Pokud obsah uhlíku v železe překročí stanovenou horní mez, pak materiál ztrácí své kujné vlastnosti a lze s ním pracovat pouze litím.
Obecné vlastnosti
Ocel by neměla být zaměňována za železo, které je pevným a relativně tvárným kovem, má atomový průměr 2, 48 angstromu, bod tání 1535 ° C a teplotu varu 2740 ° C. Uhlík je zase nekovový s atomovým průměrem 1, 54 angstrom, měkký a křehký ve většině jeho alopatických modifikací (s výjimkou diamantu). Difúze tohoto prvku v krystalové struktuře železa je možná díky rozdílu v jejich atomových průměrech. Výsledkem této difúze je vznik tohoto materiálu.
Hlavním rozdílem mezi železem a ocelí je procento uhlíku, které bylo uvedeno výše. Materiál může mít různou mikrostrukturu v závislosti na konkrétní teplotě. Může být v následujících strukturách (více viz fázový diagram železo-uhlík):
- perlit;
- cementit;
- ferit;
- austenit.
Materiál si zachovává vlastnosti železa v jeho čistém stavu, ale přidání uhlíku a dalších prvků, jak kovů a nekovů, zlepšuje jeho fyzikálně-chemické vlastnosti.
V závislosti na prvcích, které jsou k ní přidány, existuje mnoho druhů oceli. Skupina uhlíkových ocelí je tvořena materiály, ve kterých je uhlík jedinou přísadou. Ostatní speciální materiály odvozují své názvy díky svým základním funkcím a vlastnostem, které jsou určeny jejich strukturou a přidány další prvky, například křemík, cement, nerez, konstrukční slitiny a tak dále.
Všechny materiály s přísadami se zpravidla kombinují pod jedním názvem - speciální oceli, které se liší od běžných uhlíkových ocelí, a tyto materiály slouží jako základní materiál pro výrobu speciálních materiálů. Taková rozmanitost materiálu podle jeho vlastností a vlastností vedla k tomu, že se ocel začala nazývat „slitina železa a jiné látky, která zvyšuje její tvrdost“.
Kovové komponenty
Dvě hlavní složky oceli se nacházejí v hojnosti v přírodě, což podporuje její výrobu ve velkém měřítku. Díky rozmanitosti vlastností a dostupnosti tohoto materiálu je vhodný pro průmyslová odvětví, jako je strojírenství, výroba nástrojů, stavebnictví, což přispívá k industrializaci společnosti.
Navzdory své hustotě (měrná hmotnost oceli kg m3 je 7850, to znamená, že hmotnost oceli o objemu 1 m³ je 7850 kg, pro srovnání je hustota hliníku 2700 kg / m3) používána ve všech odvětvích průmyslu, včetně letectví. Důvody pro jeho rozmanité použití jsou jak duktilita, tak i tvrdost a její relativně nízká cena.
Přísady a jejich vlastnosti
Zvláštní klasifikace ocelí určuje přítomnost určitého prvku v jeho složení a jeho hmotnostní procento. Prvky jsou přidávány do slitiny, aby se těmto posledním specifickým vlastnostem, například aby se zvýšila jejich mechanická odolnost, tvrdost, odolnost proti opotřebení, schopnost tavení a další. Následuje seznam nejběžnějších doplňků a účinků, které způsobují.
- Hliník : je přidáván v koncentracích blízkých 1% pro zvýšení tvrdosti slitiny a při koncentracích nižších než 0, 008% jako antioxidant pro materiály odolné vůči teplu.
- Bór : při nízkých koncentracích (0, 001–0, 006%) zvyšuje kalitelnost materiálu, aniž by se snížila jeho schopnost obrábění. Používá se v materiálech nízké kvality, například při výrobě pluhů, drátu, zajištění jeho tvrdosti a tvárnosti. Používá se také jako lapače dusíku v krystalické struktuře železa.
- Kobalt Snižuje kalitelnost a zpevňuje materiál a zvyšuje jeho tvrdost při vysokých teplotách. Zvyšuje také magnetické vlastnosti. Používá se v žáruvzdorných materiálech.
- Chrom : díky tvorbě karbidů dodává oceli pevnost a odolnost vůči vysokým teplotám, zvyšuje odolnost proti korozi, zvyšuje hloubku tvorby karbidů a nitridů při termochemickém zpracování, používá se jako pevný nerezový povlak pro osy, písty a podobně.
- Molybden zvyšuje tvrdost a odolnost vůči korozi austenitických materiálů.
- Pro usnadnění tvorby austenitu se přidává dusík .
- Nikl činí austenit stabilní při pokojové teplotě, což zvyšuje tvrdost materiálu. Používá se v žáruvzdorných slitinách.
- Olovo tvoří malé kulové útvary, které zvyšují schopnost obrábění oceli. Tento prvek zajišťuje mazání materiálu v procentech od 0, 15% do 0, 30%.
- Křemík zvyšuje kalitelnost a odolnost vůči oxidaci materiálu.
- Titan stabilizuje slitinu při vysokých teplotách a zvyšuje její odolnost vůči oxidaci.
- Wolfram se tvoří spolu se železem stabilním a velmi tvrdými karbidy, které zůstávají stabilní při vysokých teplotách, 14-18% tohoto prvku umožňuje vytvořit řeznou ocel, která může být použita v množství třikrát větším než běžná uhlíková ocel.
- Vanad zvyšuje odolnost vůči oxidaci materiálu a vytváří komplexní karbidy se železem, které zvyšují odolnost proti únavě.
- Niob dodává slitině tvrdost, tažnost a tažnost. Používá se ve stavebních materiálech a automatizaci.
