Dacă conținutul de carbon din fier depășește limita superioară specificată, atunci materialul își pierde proprietățile maleabile și este posibil să lucrați cu acesta doar prin turnare.
Proprietăți generale
Oțelul nu trebuie confundat cu fierul, care este un metal solid și relativ ductil, are un diametru atomic de 2, 48 angstromi, un punct de topire de 1535 ° C și un punct de fierbere de 2740 ° C. La rândul său, carbonul este nemetalic cu un diametru atomic de 1, 54 angstrom, moale și fragil în majoritatea modificărilor sale alotropice (cu excepția diamantului). Difuzia acestui element în structura de cristal a fierului este posibilă datorită diferenței de diametre atomice. Ca rezultat al acestei difuzii se formează acest material.
Principala diferență între fier și oțel este procentul de carbon care a fost indicat mai sus. Materialul poate avea o microstructură diferită, în funcție de o anumită temperatură. Poate fi în următoarele structuri (pentru mai multe informații, vezi diagrama de fază carbon-carbon):
- perlit;
- cementita;
- ferita;
- austenită.
Materialul păstrează proprietățile fierului în stare pură, dar adăugarea de carbon și alte elemente, atât metale, cât și nemetale, îmbunătățește proprietățile fizico-chimice.
Există multe tipuri de oțel în funcție de elementele adăugate. Un grup de oțeluri de carbon este format din materiale în care carbonul este singurul aditiv. Alte materiale speciale derivă numele lor datorită funcțiilor și proprietăților de bază, care sunt determinate de structura lor și au adăugat elemente suplimentare, de exemplu, siliciu, ciment, inox, aliaje structurale și așa mai departe.
De regulă, toate materialele cu aditivi sunt combinate sub o singură denumire - oțeluri speciale, care diferă de oțelurile obișnuite de carbon, iar acestea din urmă servesc drept material de bază pentru fabricarea materialelor speciale. O asemenea diversitate a materialului, în funcție de caracteristicile și proprietățile sale, a dus la faptul că oțelul a început să fie numit "un aliaj de fier și altă substanță care își mărește duritatea".
Componente metalice
Cele două componente principale ale oțelului se găsesc în abundență în natură, ceea ce favorizează producția pe o scară largă. Varietatea de proprietăți și disponibilitatea acestui material îl face adecvat industriei, cum ar fi ingineria, fabricarea de scule, construcția clădirilor, contribuind la industrializarea societății.
În ciuda densității sale (greutatea specifică a oțelului kg m3 este 7850, adică masa oțelului cu un volum de 1 m³ este de 7850 kilograme, pentru comparație, densitatea aluminiului este de 2700 kg / m3) este utilizată în toate sectoarele industriei, inclusiv în aeronautică. Motivele pentru folosirea sa variată sunt atât ductilitatea, cât și duritatea și costul relativ scăzut.
Aditivii și caracteristicile acestora
O clasificare specială a oțelurilor determină prezența unui element specific în compoziția sa și a procentului său în greutate. Elementele sunt adăugate la aliaj pentru a conferi acestora din urmă proprietăți specifice, de exemplu, pentru a spori rezistența mecanică, duritatea, rezistența la uzură, capacitatea de topire și altele. Următoarea este o listă cu cele mai comune suplimente și efecte pe care le provoacă.
- Aluminiu : se adaugă în concentrații apropiate de 1% pentru a crește duritatea aliajului și la concentrații mai mici de 0, 008% ca antioxidant pentru materiale rezistente la căldură.
- Bor : la concentrații scăzute (0, 001-0, 006%) crește rigiditatea materialului, fără a reduce capacitatea acestuia de a fi prelucrat. Folosit în materiale de calitate scăzută, de exemplu, la fabricarea de pluguri, sârmă, asigurându-i duritatea și ductilitatea. Este, de asemenea, utilizat ca capcane de azot în structura cristalină a fierului.
