Ако съдържанието на въглерод в желязото надвишава определената горна граница, тогава материалът губи своите ковъчни свойства и е възможно да се работи с него само чрез леене.
Общи свойства
Стоманата не трябва да се бърка с желязото, което е твърд и относително еластичен метал, има диаметър на атома от 2, 48 ангстром, точка на топене 1535 ° С и температура на кипене 2740 ° С. От своя страна, въглеродът е неметален с диаметър на атомите 1.54 ангстрема, мек и крехък в повечето от неговите алотропни модификации (с изключение на диаманта). Дифузията на този елемент в кристалната структура на желязото е възможна поради разликата в техните атомни диаметри. В резултат на тази дифузия този материал се образува.
Основната разлика между желязото и стоманата е процентът на въглерода, който е посочен по-горе. Материалът може да има различна микроструктура в зависимост от определена температура. Тя може да бъде в следните структури (за повече информация, вижте диаграмата на фаза желязо-въглерод):
- перлит;
- цементит;
- ферит;
- аустенит.
Материалът запазва свойствата на желязото в чисто състояние, но добавянето на въглерод и други елементи, както метали, така и неметали, подобрява физикохимичните му свойства.
Има много видове стомана в зависимост от елементите, добавени към нея. Група от въглеродни стомани се образува от материали, в които въглеродът е единствената добавка. Други специални материали произтичат от техните имена поради основните си функции и свойства, които се определят от тяхната структура и добавят допълнителни елементи, например силиций, цимент, неръждаема стомана, структурни сплави и т.н.
Като правило, всички материали с добавки се комбинират под едно име - специални стомани, които се различават от обикновените въглеродни стомани, а последните служат като основен материал за производството на специални материали. Такова разнообразие на материала според неговите характеристики и свойства води до факта, че стоманата започва да се нарича "сплав от желязо и друго вещество, което увеличава твърдостта му."
Метални компоненти
Двата основни компонента на стоманата се срещат в изобилие в природата, което благоприятства тяхното производство в голям мащаб. Разнообразието от свойства и наличието на този материал го прави подходящ за индустрии като инженерство, производство на инструменти, строителство, допринасящи за индустриализацията на обществото.
Въпреки плътността (специфичното тегло на стоманата кг m3 е 7850, т.е. масата на стоманата с обем 1 м³ е 7850 кг, за сравнение, плътността на алуминия е 2700 кг / м3) се използва във всички сектори на промишлеността, включително и в аеронавтиката. Причините за неговата разнообразна употреба са както пластичност, така и твърдост, както и относително ниска цена.
Добавки и техните характеристики
Специална класификация на стоманите определя наличието на специфичен елемент в неговия състав и неговия процент от теглото. Елементите се добавят към сплавта, за да се получат последните специфични свойства, например за увеличаване на неговата механична издръжливост, твърдост, износоустойчивост, топене и др. По-долу е даден списък на най-често срещаните добавки и ефекти, които те предизвикват.
- Алуминий : добавя се в концентрации, близки до 1%, за да се увеличи твърдостта на сплавта и при концентрации по-малко от 0, 008% като антиоксидант за топлоустойчиви материали.
- Бор : при ниски концентрации (0, 001–0, 006%) увеличава закаляемостта на материала, без да намалява неговата способност да се обработва. Използва се в материали с ниско качество, например при производството на плугове, тел, осигуряващи неговата твърдост и пластичност. Използва се и като азотни капани в кристалната структура на желязото.
- Cobalt. Той намалява закаляемостта и втвърдява материала и увеличава неговата твърдост при високи температури. Той също така увеличава магнитните свойства. Използва се в топлоустойчиви материали.
- Хром : поради образуването на карбиди, стомана дава здравина и устойчивост на високи температури, повишава корозионната устойчивост, увеличава дълбочината на образуване на карбиди и нитриди по време на термохимичната обработка, се използва като твърдо покритие от неръждаема стомана за оси, бутала и т.н.
- Молибденът повишава твърдостта и корозионната устойчивост на аустенитни материали.
- Добавя се азот, за да се улесни образуването на аустенит.
- Никелът прави аустенита стабилен при стайна температура, увеличавайки твърдостта на материала. Използва се в топлоустойчиви сплави.
- Оловото образува малки кълбовидни образувания, които увеличават способността за обработка на стомана. Този елемент осигурява смазване на материала в процент от 0, 15% до 0, 30%.
- Силиконът увеличава закаляемостта и устойчивостта на окисляване на материала.
- Титан стабилизира сплавта при високи температури и увеличава устойчивостта му към окисление.
- Волфрамът образува заедно с желязо стабилни и много твърди карбиди, които остават стабилни при високи температури, 14-18% от този елемент ви позволява да създадете режеща стомана, която може да се използва със скорост три пъти повече от обикновената въглеродна стомана.
- Ванадий повишава устойчивостта на окисляване на материала и образува сложни карбиди с желязо, което повишава устойчивостта на умора.
- Ниобият придава твърдост, еластичност и еластичност на сплавта. Използва се в конструкционни материали и автоматизация.
