Anglinis plienas: apibrėžimas, savybės ir klasifikacija
Anglinis plienas: apibrėžimas, cheminė sudėtis, savybės ir klasifikacija. Sužinokite, kaip anglies kiekis keičia tvirtumą, kietumą ir virinimo savybes.
Anglinis plienas arba paprastasis anglinis plienas yra metalo lydinys. Tai dviejų elementų - geležies ir anglies - derinys. Kitų elementų yra per mažai, kad jie turėtų įtakos jo savybėms. Vieninteliai kiti leistini elementai paprastajame angliniame pliene yra šie: manganas (ne daugiau kaip 1,65 %), silicis (ne daugiau kaip 0,60 %) ir varis (ne daugiau kaip 0,60 %). Plienas, kuriame yra mažai anglies, pasižymi tokiomis pačiomis savybėmis kaip ir geležis - minkštas, bet lengvai formuojamas. Didėjant anglies kiekiui, metalas tampa kietesnis ir tvirtesnis, tačiau mažiau plastiškas ir sunkiau suvirinamas. Didesnis anglies kiekis mažina plieno lydymosi temperatūrą ir apskritai jo atsparumą temperatūrai.
Savybių paaiškinimas
Anglies kiekis lemia plieno mikrostruktūrą ir mechanines savybes. Pagrindinės mikrostruktūrinės fazės yra feritas (minkštesnė, labiau plastiška geležies turinti fazė), perlitas (lamelinis mišinys iš ferito ir cementito), ir cementitas (Fe3C — kietas anglies junginys). Kai plienas atšaldomas po tam tikros temperatūros, gali susiformuoti ir kitos fazės, pvz., austenitas arba martensitas, kuri turi labai didelį kietumą.
Keletas svarbių poveikių didėjant anglies kiekiui:
- Kietumas ir atsparumas dilimui: didėja kartu su anglies kiekiu;
- Tempo ir traukos stipris: didėja, bet kartu mažėja elastingumas ir smūginė atsparuma (dūžtančioji tvirtybė);
- Plastika ir formavimas: mažėja — sunkiau lenkti, štampuoti ir šalto profiliavimo procesai;
- Suvirinamumas: blogėja su didesniu anglies kiekiu — dažnai reikalingas priekaitinimas ir šiluminis apdorojimas po suvirinimo;
- Terminis apdorojimas: plieno reaktyvumas į kaitinimą, kietinimą ir attemperavimą labai priklauso nuo anglies kiekio.
Klasifikacija pagal anglies kiekį
- Mažo anglies kiekio (minkštieji, "mild steel"): iki ~0,25–0,30 % C. Lengvai formuojami, geri suvirinami, plačiai naudojami konstrukcijoms, lakštams, vamzdžiams.
- Vidutinio anglies kiekio: ~0,25–0,60 % C. Tinka mechaniniams komponentams, velenams, sraigtams — balansuoja kietumą ir plastiškumą.
- Aukšto anglies kiekio: ~0,60–1,0 % C (kai kuriose klasifikacijose iki 1,5 %). Labai kietas, geras atsparumas dilimui — naudojamas pjovimo įrankiams, spyruoklėms, plieninėms vieloms.
Reikšmingas ribinis taškas yra eutektoidinis kiekis (~0,76 % C): esant šiam anglies kiekiui po lėto aušinimo susidaro daugiausia perlito. Kuo daugiau anglies viršija eutektodinį kiekį, tuo didesnė dalis cementito (kietos, trapios fazės).
Šiluminis apdorojimas ir apdorojimo būdai
- Atkaitinimas (annealing): naudojamas plastiškumui atstatyti ir įtemptiems struktūros sluoksniams pašalinti — metalas tampa minkštesnis ir lengviau apdirbamas.
- Normalizavimas: atliekamas siekiant susmulkinti grūdus ir pagerinti mechanines savybes prieš tolesnį apdorojimą.
- Kietinimas (quenching) ir attemperavimas (tempering): greitas aušinimas po įkaitinimo gali suformuoti martensitą — labai kietą, bet trapesnį struktūros tipą; attemperavimas sumažina trapumą ir subalansuoja tvirtumą bei kietumą.
