Классификация сталей

Чтобы понять, что именно скрывается под определением "нержавеющая" ("нержавейка"), необходимо сначала представить какие вообще бывают стали, и по каким критериям происходит их классификация.  Наиболее общую классификацию сталей можно провести по их назначению. Здесь выделяют конструкционные, инструментальные стали и сплавы с особыми физическими свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин, приборов, металлоконструкций и сооружений. Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относят сплавы, для которых механические свойства, как правило, не имеют первостепенного значения. Основным предъявляемым к этим сталям требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств.  В свою очередь конструкционные стали классифицируются по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности. По химическому составу конструкционные стали разделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат до 0,75 % углерода, легированные могут содержать более 10 % легирующих элементов (высоколегированные). Высоколегированные стали, как правило, имеют особое назначение - коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.  Необходимо также сказать несколько слов о маркеровке легированных сталей. В ее основу положена буквенно-цифровая система (ГОСТ 4543-71). Легирующие элементы: марганец - Г, кремний - С, хром - Х, никель - Н, вольфрам - В, ванадий - Ф, титан - Т, молибден - М, кобальт - К, алюминий - Ю, медь - Д, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Количество углерода указывается в сотых долях процента цифрой, стоящей в начале обозначения; количество легирующего элемента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. Отсутствие цифры после индекса элемента указывает на то, что его содержание менее 1,5 %. Высококачественные стали имеют в обозначении букву А, а особовысококачественые - букву Ш, проставляемую в конце. Например, сталь 12Х2Н4А содержит 0,12 % С, около 2 % Cr, около 4 % Ni и менее 0,025 % S и P.

Химический состав нержавеющей стали

Нержавеющая сталь (нержавейка) относится к композиционным высоколегированным коррозионно-стойким сталям. Основным легирующим элементом является хром (Cr), содержание которого может изменяться в пределах от 12 до 20 %. Кроме хрома нержавеющая сталь включает углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), серу (S) и фосфор (P). Для придания стали необходимых физко-механических свойств и коррозионной стойкости в нее также добавляют никель (Ni), титан (Ti), ниобий (Nb), кобальт (Co), молибден (Mo).  Высокая коррозионная стойкость нержавещей стали (нержавейки) обусловлена содержанием большого количества хрома. На поверхности материала образуется тонкая пленка нерастворимых окислов, которая препятствует разъеданию стали окружающей средой. При содержании 12 % хрома нержавеющая сталь (нержавейка) обладает высокой коррозионной стойкостью в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, при 17 % хрома - в более агрессивных окислительных и других средах, в частности в азотной кислоте крепостью до 50%.

Сталь против алюминия "Идентичная" алюминиевая рама была бы лишь на 1/3 столь же жесткая как стальная, примерно на половину такая же прочная, и всего 1/3 по весу. Такая рама была бы совершенно неудовлетворительна. Именно поэтому алюминиевые рамы вообще имеют заметно большие диаметры труб и более толстостенные трубы. Это вообще приводит к тому, что при адекватной жесткости, такие рамы все еще легче, чем сопоставимые стальные.

Алюминий

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°), O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной пленки можно, добавляя к алюминию такие металлы как галлий,индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов^.

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном).

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле^[16] за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 ом⁻¹) по сравнению с медью (63 ом⁻¹) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку и за счет большего сопротивления вызывающей повышенное нагревание в местах электрических соединений — что, в свою очередь, отрицательно сказывается на надежности контакта и состоянии изоляции. Поэтому, в частности, 7-я редакция Правил устройства электроустановок, принятая в 2002 г., запрещает использовать алюминиевые проводники сечением менее 16 мм².

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

Марки алюминия.

       Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его  малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см).  Температура плавления алюминия около 660 С.

       Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей, ухудшая большинство свойств чистого металла.  Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний.  Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al, снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.

 

       В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий  высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97).  Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов. Алюминий высокой чистоты получают дополнительной очисткой технического алюминия. Особенности свойств алюминия высокой и особой чистоты рассмотрены в книгах

1)      Металловедение алюминия и его сплавов. Под ред. И.Н.Фридляндер. М. 1971.2)      Механические и технологические свойства металлов. А.В.Бобылев. М. 1980. 

