Staalclassificatie:chemie en eigenschappen

De bepalende eigenschappen van staal

Bij staalsorteringssystemen wordt rekening gehouden met chemische samenstelling, behandeling en mechanische eigenschappen, zodat fabrikanten het juiste product voor hun toepassing kunnen kiezen. Naast het werkelijke percentage koolstof en andere legeringen in het materiaal, heeft ook de microstructuur een significante invloed op de mechanische eigenschappen van staal.

Het is belangrijk om de definitie van microstructuur te begrijpen - en de manier waarop de microstructuur van staal kan worden gemanipuleerd met behulp van warm- en koudvormen en na productie. Met deze technieken kunnen producten worden ontwikkeld met specifieke mechanische eigenschappen. Het manipuleren van samenstelling en microstructuur zal echter resulteren in een afweging tussen verschillende eigenschappen. Harder staal kan bijvoorbeeld een verminderde sterkte hebben.

Microstructuur

De microstructuur van een materiaal is de manier waarop de moleculen worden samengevoegd met krachten die tussen die moleculen aan het werk zijn. Verwarmings- en koelprocessen worden gebruikt om de microstructuur van de ene vorm in de andere te veranderen, waardoor de eigenschappen van het materiaal veranderen.

Microstructuur is niet waarneembaar met het blote oog, maar kan onder een microscoop worden bestudeerd. Staal kan verschillende verschillende microstructuren aannemen:ferriet, perliet, martensiet, cementiet en austeniet.

Ferriet

Ferriet is de term die wordt gebruikt voor de moleculaire structuur van zuiver ijzer bij kamertemperatuur. Staal met een zeer laag koolstofgehalte zal ook dezelfde microstructuur aannemen. De karakteristieke vorm van ferriet is een body-centered cubic (BCC) kristalstructuur. Stel je visueel een kubus voor met één molecuul op elke hoek en een molecuul in het midden van de kubus. De moleculen zijn losser verpakt in BCC dan in andere microstructuren die meer moleculen in elke kubus bevatten. De hoeveelheid koolstof die kan worden toegevoegd zonder de ferrietmicrostructuur te veranderen, is echter laag, slechts 0,006% bij kamertemperatuur.

Austenitisch

Austeniet is een microstructuur die wordt gevormd wanneer legeringen op ijzerbasis boven 1500˚F maar onder 1800˚F worden verwarmd. Als de juiste legering in het staal aanwezig is, zoals nikkel, behoudt het materiaal deze microstructuur ook bij afkoeling. De karakteristieke vorm van austeniet is een face-centered cubic (FCC) kristalstructuur. Stel je visueel een kubus voor met één molecuul op elke hoek en een molecuul in het midden van elke kant van de kubus. De moleculen in een austenietconfiguratie zijn dichter opeengepakt dan die van ferriet. Austeniet kan tot 2% koolstof bevatten en is een veel voorkomende microstructuur van roestvrij staal.

Cementiet

Wanneer koolstofstaal wordt verwarmd tot het austenietbereik en vervolgens wordt afgekoeld zonder dat er een legering aanwezig is om de austenietvorm te behouden, keert de microstructuur terug naar de ferrietvorm. Als het koolstofgehalte echter groter is dan 0,006%, worden de overtollige koolstofatomen gecombineerd met ijzer om een ​​chemische verbinding te vormen die ijzercarbide (Fe3C) wordt genoemd, ook wel cementiet genoemd. Cementiet ontstaat niet vanzelf omdat een deel van het materiaal in ferrietvorm blijft.

Pearliet

Pearlite is een gelamineerde structuur gevormd door afwisselende lagen van ferriet en cementiet. Het treedt op wanneer staal langzaam wordt afgekoeld en een eutectisch mengsel vormt. Een eutectisch mengsel is een mengsel waarin twee gesmolten materialen gelijktijdig kristalliseren. Onder deze omstandigheden worden ferriet en cementiet tegelijkertijd gevormd, wat resulteert in afwisselende lagen binnen de microstructuur.

