Zastosowanie i klasyfikacja stali

Są to parametry charakteryzujące przydatność stali w gospodarce. Ich wielkość uzależniona jest od składu stopu i obróbki. Podane poniżej wartości są charakterystyczne dla stali stosowanych w budownictwie.

Wytrzymałość na rozciąganie określana wielkością naprężenia wywołanego w przekroju próbki przez siłę powodującą jej zerwanie. Badane są także inne parametry określające naprężenia w próbkach stali, takie jak wytrzymałość na ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcenie.

Podczas badania próbki stali na zerwanie określane są także:
naprężenie rozrywające, czyli rzeczywista wartość naprężenia w miejscu przewężenia rozciąganej próbki bezpośrednio przed jej zerwaniem (jest to wartość siły powodującej zerwanie w odniesieniu do przekroju zerwanej próbki w jej najwęższym miejscu);
wydłużenie względne, czyli procentowy przyrost długości zerwanej próbki w stosunku do jej początkowej długości,
przewężenie względne, czyli procentowe zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego zerwanej próbki w miejscu zerwania do jej przekroju pierwotnego.

Sprężystość rozumiana jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej postaci po zaprzestaniu działania na niego sił powodujących odkształcenie. W zakresie naprężeń sprężystych obowiązuje prawo Hooke'a.

Sprężystość materiału określa:
współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga) E, który dla stali ma wartość w granicach od 205 do 210 GPa (Gigapaskali)
współczynnik sprężystości poprzecznej G (moduł Kirchhoffa), który dla stali ma wartość 80GPa

Plastyczność, czyli zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej na skutek naprężeń od obciążeń po zaprzestaniu ich działania. Są to odkształcenia trwałe, które powstają po przekroczeniu wartości tzw. granicy plastyczności, po przekroczeniu której następuje znaczny przyrost wydłużenia rozciąganej próbki, nawet bez wzrostu a często przy spadku wartości siły rozciągającej. Umownie przyjmuje się granicę plastyczności dla wartości naprężenia, przy którym trwałe wydłużenie próbki wynosi 0,2%.

Ciągliwość – zdolność materiału pozwalająca na zachowanie jego właściwości podczas obróbki polegającej na jego tłoczeniu, zginaniu lub prostowaniu itp. Właściwość ta wykorzystywana jest podczas produkcji wyrobów (np. blach trapezowych, ościeżnic itp.).

Udarowość, czyli odporność na obciążenia dynamiczne.

Twardość, czyli zdolność przeciwstawienia się materiału przy próbie wciskania przedmiotów twardszych. Twardość stali związana jest z zawartością węgla, manganu, chromu itp.
Spawalność, to cecha stali pozwalająca na wykonanie trwałych połączeń przez spawanie.

 

STALE KONSTRUKCYJNE DZIELI SIĘ NA:

  • stal konstrukcyjna ogólnego przeznaczenia (stal konstrukcyjna do wykonywania konstrukcji oraz części maszyn i urządzeń ogólnego przeznaczenia, wszędzie tam, gdzie jej charakterystyki są wystarczające dla spełnienia funkcji. Stale konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia są stalami najniższego gatunku i zawierają znaczne ilości zanieczyszczeń, głównie siarki, krzemu i fosforu. Przy jej produkcji stosuje się niski reżim technologiczny, co wpływa na szeroki rozrzut zawartości węgla. Stali ogólnego przeznaczenia nie poddaje się obróbce cieplnej. Stale te są najczęściej uspokojone, chyba że brak uspokojenia jest oddzielnie zaznaczony)
  • stal konstrukcyjna wyższej jakości (stal charakteryzująca się wąskimi granicami zawartości węgla i manganu oraz niewielką zawartością zanieczyszczeń, głównie krzemu (poniżej 0,7%) i fosforu. Zwykle dostarczane są jako stale uspokojone i nadają się do obróbki cieplnej)
  • stal konstrukcyjna niskostopowa (stal o niskiej zawartości węgla maksymalnie do 0,22% posiadająca dodatki stopowe w ograniczonych ilościach. Stale niskostopowe używane są do budowy konstrukcji narażonych na działanie warunków atmosferycznych takich jak mosty, maszty, wagony kolejowe itp. – wszędzie tam, gdzie zastosowanie jej jest uzasadnione ekonomicznie. Charakteryzują się większą wytrzymałością od stali konstrukcyjnych wyższej jakości oraz większą odpornością na korozję)

