad jāveido liels tērauda daudzums, piemēram, kā konstrukciju tēraudu. Šī metāla blīvums ir 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), un stiepes izturība ir maksimāli 500 MPa (72500 psi).
Oglekļa tēraudiem, kurus var veiksmīgi termiski apstrādāt, oglekļa saturs ir no 0,30 % līdz 1,70 % no svara. Dažādu citu elementu piemaisījumi var būtiski ietekmēt iegūtā tērauda kvalitāti. Sēra pēdas padara tēraudu "sarkani īsu", kas ir defekts: tērauds ir trausls un drupans. Mazleģētais oglekļa tērauds, piemēram, A36 kategorijas tērauds, satur aptuveni 0,05 % sēra un kūst aptuveni 1426-1538 °C (2600-2800 °F) temperatūrā. Lai uzlabotu zema oglekļa satura tēraudu rūdījumu, bieži pievieno mangānu. Saskaņā ar dažām definīcijām šīs piedevas padara materiālu par mazleģētu tēraudu, bet AISI oglekļa tērauda definīcija pieļauj līdz 1,65 % mangāna pēc svara.
Rūdīts tērauds parasti attiecas uz rūdītu vai rūdītu un rūdītu tēraudu.
Sudraba tērauds jeb augsta oglekļa satura spilgtais tērauds savu nosaukumu iegūst no tā izskata, pateicoties augstajam oglekļa saturam. Tas ir tērauds ar ļoti augstu oglekļa saturu, vai arī to var uzskatīt par vienu no labākajiem tēraudiem ar augstu oglekļa saturu. Tas ir definēts tērauda specifikācijas standartā BS-1407. Tas ir 1 % oglekļa instrumentu tērauds, ko var slīpēt ar precīzām pielaidēm. Parasti oglekļa saturs ir vismaz 1,10 %, bet līdz pat 1,20 %. Tas satur arī 0,35 % Mn (diapazonā 0,30-0,40 %), 0,40 % Cr (diapazonā 0,4-0,5 %), 0,30 % Si (diapazonā 0,1-0,3 %), kā arī dažkārt sēra (ne vairāk kā 0,035 %) un fosfora (ne vairāk kā 0,035 %) mikroelementus. Sudraba tēraudu dažkārt izmanto taisnu skuvekļu izgatavošanai, jo tas spēj izgatavot un noturēt ļoti smalku asmeni.
Termiskā apstrāde
Parastā oglekļa tērauda termiskās apstrādes mērķis ir mainīt tērauda mehāniskās īpašības, parasti lokanību, cietību, izturību un triecienizturību.
Dzelzs-oglekļa fāžu diagramma, kurā parādīti temperatūras un oglekļa diapazoni noteiktiem termiskās apstrādes veidiem.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir oglekļa tērauds?
A: Oglekļa tērauds ir metāla sakausējums, kas sastāv no diviem elementiem - dzelzs un oglekļa.
J: Vai oglekļa tēraudā var būt vēl kādi citi elementi?
A: Jā, nelielos daudzumos var būt arī citi elementi, piemēram, mangāns (ne vairāk kā 1,65 %), silīcijs (ne vairāk kā 0,60 %) un varš (ne vairāk kā 0,60 %).
J: Kādas ir vienkāršā oglekļa tērauda īpašības ar zemu oglekļa saturu?
A: Vienkāršoglekļa tēraudam ar zemu oglekļa saturu ir tādas pašas īpašības kā dzelzij - tas ir mīksts un viegli formējams.
J: Kā lielāka oglekļa satura pievienošana ietekmē oglekļa tērauda īpašības?
A.: Pievienojot vairāk oglekļa, metāls kļūst cietāks un izturīgāks, bet tas kļūst mazāk plastisks un grūtāk metināms.
J: Vai ir ierobežots mangāna daudzums, ko var saturēt vienkāršais oglekļa tērauds?
A: Jā, maksimālais mangāna daudzums, ko var saturēt vienkāršā oglekļa tērauds, ir 1,65 %.
J: Vai lielāks oglekļa saturs ietekmē tērauda kušanas temperatūru?
A: Jā, lielāks oglekļa saturs pazemina tērauda kušanas temperatūru.
J: Vai augstāks oglekļa saturs ietekmē tērauda izturību pret temperatūru kopumā?
A: Jā, augstāks oglekļa saturs arī kopumā pazemina tērauda izturību pret temperatūru.
Meklēt