- Paviršinis sukietinimas (case hardening / carburizing): naudojamas mažo anglies kiekio plienui suteikti kietą išorės sluoksnį, išlaikant plastišką šerdį.
Panaudojimas
- Mažo anglies kiekio plienas: automobilių kėbulai, statybinė konstrukcija, vamzdžiai, suvirinimo darbai, staklių korpusai;
- Vidutinio anglies kiekio plienas: velenai, krumpliaračiai, grioveliai, bendra paskirtis mechaniniai komponentai;
- Aukšto anglies kiekio plienas: pjovimo įrankiai, peiliai, spyruoklės, plieninė viela, kai reikalingas didelis atsparumas dilimui.
Praktinės pastabos ir apribojimai
- Anglinis plienas nėra atsparus korozijai kaip nerūdijantis plienas — dažnai reikia apsauginių dangų arba dažymo;
- Suvirinimo metu aukštesnio anglies kiekio plienams dažnai reikalingas priekaitinimas ir lėtas atšildymas, kad būtų išvengta skilimo ar trapumo prie siūlių;
- Mechaninio apdirbimo metu didesnio anglies kiekio plienas gali būti sunkiau apdirbamas — dažnai prireikia tvirtesnių arba specializuotų pjovimo įrankių;
- Plieno pasirinkimas turi atitikti darbo sąlygas — apkrovų tipą, temperatūrą, reikalavimus dilimui ir korozijai.
Žymėjimas ir standartai
Anglinio plieno rūšys žymimos įvairiais standartais (pvz., EN/ISO, SAE/AISI). Šie žymėjimai nurodo cheminę sudėtį (įskaitant anglies kiekį) ir mechanines savybes. Renkantis medžiagą svarbu atkreipti dėmesį į gaminio specifikacijas pagal taikomą standartą.
Apibendrinant, anglinis plienas yra universali ir plačiai naudojama medžiaga. Jos savybės labai priklauso nuo anglies kiekio ir mikrostruktūros, o tinkamas šiluminis bei mechaninis apdorojimas leidžia pritaikyti plieną konkretiems inžineriniams poreikiams.
Anglinio plieno rūšys
Įprastinės anglies sudėtys yra šios:
- Minkštas (mažai anglies turinčio) plieno: maždaug 0,05-0,25 % anglies ir iki 0,4 % mangano (pvz., AISI 1018 plieno). Mažiau stiprus, bet pigus ir lengvai formuojamas; paviršiaus kietumas gali būti padidintas įanglinant.
- Vidutinio anglingumo plienas: maždaug 0,14-0,84 % anglies ir 0,60-1,65 % mangano (pvz., AISI 1040 plienas). Subalansuotas plastiškumas ir stiprumas, pasižymi geru atsparumu dilimui; naudojamas didelėms detalėms, kaltinėms ir automobilių detalėms gaminti.
- Labai anglingas plienas: maždaug 0,59-0,65 % anglies ir 0,30-0,90 % mangano. Labai stiprus, naudojamas spyruoklėms ir didelio stiprumo vieloms gaminti.
- Labai didelio anglies kiekio plienas: maždaug 0,96-2,1 % anglies kiekis, specialiai apdorotas, kad susidarytų specifinės atominės ir molekulinės mikrostruktūros.
Plieną galima termiškai apdoroti, todėl detales galima gaminti minkštas ir lengvai įkalamas. Jei yra pakankamai anglies, lydinį galima grūdinti, kad padidėtų stiprumas, atsparumas dilimui ir smūgiams. Plienai dažnai apdirbami šaltojo apdirbimo metodais, t. y. metalas formuojamas deformuojant žemoje pusiausvyros arba meta stabilioje temperatūroje.
Metalurgija
Minkštas plienas yra labiausiai paplitusi plieno forma, nes jo kaina yra palyginti nedidelė, o medžiagos savybės yra priimtinos daugeliui paskirčių. Minkštame pliene yra mažai anglies (iki 0,3 %), todėl jis nėra nei labai trapus, nei plastiškas. Kaitinamas jis tampa plastiškas, todėl jį galima kalti. Jis taip pat dažnai naudojamas, kai reikia suformuoti didelį plieno kiekį, pavyzdžiui, kaip konstrukcinis plienas. Šio metalo tankis yra 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), o tempiamasis stipris - ne didesnis kaip 500 MPa (72500 psi).