Stal do nawęglania (stal używana do obróbki chemicznej nawęglania. Do nawęglania stosuje się stale konstrukcyjne wyższej jakości, niskostopowe oraz stale stopowe o małej lub średniej (0,08 do 0,25%) zawartości węgla. Wyroby wykonane z takiej stali po nawęgleniu zachowują dużą ciągliwość i odporność na szerzenie rdzenia oraz twardość powierzchni)
stal do azotowania (stal używana do obróbki chemicznej azotowania. Do azotowania stosuje się stale konstrukcyjne niskostopowe oraz stale stopowe o zawartości aluminium powyżej 1,0%. Wyroby wykonane z takiej stali po azotowaniu uzyskują dużą odporność na ścieranie)
stal do ulepszania cieplnego (stal używana do obróbki cieplnej ulepszania cieplnego. Do ulepszania stosuje się stale konstrukcyjne wyższej jakość, niskostopowe oraz stale stopowe o zawartości węgla 0,25 do 0,6%)

Stal sprężynowa (stal używana do produkcji resorów, sprężyn i drążków skrętnych. Stale sprężynowe są stalami węglowymi zawierającymi 0.6% – 0.85% węgla stalami niskostopowymi zawierającymi dodatki krzemu, manganu, chromu i wanadu. Większość stali sprężynowych charakteryzuje się podwyższoną zawartością krzemu, która normalnie jest niepożądanym zanieczyszczeniem. W tych jednak aplikacjach jest wymaganym dodatkiem obniżającym plastyczność stali)

Stal automatowa (stal wykorzystywana do produkcji drobnych części np.: śrub, nakrętek, podkładek itp. Używana na części nie podlegające silnym obciążeniom. Stal taka, dostarczana w postaci prętów, jest używana w automatach, które pracując przy minimalnym nadzorze ludzkim, wymagają stali tworzącej krótkie i łamliwe wióry. Zapewnia się to przez zwiększony dodatek siarki do 0,35% i fosforu do 0,15%. Siarka, tworząca z metalami kruche siarczki, najbardziej wpływa na łamliwość wiórów)
stal na łożyska toczne (stal do wytwarzania łożysk tocznych. Elementy łożyska tocznego, pracujące w ekstremalnych warunkach wytężeniowych wymagają stali wysokiej jakości, wytwarzanej w szczególnie ścisłym reżimie technologicznym. Od stali łożyskowych wymaga się wąskiej i ściśle utrzymywanej tolerancji składników stopowych i zanieczyszczeń, oraz odpowiedniej struktury)

Stal transformatorowa (stal o specjalnych własnościach magnetycznych, używana jest na blachy transformatorowe. Nie występuje w niej, lub występuje w niewielkim stopniu zjawisko prądów wirowych oraz magnetostrykcji. Oba czynniki są odpowiedzialne za straty energii w transformatorze, tzw. straty mocy w żelazie. Stal transformatorowa to stal niskostopowa o podwyższonej zawartości krzemu)

Stal narzędziowa – stal do produkcji narzędzi, elementów przyrządów pomiarowych oraz odpowiedzialnych uchwytów. Stale narzędziowe charakteryzują się wysoką twardością, odpornością na ścieranie, niewielką odkształcalnością i niewrażliwością na przegrzanie. Cechy te osiąga się przez wysoką zawartość węgla i odpowiednią obróbkę cieplną przy narzędziach mało odpowiedzialnych oraz użycie odpowiednich dodatków stopowych połączone z odpowiednią obróbką cieplną w przypadku odpowiedzialnych narzędzi.