Martensite

Martensiet heeft een op het lichaam gecentreerde tetragonale kristallijne structuur. Deze microkristallijne vorm wordt bereikt door staal snel af te koelen, waardoor koolstofatomen in het ijzeren rooster worden opgesloten. Het netto resultaat is een zeer harde, naaldachtige structuur van ijzer en koolstof. Staal met een microkristallijne martensietstructuur is meestal een staallegering met een laag koolstofgehalte die ongeveer 12% chroom bevat.

Het is belangrijk voor staalfabrikanten en consumenten om de microstructuur van staal te begrijpen en hoe deze de mechanische eigenschappen van het materiaal beïnvloedt. Koolstofgehalte, legeringsconcentraties en afwerkingsmethoden hebben allemaal een impact op de microstructuur en kunnen daarom worden gebruikt om de eigenschappen van het eindproduct te manipuleren. Het is mogelijk dat twee monsters met hetzelfde legeringsgehalte verschillende microstructuren hebben, afhankelijk van de gebruikte afwerkingsmethoden en warmtebehandelingen.

Warm en koud vervormen

Zodra gesmolten staal is gegoten, moet het in zijn uiteindelijke vorm worden gevormd en vervolgens worden afgewerkt om corrosie te voorkomen. Staal wordt meestal gegoten in machineklare vormen:bloemen, knuppels en platen. De gegoten vormen worden vervolgens gevormd door te walsen. Het walsen kan warm, warm of koud worden uitgevoerd, afhankelijk van het materiaal en de beoogde toepassing. Tijdens het walsen wordt compressievervorming bereikt door gebruik te maken van twee werkrollen. De rollen roteren snel om tegelijkertijd het staal ertussen te trekken en te persen.

Koudvorming

Koudvormen is het proces van het walsen van staal onder de herkristallisatietemperatuur. De druk die door de rollen op het staal wordt uitgeoefend, veroorzaakt dislocaties in de microstructuur van het materiaal, waardoor korrels in het materiaal ontstaan. Naarmate deze dislocaties toenemen, wordt het staal harder en moeilijker om verder te vervormen. Koudwalsen zorgt er ook voor dat het staal broos wordt, wat kan worden overwonnen door warmtebehandeling.

Nadat het walsen is voltooid, worden de stalen onderdelen afgewerkt met behulp van secundaire verwerkingstechnieken om corrosie te voorkomen en de mechanische eigenschappen te verbeteren:

• Bekleding
• Oppervlaktebehandeling
• Warmtebehandeling

Warmtebehandeling

Effecten van warmtebehandeling

De microstructuur van staal kan worden gewijzigd door gecontroleerde verwarming en koeling. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende methoden van warmtebehandeling om de microstructuur te wijzigen en een gewenste verandering in mechanische eigenschappen te bereiken.

Stalen microstructuren ondergaan veranderende fasen bij specifieke temperaturen. Warmtebehandeling is gebaseerd op het begrijpen en manipuleren van bepaalde transformatiepunten:

• Temperatuur normaliseren Austeniet is de fase waaruit andere structuren worden gevormd. De meeste warmtebehandelingen beginnen met het verwarmen van het staal tot een uniforme austenitische fase van 1500-1800°F.
• Bovenste kritische temperatuur
  De bovenste kritische temperatuur is het punt waaronder cementiet of ferriet begint te vormen. Dit gebeurt wanneer staal afkoelt van de normalisatietemperatuur. Afhankelijk van het koolstofgehalte ligt dit punt tussen 1333–1670°F.
• Kritische temperatuur verlagen
  Een lagere kritische temperatuur is het punt van austeniet-naar-perliet-transformatie. Austeniet kan niet bestaan ​​onder de onderste kritische temperatuur van 1333°F.