Nečistoty ve slitině
Nečistoty se nazývají prvky, které jsou ve složení oceli nežádoucí. Jsou obsaženy v samotném materiálu a spadají do něj v důsledku tavení, protože jsou obsaženy v hořlavém palivu a v minerálech. Je nutné snížit jejich obsah, protože zhoršují vlastnosti slitiny. V případě, kdy je jejich odstranění ze složení materiálu nemožné nebo drahé, zkuste snížit jejich procento na minimum.
Síra: její obsah je omezen na 0, 04%. Prvek tvoří sulfidy spolu se železem, které spolu s austenitem tvoří eutektikum s nízkou teplotou tání. Sulfidy se uvolňují na hranicích zrn. Obsah síry výrazně omezuje možnost tepelného a mechanického zpracování materiálů při středních a vysokých teplotách, protože vede ke zničení materiálu podél hranic zrn.
Manganové přísady umožňují kontrolovat obsah síry v materiálech. Mangan je více příbuzný síře než železo, proto, místo sirníku železa, sulfid manganu je tvořen, který má vysokou teplotu tání a dobré plastické vlastnosti. Koncentrace manganu musí být pětkrát větší než koncentrace síry, aby se zajistil pozitivní účinek. Mangan také zvyšuje schopnost obrábění ocelí.
Fosfor: maximální limit jeho obsahu ve slitině je 0, 04%. Fosfor je škodlivý, protože se rozpouští ve feritu, čímž se snižuje jeho plasticita. Fosfid železa spolu s austenitem a cementitem tvoří křehkou eutektiku s relativně nízkou teplotou tání. Uvolnění fosfidu železa na hranicích zrn činí materiál křehkým.
Mechanické a technologické vlastnosti oceli
Je velmi obtížné určit specifické fyzikální a mechanické vlastnosti oceli, protože počet jejích typů je různorodý v důsledku odlišného složení a tepelného zpracování, což umožňuje vytvářet materiály s širokou škálou chemických a mechanických vlastností. Tato různorodost vedla k tomu, že se výroba těchto materiálů a jejich zpracování začaly přidělit do samostatného odvětví metalurgie - železné metalurgie, která se liší od hutnictví neželezných kovů. Lze však uvést společné vlastnosti oceli, které jsou uvedeny v následujícím seznamu.
- Objemová hmotnost oceli, tj. Hmotnost 1 m³, je 7850 kg. Hustota oceli g cm3 je tedy 7, 85.
- V závislosti na teplotě lze materiál ohýbat, natahovat a tavit.
- Bod tání závisí na typu slitiny a na procentech přísad. Čisté železo se tedy taví při teplotě 1510 ° C, naopak, ocel má teplotu tání 1375 ° C, což se zvyšuje, jak se zvyšuje procento uhlíku a dalších prvků v něm (s výjimkou eutektik, které se taví při nižších teplotách). Vysokorychlostní ocel se taví při 1650 ° C.
- Materiál se vaří při teplotě 3000 ° C.
- Jedná se o materiál odolný proti deformaci, jehož tvrdost se zvyšuje přidáním dalších prvků.
- To má relativní tažnost (používat to můžete získat tenké niti kresbou - drát), stejně jako plasticita (můžete dostat ploché plechy s tloušťkou 0.12-0.50 mm - cín, který je obvykle pokrytý cínem předejít oxidaci).
- Před použitím tepla je slitina opracována.
- Některé kompozity mají tvarovou paměť a jsou deformovány o více než mez kluzu.
- Tvrdost oceli se mění mezi tvrdostí železa a tvrdostí struktur, které jsou získány tepelnými a chemickými procesy. Mezi nimi je nejznámější kalení, aplikované na materiály s vysokým obsahem uhlíku. Vysoká povrchová tvrdost oceli umožňuje použití jako řezný nástroj. Pro dosažení této charakteristiky, která je udržována až do vysokých teplot, se do oceli přidává chrom, wolfram, molybden a vanad. Změřte tvrdost kovu v Brinell, Vickers a Rockwell.
- Má dobré licí vlastnosti.
- Schopnost korodovat je jednou z hlavních nevýhod oceli, protože oxidované železo se zvětšuje v objemu a vede k vzniku trhlin na povrchu, což dále urychluje proces destrukce. Kov byl tradičně chráněn proti korozi různými povrchovými úpravami. Některé sloučeniny se navíc stávají odolnými vůči oxidaci, například nerezovým materiálům.
- Má vysokou elektrickou vodivost, která se velmi nemění v závislosti na složení slitiny. V nadzemním vedení se nejčastěji používají hliníkové vodiče, které jsou pokryty ocelovým pláštěm. Ten poskytuje drátům nezbytnou mechanickou pevnost a také přispívá k jejich levnější výrobě.
- Používá se pro výrobu umělých permanentních magnetů, protože magnetizovaná ocel neztrácí svou magnetickou schopnost na určitou teplotu. Struktura ocelového feritu má magnetické vlastnosti, zatímco struktura austenitu není magnetická. Magnety na bázi oceli ke stabilizaci struktury feritu obsahují zpravidla asi 10% niklu a chrómu.
- S rostoucí teplotou zvyšuje produkt vyrobený z tohoto materiálu svou délku. Pokud tedy v určité struktuře existují stupně volnosti, pak tepelná roztažnost není problém, ale pokud takové stupně volnosti neexistují, pak expanze oceli povede k dodatečným namáháním, která je třeba vzít v úvahu. Koeficient tepelné roztažnosti oceli je blízký koeficientu betonu. Tato skutečnost umožňuje jejich vzájemné použití v konstrukcích různých typů, tento materiál se nazývá železobeton.
- Je to nehořlavý materiál, ale jeho základní mechanické vlastnosti se při vystavení otevřenému plameni rychle zhoršují.