Stal narzędziowa dzieli się na:
Stale narzędziowe węglowe (stal narzędziowa, która nie posiada większej ilości dodatków stopowych oprócz węgla, którego zawartość mieści się w granicach 0.5% – 1.3%. Innymi cechami odróżniającymi stale węglowe narzędziowe od stali konstrukcyjnej jest zmniejszona zawartość manganu I drobnoziarnistość. Od większości stali narzędziowych węglowych wymaga się, by były płytko hartujące (zobacz hartowność stali). Na mniej odpowiedzialne narzędzia stosuje się tańszą stal głęboko hartującą się. Płytkie hartowanie jest pożądane, gdyż zapewnia twardość powierzchni narzędzia, przy jednoczesnej wytrzymałości rdzenia narzędzia na uderzenia)

Stal narzędziowa stopowa
stale do pracy na zimno (stal stopowa narzędziowa stosowana na narzędzia do obróbki skrawaniem i plastycznej, które mogą się tylko nieznacznie nagrzewać w czasie pracy. Tego rodzaju stali używa się także do produkcji przyrządów pomiarowych. Od stali do pracy na zimno wymaga się, by zachowała swoje właściwości do temperatury +200 °C)
stale do pracy na gorąco (stal stopowa narzędziowa stosowana na narzędzia do obróbki plastycznej na gorąco i do budowy form odlewniczych narażonych na bardzo wysokie temperatury w czasie pracy. Wymaga się, by stale te zachowały swoje właściwości do temperatury +600°C. Osiąga się to poprzez zastosowanie wolframu i molibdenu jako dodatków stopowych nawet do 8-10%, jak to ma miejsce przy stali WWV) stale szybkotnące (z angielskiego high speed steel, stal stopowa narzędziowa używana do wytwarzania narzędzi do obróbki skrawaniem przy dużych prędkościach skrawania. Wymaga się od nich zachowania twardości i kształtu, aż do temperatury +600°C. Cechę tę realizuje się przez zastosowanie dodatków stopowych – węgla 0,75-1,3% chromu 3,5-5,0%, wolframu 6-19%, wanadu 1,0-4,8%, molibdenu 3,0 do 10%, a w niektórych gatunkach także i kobaltu 4,5-10,0%, oraz odpowiednią obróbkę cieplną. W jej czasie dokonuje się wyżarzania, tak by dodatki stopowe utworzyły związki z węglem, tzw. węgliki, które w znacznym stopniu muszą się rozpuścić w ferrycie. Wymaga to bardzo uważnej i długotrwałej obróbki)

Współcześnie stale narzędziowe, szczególnie te wysokiej jakości, wypierane są przez stellit i węgliki spiekane.

Stal specjalna – stal przeznaczona do specjalnych zastosowań. Stale specjalne zawierają dużą ilość dodatków stopowych, wymagają bardzo skomplikowanej obróbki cieplnej oraz wysokiego reżimu obróbki i montażu. Ze względu na wysoką cenę nie są stosowane powszechnie.

 

DO STALI SPECJALNYCH NALEŻĄ:

Stal nierdzewna (stal odporna na działanie czynników atmosferycznych, rozcieńczonych kwasów, roztworów alkalicznych i podobnych. Nierdzewność stali uzyskuje się poprzez zwiększoną zawartość chromu. Im większa zawartość chromu, tym większa odporność stali na korozję. Zwykle stosuje się od 12% do 25% chromu. Zwiększona zawartość węgla także wpływa na wzrost nierdzewności stali, lecz zbyt duża jego zawartość powoduje kruchość stali. Stale nierdzewne podlegają obróbce cieplnej, hartowaniu i odpuszczaniu. Stali nierdzewnych używa się na zbiorniki na wyroby z ropy naftowej, niecki basenów pływackich, kolumny rektyfikacyjne, instalacje w przemyśle koksowniczym, łopatki turbin parowych, armaturę przemysłową i domową, narzędzia medyczne, sztućce, instalacje w przemyśle spożywczym, takielunek i okucia żeglarskie itp.)

Stal kwasoodporna (stal odporna na działanie kwasów o mniejszej mocy od kwasu siarkowego. Kwasoodporność uzyskuje się dzięki stabilizacji austenitu w normalnych warunkach, co można uzyskać dzięki wysokim zawartościom chromu (17–20%) i niklu (8-14%), oraz innych dodatków stopowych, takich jak mangan, tytan, molibden i miedź.