Примеси в сплавта
Примесите се наричат елементи, които са нежелани в състава на стоманата. Те се съдържат в самия материал и попадат в него в резултат на топене, тъй като се съдържат в гориво и минерали. Необходимо е да се намали тяхното съдържание, тъй като влошават свойствата на сплавта. В случай, че тяхното отстраняване от състава на материала е невъзможно или скъпо, тогава се опитайте да намалите техния процент до минимум.
Сяра: съдържанието му е ограничено до 0, 04%. Елементът образува сулфиди заедно с желязото, което на свой ред заедно с аустенит образува евтектика с ниска точка на топене. Сулфидите се освобождават по границите на зърната. Съдържанието на сяра рязко ограничава възможността за термична и механична обработка на материалите при средни и високи температури, тъй като води до разрушаване на материала по границите на зърната.
Мангановите добавки ви позволяват да контролирате съдържанието на сяра в материалите. Манганът е по-тясно свързан със сярата от желязото, затова вместо железен сулфид се образува манганов сулфид, който има висока точка на топене и добри пластични свойства. Концентрацията на манган трябва да бъде пет пъти по-голяма от концентрацията на сяра, за да се осигури положителен ефект. Манганът също увеличава способността за обработка на стоманите.
Фосфор: максималната граница на съдържанието му в сплавта е 0, 04%. Фосфорът е вреден, защото се разтваря във ферит, като по този начин намалява неговата пластичност. Железният фосфид заедно с аустенит и цементит образува крехка евтектика с относително ниска точка на топене. Освобождаването на железен фосфид по границите на зърната прави материала крехък.
Механични и технологични характеристики на стоманата
Много е трудно да се определят специфичните физични и механични свойства на стоманата, тъй като броят на неговите видове е разнообразен поради различния състав и топлинна обработка, които ви позволяват да създавате материали с голямо разнообразие от химически и механични характеристики. Това разнообразие доведе до факта, че производството на тези материали и тяхната обработка започнаха да се отпускат в отделен клон на металургията - черна металургия, която се различава от цветната металургия. Въпреки това, общи свойства за стомана могат да бъдат дадени, те са представени в списъка по-долу.
- Обемното тегло на стоманата, т.е. маса 1 m³, е 7850 kg. По този начин плътността на стомана g cm3 е 7.85.
- В зависимост от температурата материалът може да се огъне, разтегне и разтопи.
- Точката на топене зависи от вида на сплавта и процента на добавките. Така чистото желязо се топи при температура 1510 ° С, а стоманата има точка на топене 1375 ° С, което се увеличава с увеличаване на процента въглерод и други елементи в него (с изключение на евтектиката, която се топи при по-ниски температури). Високоскоростната стомана се топи при 1650 ° С.
- Сварява се материал при температура от 3000 ° С.
- Това е устойчив на деформации материал, чиято твърдост се увеличава с добавянето на други елементи.
- Той има относителна еластичност (с помощта на него можете да получите тънки нишки по чертеж - тел), както и пластичност (можете да получите плоски метални листове с дебелина от 0.12-0.50 мм - калай, която обикновено се покрива с калай, за да се предотврати окисляването).
- Преди да се използва топлина, сплавта се обработва.
- Някои композити имат памет на формата и се деформират с количество, по-голямо от точката на провлачване.
- Твърдостта на стоманата варира между твърдостта на желязото и твърдостта на структурите, получени чрез термични и химични процеси. Сред тях най-известното е закаляването, приложено към материали с високо съдържание на въглерод. Високата повърхностна твърдост на стоманата позволява да се използва като режещ инструмент. За да се получи тази характеристика, която се поддържа до високи температури, към стоманата се добавят хром, волфрам, молибден и ванадий. Измерете твърдостта на метала в Brinell, Vickers и Rockwell.
- Има добри отливки.
- Способността за корозия е един от основните недостатъци на стоманата, тъй като окисленото желязо се увеличава в обем и води до появата на пукнатини по повърхността, което от своя страна допълнително ускорява процеса на разрушаване. Традиционно, металът е защитен от корозия чрез различни повърхностни обработки. Освен това някои съединения са станали устойчиви на окисление, например неръждаеми материали.
- Той има висока електрическа проводимост, която не се различава значително в зависимост от състава на сплавта. В надземните електропроводи най-често се използват алуминиеви проводници, които са покрити със стоманен кожух. Последното осигурява необходимата механична якост на проводниците, а също така допринася за по-евтиното им производство.
- Използва се за производство на изкуствени постоянни магнити, тъй като магнитната стомана не губи магнитната си способност до определена температура. Структурата на стоманения ферит има магнитни свойства, докато структурата на аустенита не е магнитна. Магнитите на базата на стомана за стабилизиране на структурата на ферита съдържат, като правило, около 10% от никел и хром.
- С повишаването на температурата, продуктът от този материал увеличава дължината му. Следователно, ако в определена структура има степени на свобода, то термичното разширение не е проблем, но ако такива степени на свобода не съществуват, тогава разширяването на стоманата ще доведе до допълнителни напрежения, които трябва да бъдат взети под внимание. Коефициентът на топлинно разширение на стоманата е близък до този на бетона. Този факт позволява да се използват заедно в конструкции от различен тип, като този материал се нарича стоманобетон.
- Той е негорим материал, но основните му механични свойства бързо се влошават при излагане на открит пламък.