De snelheid van afkoeling - van de normalisatietemperatuur tot de bovenste en onderste kritische temperaturen - zal de resulterende stalen microstructuur bij kamertemperatuur bepalen.

Warmtebehandeling omvat een reeks processen, waaronder gloeien, afschrikken en ontlaten. In staal hebben ductiliteit en sterkte een omgekeerde relatie. Warmtebehandelingen kunnen ofwel de ductiliteit verhogen ten koste van de sterkte, of omgekeerd.

Soorten warmtebehandeling

Sferoïdisatie

Sferoïdisatie treedt op wanneer koolstofstaal gedurende 30 uur wordt verwarmd tot ongeveer 1290 ° F. De lagen cementiet in de perliet-microstructuur worden omgezet in sferoïde, wat resulteert in de zachtste en meest ductiele vorm van staal.

Volledig gloeien

Koolstofstaal wordt gegloeid door eerst iets boven de bovenste kritische temperatuur te verhitten - die temperatuur een uur aan te houden - en vervolgens af te koelen met een snelheid van ongeveer 36 ° F per uur. Dit proces produceert een grove perlitische structuur die ductiel is zonder interne spanningen.

Procesgloeien

Procesgloeien ontlast stress in koudbewerkt, koolstofarm staal (> 0,3% C). Het staal wordt gedurende één uur verwarmd tot 1025-1292 ° F. Dislocaties in de microstructuur worden gerepareerd door het kristal opnieuw te vormen voordat het wordt afgekoeld.

Isotherm gloeien

Koolstofstaal wordt eerst verwarmd boven de bovenste kritische temperatuur. Daarna wordt het gehandhaafd, afgekoeld tot de lagere kritische temperatuur en opnieuw gehandhaafd. Daarna wordt het geleidelijk afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit proces zorgt ervoor dat het materiaal een uniforme temperatuur en microstructuur bereikt voor de volgende koelstap.

Normaliseren

Koolstofstaal wordt gedurende één uur verwarmd tot de normalisatietemperatuur. Op dit punt komt het staal volledig in de austenietfase. Het staal wordt vervolgens luchtgekoeld. Normaliseren creëert een fijne perlitische microstructuur met een hoge sterkte en hardheid.

Blussen

Staal met een gemiddeld of hoog koolstofgehalte wordt verwarmd tot de normalisatietemperatuur en vervolgens geblust (snelle afkoeling door onderdompeling in water, pekel of olie) tot de bovenste kritische temperatuur. Het afschrikproces produceert een martensitische structuur - extreem hard, maar broos.

Ontharden van gehard staal

De meest voorkomende warmtebehandeling omdat het resultaat nauwkeurig kan worden voorspeld. Afgeschrikt staal wordt opnieuw verwarmd tot een temperatuur onder het onderste kritische punt en vervolgens afgekoeld. De temperaturen variëren afhankelijk van het beoogde resultaat, waarbij het bereik van 298-401 ° F het meest gebruikelijk is. Dit proces herstelt wat taaiheid van het brosse, geharde staal door zich wat sferoïdiet te laten vormen.

Mechanische eigenschappen

Mechanische eigenschappen worden gemeten in overeenstemming met internationale normen zoals de ASTM (American Society for Testing and Materials) of SAE (Society of Automotive Engineers).

Belangrijke mechanische eigenschappen van staal

Hardheid

Hardheid is het vermogen van een materiaal om slijtage te weerstaan. Het verhogen van de hardheid kan worden bereikt door het koolstofgehalte te verhogen en door afschrikken, wat leidt tot de vorming van martensiet.

Kracht

Metaalsterkte is de hoeveelheid kracht die nodig is om een ​​materiaal te vervormen. Het normaliseren van een stuk staal zal de sterkte ervan verbeteren door een consistente microstructuur door het materiaal te creëren.