Stale kwasoodporne stosowane są po polerowaniu. Jako że w wysokich temperaturach dodatki stopowe mają tendencję do łączenia się z węglem tworząc twarde węgliki, po spawaniu elementów wykonanych ze stali kwasoodpornych wymagana jest ich obróbka cieplna. Stale kwasoodporne wykorzystuje się do budowy zbiorników kwasów oraz instalacji przemysłowych, do ich produkcji i dystrybucji, oraz innych instalacji zawierających kwasy, np. w przemyśle farbiarskimi, przy produkcji nawozów sztucznych itp.)
stal żarowytrzymała (odmiana stali żaroodpornej, od której wymaga się także zachowania wytrzymałości w szerokim zakresie temperatur)

Stal żaroodporna (stal odporna na działanie wysokich temperatur i pracująca okresowo lub stale pod ich wpływem. Żarowytrzymałość uzyskuje się poprzez wysokie zawartości chromu 5-30%, niklu 4-30% oraz znaczne ilości molibdenu 0,5 do 1,0% i wolframu do 2% jako dodatków stopowych. Wysoka zawartość dodatków stopowych pozwala uzyskać strukturę austenityczną w normalnych warunkach. Górna granica żaroodporności wynosi 800°C do 1200°C w zależności od składu stali. Ze stali żaroodpornych i żarowytrzymałych wykonuje się elementy pieców, kotłów parowych, wentylatory do gorących gazów, skrzynki do nawęglania, komory spalania turbin gazowych oraz zawory tłokowych silników spalinowych)

Stal magnetyczna (stal o specjalnych własnościach magnetycznych. Są stale posiadające właściwości ferromagnetyczne stosowane na magnesy trwałe. Na magnesy trwałe używa się stali o bardzo niskiej zawartości węgla, tzw. ferryt)

Stal odporna na zużycie (staliwo, w którym następuje bardzo powolne zużycie powierzchowne, tzw. ścieranie. Jest stalą wysokowęglową zawierającą 11 do 14%manganu. Jest tak twarda, że nie daje się jej obrabiać skrawaniem. Gotowe elementy odlewa się w formach, dlatego choć nazywana jest stalą, technicznie jest staliwem)

Stal Hadfielda – (o oznaczeniu: X120Mn13) – stal o dużej odporności na ścieranie. Zawiera 1,1-1,3%C i 12-13%Mn. Powyżej 950°C stal Hadfielda posiada strukturę austenityczną. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej, jest mieszaniną ferrytu i cementytu manganowego. Stal ta charakteryzuje się bardzo dużą skłonnością do umocnienia, gdyż pod wpływem zgniotu tworzą się w niej mikrobliźniaki. Twardość takiej stali wynosi ok. 500 HB. Stal Hadfielda umacnia się podczas pracy. Stosowana jest głównie na elementy szczególnie narażone na ścieranie przy dużych naciskach: kosze koparek, gąsienice ciągników, rozjazdy kolejowe.

 

ZE WZGLĘDU NA RODZAJ I UDZIAŁ SKŁADNIKÓW STOPOWYCH:

Stal węglowa – stal, w której pierwiastkiem kształtującym jej charakterystyki jest węgiel.
Stal węglowa stosowana jest powszechnie przy wytwarzaniu konstrukcji oraz części urządzeń mechanicznych, wszędzie tam, gdzie jej charakterystyki są wystarczające.

Stale węglowe dzieli się na:

  • stale węglowe zwykłej jakości – stosowane bez dodatkowej obróbki
  • stale węglowe podwyższonej jakości – często poddawane dodatkowej obróbce cieplnej lub chemicznej.
  • W zależności od zawartości węgla dzielimy je na:
  • stale niskowęglowe – o zawartości węgla do około 0,3%
  • stale średniowęglowe – o zawartości od 0,3 do 0,6%
  • stale wysokowęglowe – o zawartości powyżej 0,6%

Stal stopowa – stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali. Dodatki stopowe dodaje się by: podnieść hartowność stali, uzyskać większą wytrzymałość stali, zmienić pewne właściwości fizyczne i chemiczne stali. Stale stopowe, zwykle bardzo drogie, używane są w zastosowaniach specjalnych, tam gdzie jest to uzasadnione ekonomicznie.