- Cobalt. Reduce rigiditatea și întărește materialul și mărește duritatea la temperaturi ridicate. De asemenea, crește proprietățile magnetice. Utilizat în materiale rezistente la căldură.
- Cromul : datorită formării carburilor, oțelul conferă rezistență și rezistență la temperaturi ridicate, crește rezistența la coroziune, crește adâncimea formării carburilor și nitrurilor în timpul procesării termochimice, este folosit ca o acoperire inoxidabilă solidă pentru axe, pistoane și așa mai departe.
- Molibdenul crește duritatea și rezistența la coroziune pentru materialele austenitice.
- Se adaugă azot pentru a facilita formarea austenită.
- Nichelul face austenita stabilă la temperatura camerei, mărind duritatea materialului. Folosit în aliaje rezistente la căldură.
- Plumbul formează formațiuni globulare mici, care sporesc capacitatea de a prelucra oțel. Acest element asigură lubrifierea materialului la un procent de la 0, 15% până la 0, 30%.
- Siliconul crește rezistența și rezistența la oxidare a materialului.
- Titanul stabilizează aliajul la temperaturi ridicate și crește rezistența la oxidare.
- Tungstenul împreună cu carburi stabile și foarte rezistente la fier, care rămân stabile la temperaturi ridicate, 14-18% din acest element vă permite să creați oțel de tăiere, care poate fi utilizat de trei ori mai mult decât oțelul obișnuit de carbon.
- Vanadiul crește rezistența la oxidare a materialului și formează carburi complexe cu fier, ceea ce mărește rezistența la oboseală.
- Niobiu conferă durității, ductilității și ductilității aliajului. Utilizat în materialele structurale și în automatizări.
Impuritățile din aliaj
Impuritățile sunt numite elemente care sunt nedorite în compoziția oțelului. Acestea sunt conținute în materialul propriu-zis și intră în el ca urmare a topirii, deoarece sunt conținute în combustibil combustibil și în minerale. Este necesar să se reducă conținutul acestora, deoarece acestea afectează proprietățile aliajului. În cazul în care eliminarea lor din compoziția materialului este imposibilă sau costisitoare, încercați să reduceți procentajul acestora la un nivel minim.
Sulf: conținutul său este limitat la 0, 04%. Elementul formează sulfuri împreună cu fierul, care la rândul său, împreună cu austenita, formează un eutectic cu un punct de topire scăzut. Sulfurile sunt eliberate la limitele granulelor. Conținutul de sulf limitează brusc posibilitatea tratării termice și mecanice a materialelor la temperaturi medii și înalte, deoarece duce la distrugerea materialului de-a lungul granițelor granulelor.
Aditivii manganului vă permit să controlați conținutul de sulf din materiale. Manganul este mai strâns legat de sulf decât de fier, prin urmare, în loc de sulfură de fier, se formează sulfură de mangan, care are un punct de topire ridicat și proprietăți bune din plastic. Concentrația de mangan trebuie să fie de cinci ori mai mare decât concentrația de sulf, pentru a asigura un efect pozitiv. De asemenea, manganul mărește capacitatea de prelucrare a oțelurilor.
Fosfor: limita maximă a conținutului său în aliaj este de 0, 04%. Fosforul este dăunător deoarece se dizolvă în ferită, reducând astfel plasticitatea acestuia. Fosfida de fier impreuna cu austenita si cementita formeaza un eutectic fragil cu un punct de topire relativ scazut. Eliberarea fosfurii de fier la limitele granulelor face materialul fragil.
Caracteristicile mecanice și tehnologice ale oțelului
Este foarte dificil să se determine proprietățile fizice și mecanice specifice ale oțelului, deoarece numărul de tipuri este diferit datorită compoziției și tratamentului termic diferit, care vă permit să creați materiale cu o mare varietate de caracteristici chimice și mecanice. Această diversitate a dus la faptul că producția acestor materiale și prelucrarea lor au început să fie alocate unei ramuri separate de metalurgie - metalurgie feroasă, care diferă de metalurgia neferoasă. Cu toate acestea, pot fi date proprietăți comune pentru oțel, acestea fiind prezentate în lista de mai jos.