Ductiliteit

Ductiliteit is het vermogen van een metaal om te vervormen onder trekspanning. Koudgevormd staal heeft een lage ductiliteit vanwege de dislocaties in de microstructuur. Procesgloeien zal dit verbeteren doordat kristallen zich kunnen hervormen en daardoor een deel van de dislocaties elimineren.

Taaiheid

Taaiheid is het vermogen om stress te weerstaan ​​zonder te breken. Gehard staal kan taaier worden gemaakt door te temperen, wat sferoïden aan de microstructuur toevoegt.

Bewerkbaarheid

Bewerkbaarheid is het gemak waarmee staal kan worden gevormd door snijden, slijpen of boren. De bewerkbaarheid wordt voornamelijk beïnvloed door de hardheid. Hoe harder het materiaal, hoe moeilijker te bewerken.

Lasbaarheid

Lasbaarheid is het vermogen van staal om zonder gebreken te worden gelast. Het is voornamelijk afhankelijk van de chemische samenstelling en warmtebehandeling. Smeltpunt, evenals elektrische en warmtegeleiding, hebben allemaal invloed op de lasbaarheid van een materiaal.

Zie de eigenschappen en productie van stalen gietstukken voor meer informatie over de mechanische eigenschappen en het testen van staal.

Kwaliteitsbeschrijvingen

Kwaliteitsdescriptoren worden toegepast op staalproducten in brede categorieën, zoals handelskwaliteit, industriële kwaliteit of structurele kwaliteit. Deze labels markeren bepaald staal als geschikt voor specifieke toepassingen en fabricageprocessen, waardoor snellere marktnavigatie en besluitvorming mogelijk is. Staal wordt in specifieke categorieën geplaatst op basis van verschillende factoren:

• Interne degelijkheid
• Chemische samenstelling en uniformiteit
• Mate van oppervlakte-imperfecties
• Omvang van testen tijdens productie
• Het aantal, de grootte en de distributie van insluitsels
• Hardbaarheid

Staalclassificatiesystemen

Specificaties, zoals die van ASTM, AISI (American Iron and Steel Institute) en SAE, bieden ingenieurs, fabrikanten en consumenten een standaardtaal om de eigenschappen van staal te communiceren. De sortering is vaak heel specifiek, inclusief alles van chemische samenstellingen, fysische eigenschappen, warmtebehandelingen, fabricageprocessen en vormen.

ASTM

Het ASTM-systeem gebruikt een beschrijvende letter gevolgd door een volgnummer. 'A' geeft bijvoorbeeld een ferrometaal aan en '53' is het nummer dat is toegewezen aan gegalvaniseerd koolstofstaal.

ASTM A53 zou de volgende eigenschappen hebben:

• Chemische samenstelling, Max %
  • Koolstof:0,25 (klasse A), 0,30 (klasse B)
  • Mangaan:0,95 (klasse A), 1,20 (klasse B)
  • Fosfor:0,05
  • Zwavel:0,045
• Mechanische eigenschappen
  • Treksterkte, UTS:330 MPa of 48.000 psi (klasse A), 414 MPa of 60.000 psi (klasse B)
  • Treksterkte, opbrengst:207 MPa of 30.000 psi (klasse A), 241 MPa of 35.000 psi (klasse B)
• Vorm en behandeling
  • Pijp NPS 1/8 – NPS 26
  • Gegalvaniseerd staal
  • Zwart en gedompeld
  • Verzinkt
  • Gelast en naadloos

SAE

Het AISI/SAE-nummeringssysteem gebruikt een 4-cijferig nummer voor classificatie. De eerste twee cijfers geven het staaltype en de concentratie van legeringselementen aan, en de laatste twee cijfers geven de koolstofconcentratie aan.

SAE 5130 beschrijft bijvoorbeeld een staal dat 1% chroom en 0,30% koolstof bevat. Voorvoegsels van letters worden gebruikt als kwaliteitsdescriptoren voor de kwaliteit van de verkoper.