Stal znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. W budownictwie stanowi jeden z kilku podstawowych materiałów konstrukcyjnych.
Najczęściej używane w tej dziedzinie gospodarki gatunki stali to stale niskostopowe i ogólnego przeznaczenia (nazywane także stalami niestopowymi).
W pierwszej grupie najbardziej popularne to (oznaczenia zgodne z PN-88/H-84020) grupy o symbolach St0S, St3S i St4S. W grupie drugiej znajdują się stale:

podwyższonej wytrzymałości (oznaczone zgodnie z PN-86/H-84018) symbolami 18G2, 18G2A i 18G2AV
trudnordzewiejące (oznaczone zgodnie z PN-82/H-84017) symbolami 10HA, 10H, 12HIJA, 12PJA
stale do produkcji rur (oznaczone zgodnie z PN-89/H-84023.7) symbolami R, R35, R45, 12X. Do produkcji rur używane są także stale 18G2A i St3S.

 

DO NAJCZĘŚCIEJ STOSOWANYCH DODATKÓW W STALACH ZALICZA SIĘ:

  • nikiel (obniża temperaturę przemiany austenitycznej oraz prędkość hartowania. W praktyce ułatwia to proces hartowania i zwiększa głębokość hartowania. Nikiel rozpuszczony w ferrycie umacnia go, znacznie podnosząc wytrzymałość na uderzenie. Dodatek niklu w ilości 0.5% do 4% dodaje się do stali do ulepszania ciepłego, a w ilościach 8% do 10% do stali kwasoodpornej. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą N).
  • chrom (powoduje rozdrobnienie ziarna. Podwyższa hartowność stali. Zwiększa jej wytrzymałość. Stosowany w stalach narzędziowych i specjalnych. W tych ostatnich nawet w ilościach do 30%. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą H).
  • mangan (obniża temperaturę przemiany austenitycznej, a przy zawartości powyżej 15% stabilizuje i umożliwia uzyskanie struktury austenitycznej w normalnych temperaturach. Już przy zawartościach 0.8% do 1.4% znacznie podwyższa wytrzymałość na rozciąganie, uderzenie i ścieranie. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą G).
  • wolfram (zwiększa drobnoziarnistość stali, powiększa wytrzymałość, odporność na ścieranie. Duży dodatek wolframu 8% do 20% zwiększa odporność stali na odpuszczanie. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą W).
  • molibden (zwiększa hartowność stali. Podnosi wytrzymałość i zmniejsza kruchość i podnosi odporność na pełzanie. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą M).
  • wanad (zwiększa drobnoziarnistość stali i znacznie powiększa jej twardość. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą V (F).
  • kobalt (zwiększa drobnoziarnistość stali i znacznie powiększa jej twardość. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą K) krzem (normalnie traktowany jako niepożądana domieszka, zwiększa kruchość stali. Staje się pożądanym składnikiem w stalach sprężynowych. Ze względu na fakt, że zmniejsza energetyczne straty prądowe w stali, dodaje się go w ilościach do 4% do stali transformatorowej. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą S).
  • tytan (w symbolach stali jego dodatek oznacza się literą T).
  • niob (w symbolach stali jego dodatek oznacza się literami Nb.
  • glin (aluminium), (w symbolach stali jego dodatek oznacza się literą A).
  • miedź (posiada podobne właściwości fizyczne jak czyste żelazo, lecz jest znacznie bardziej odporne na korozję. Miedź jest pożądanym dodatkiem i jej zawartość systematycznie wzrasta wraz z użyciem stali złomowej przy wytapianiu nowej stali. W symbolach stali jej dodatek oznacza się literami Cu).

 

DO PARAMETRÓW OKREŚLAJĄCYCH WŁAŚCIWOŚCI STALI JAKO MATERIAŁU NALEŻĄ CHARAKTERYSTYKI FIZYCZNE, MECHANICZNE I TECHNOLOGICZNE.

Właściwości fizyczne stali:
gęstość ρ = 7850 kg/m3
współczynnik liniowej rozszerzalności αT = 0,000012 0C-1
współczynnik przewodzenia ciepła λ = 58 W/mK
współczynnik Poissona ν = 0,30
rezystywność (20 oC, 0.37-0.42 %węgla) = 171•10-9 [Ω•m]