Angliniuose plienuose, kurie gali būti sėkmingai termiškai apdorojami, anglies kiekis yra nuo 0,30 % iki 1,70 % masės. Įvairių kitų elementų pėdsakinės priemaišos gali turėti didelės įtakos gauto plieno kokybei. Dėl pėdsakinių sieros kiekių plienas tampa "raudonai trumpas", o tai yra yda: plienas yra trapus ir trapus. Mažai legiruotame angliniame pliene, pavyzdžiui, A36 markės, yra apie 0,05 % sieros ir jis lydosi maždaug 1426-1538 °C (2600-2800 °F) temperatūroje. Siekiant pagerinti mažaanglių plienų kietumą, dažnai dedama mangano. Dėl šių priedų medžiaga pagal kai kurias apibrėžtis tampa mažai legiruotu plienu, tačiau pagal AISI anglinio plieno apibrėžtį leidžiama naudoti iki 1,65 % masės mangano.
Grūdintas plienas paprastai reiškia grūdintą arba grūdintą ir grūdintą plieną.
Sidabrinis plienas arba didelio anglies kiekio šviesusis plienas savo pavadinimą gavo dėl išvaizdos, kurią lemia didelis anglies kiekis. Tai labai daug anglies turintis plienas, arba jį galima laikyti vienu geriausių daug anglies turinčių plienų. Jis apibrėžiamas pagal plieno specifikacijos standartus BS-1407. Tai 1 % anglies dioksido turinčio įrankio plienas, kurį galima šlifuoti pagal mažus leistinus nuokrypius. Paprastai anglies kiekis yra ne mažesnis kaip 1,10 %, bet didesnis kaip 1,20 %. Jame taip pat yra 0,35 % Mn (intervalas 0,30-0,40 %), 0,40 % Cr (intervalas 0,4-0,5 %), 0,30 % Si (intervalas 0,1-0,3 %), taip pat kartais sieros (ne daugiau kaip 0,035 %) ir fosforo (ne daugiau kaip 0,035 %). Sidabrinis plienas kartais naudojamas tiesiems skustuvams gaminti, nes iš jo galima pagaminti ir išlaikyti labai ploną briauną.
Terminis apdorojimas
Paprastojo anglinio plieno terminio apdorojimo tikslas - pakeisti plieno mechanines savybes, dažniausiai plastiškumą, kietumą, takumo ribą ir atsparumą smūgiams.
Geležies ir anglies fazinė diagrama, kurioje parodytas tam tikrų rūšių terminio apdorojimo temperatūros ir anglies diapazonas.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra anglinis plienas?
A.: Anglinis plienas yra metalo lydinys, sudarytas iš dviejų elementų - geležies ir anglies.
K: Ar yra kitų elementų, kurių gali būti paprastajame angliniame pliene?
A: Taip, nedideliais kiekiais gali būti kitų elementų, pavyzdžiui, mangano (ne daugiau kaip 1,65 %), silicio (ne daugiau kaip 0,60 %) ir vario (ne daugiau kaip 0,60 %).
K: Kokiomis savybėmis pasižymi paprastasis anglinis plienas, kuriame yra mažai anglies?
A: Paprastasis anglinis plienas, turintis mažai anglies, pasižymi tokiomis pačiomis savybėmis kaip ir geležis - jis yra minkštas ir lengvai formuojamas.
K: Kaip daugiau anglies pridėjimas veikia anglinio plieno savybes?
A: Pridėjus daugiau anglies, metalas tampa kietesnis ir tvirtesnis, bet mažiau plastiškas ir sunkiau suvirinamas.
Klausimas: Ar yra ribotas mangano kiekis, kuris gali būti paprastajame angliniame pliene?
A.: Taip, didžiausias mangano kiekis, kurį gali sudaryti paprastasis anglinis plienas, yra 1,65 %.
K: Ar didesnis anglies kiekis turi įtakos plieno lydymosi temperatūrai?
A: Taip, didesnis anglies kiekis mažina plieno lydymosi temperatūrą.
K.: Ar didesnis anglies kiekis turi įtakos plieno atsparumui temperatūrai apskritai?
A: Taip, didesnis anglies kiekis taip pat mažina plieno atsparumą temperatūrai apskritai.
Ieškoti