- Greutatea volumetrică a oțelului, adică o masă de 1 m³, este de 7850 kg. Densitatea oțelului g cm3 este astfel 7, 85.
- În funcție de temperatură, materialul poate fi îndoit, întins și topit.
- Punctul de topire depinde de tipul de aliaj și de procentul de aditivi. Astfel, fierul pur se topește la o temperatură de 1510 ° C, la rândul său, oțelul are un punct de topire de 1375 ° C, care crește ca procentajul carbonului și al altor elemente în el crește (cu excepția eutecticii care se topesc la temperaturi mai scăzute). Oțelul de mare viteză se topește la 1650 ° C.
- Se fierbe material la o temperatură de 3000 ° C.
- Este un material rezistent la deformare, a cărui duritate crește odată cu adăugarea altor elemente.
- Are o ductilitate relativa (folosindu-l puteti obtine fire subtiri prin tragere), precum si plasticitate (puteti obtine placi de metal plate cu o grosime de 0, 12-0, 50 mm - staniu, care de obicei este acoperit cu staniu pentru a preveni oxidarea).
- Înainte de a utiliza căldura, aliajul este prelucrat.
- Unele compozite au memorie de formă și sunt deformate cu o cantitate mai mare decât punctul de randament.
- Duritatea oțelului variază între duritatea fierului și duritatea structurilor obținute prin procese termice și chimice. Dintre acestea, cea mai cunoscută este călirea, aplicată pe materiale cu conținut ridicat de carbon. Duritatea superioară a suprafeței oțelului permite utilizarea acesteia ca instrument de tăiere. Pentru a obține această caracteristică, care este menținută până la temperaturi ridicate, cromul, tungstenul, molibdenul și vanadiul sunt adăugate la oțel. Măsurați duritatea metalului în Brinell, Vickers și Rockwell.
- Are proprietăți bune de turnare.
- Abilitatea de a coroda este unul din principalele dezavantaje ale oțelului, deoarece fierul oxidat crește în volum și duce la apariția crăpăturilor de pe suprafață, ceea ce, la rândul său, accelerează procesul de distrugere. În mod tradițional, metalul a fost protejat împotriva coroziunii prin diferite tratamente de suprafață. În plus, anumiți compuși au devenit rezistenți la oxidare, de exemplu, materiale inoxidabile.
- Are o conductivitate electrică ridicată, care nu variază în mare măsură în funcție de compoziția aliajului. În liniile electrice aeriene se utilizează cel mai adesea conductori din aluminiu, care sunt acoperite cu o jachetă din oțel. Acesta din urmă asigură forța mecanică necesară firelor și, de asemenea, contribuie la producția lor mai ieftină.
- Utilizat pentru producerea de magneți permanenți artificiali, deoarece oțelul magnetizat nu își pierde capacitatea magnetică la o anumită temperatură. Structura feritei de oțel are proprietăți magnetice, în timp ce structura austenită nu este magnetică. Magneții pe bază de oțel pentru a stabiliza structura de ferită conțin, de regulă, aproximativ 10% nichel și crom.
- Cu o temperatură în creștere, un produs realizat din acest material își mărește lungimea. Prin urmare, dacă într-o anumită structură există grade de libertate, atunci expansiunea termică nu este o problemă, dar dacă astfel de grade de libertate nu există, atunci extinderea oțelului va duce la solicitări suplimentare care trebuie luate în considerare. Coeficientul de dilatare termică a oțelului este apropiat de cel al betonului. Acest fapt le permite să le folosim împreună în construcții de diferite tipuri, un astfel de material fiind numit beton armat.
- Este un material incombustibil, însă proprietățile sale mecanice fundamentale se deteriorează rapid atunci când sunt expuse la flacără deschisă.