       Ниже в таблице приведена сокращенная информация о большей части марок алюминия. Также указано содержание его основных естественных примесей – кремния и железа.

 

Марка	Al, %	Si, %	Fe, %	Применения
Алюминий высокой чистоты
А995	99.995	0.0015	0.0015	- Химическая аппаратура - Фольга для обкладок конденсаторов - Специальные цели
А98	99.98	0.006	0.006
А95	99.95	0.02	0.025
Алюминий технической чистоты
А8АД000	99.8	0.10 0.15	0.12 0.15	- Катанка для производства   кабельно-проводниковой продукции   (из А7Е и А5Е). - Сырье для производства алюминиевых сплавов - Фольга - Прокат (прутки, ленты, листы, проволока, трубы)
А7 АД00	99.7	0.15 0.2	0.16 0.25
А6	99.6	0.18	0.25
А5Е	99.5	0.10	0.20
А5   АД0	99.5	0.25 0.25	0.30 0.40
АД1	99.3	0.30	0.30
А0     АД	99.0	0.95 В сумме до 1.0 %

   

      Главное практическое различие между техническим и высокоочищенным алюминием связано с отличиями в коррозионной устойчивости к некоторым средам. Естественно, что чем выше степень очистки алюминия, тем он дороже.

      В специальных целях используется  алюминий высокой чистоты. Для производства алюминиевых сплавов, кабельно-проводниковой продукции и проката используется технический алюминий. Далее речь будет идти о техническом алюминии.

 

       Электропроводность.

       Важнейшее свойство алюминия – высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с  медью в сфере кабельно-проводниковой продукции.

       На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния 0.12%, сумма примесей Cr+V+Ti+Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.

     Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовка проводимость ухудшает.

     Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет Ом*мм²/м или мкОм*м:

0.0277  –  отожженная проволока из алюминия марки А7Е

0.0280 –  отожженная проволока из алюминия марки А5Е

0.0290 – после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0

     Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению) алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.

      Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.

       Теплопроводность

      Теплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.

 

      Другие физические свойства.

     Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди – 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения – у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.

     Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэффициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.

        Коррозионные свойства алюминия.

       Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.

     В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты очень стоек  к действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например, по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.

     На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминия и его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.

     Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозии в 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):

 

Марка	СодержаниеAl	СодержаниеFe	Скорость коррозии
А7	99.7%	< 0.16%	0.25 – 1.1
А6	99.6%	< 0.25%	1.2 – 1.6
А0	99.0%	< 0.8%	27 - 31

 

      Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целом  коррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.

      При  температуре свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому он  является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.

     Алюминий устойчив в следующих средах:

- промышленная атмосфера

- естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,    

  примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.

- морская вода

- концентрированная азотная кислота

- кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.

- слабые (до 10%) растворы серной кислоты,

- 100% серная кислота

- слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)

- борная кислота в любых концентрациях

- уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино

- раствор аммиака

     Алюминий неустойчив в таких средах:

- разбавленная азотная кислота

- соляная кислота

- разбавленная серная кислота

- плавиковая и бромистоводородная кислота

- щавелевая, муравьиная кислота

- растворы едких щелочей

- вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.

       Контактная коррозия

     В контакте с большинством  технических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.

       Механические свойства

      Модуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм² для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).

      Модуль сдвига G  = 2700 кгс/мм².

      Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:

 

Параметр	Ед. изм.	Деформированный	Отожженный
Предел текучести ?0.2	кгс/мм2	8 - 12	4 - 8
Предел прочности при растяжении ?в	кгс/мм2	13 - 16	8
Относительное удлинение при разрыве ?	%	5 – 10	30 – 40
Относительное сужение при разрыве	%	50 - 60	70 - 90
Предел прочности при срезе	кгс/мм2	10	6
Твердость	НВ	30 - 35	20

     

       Приведенные показатели очень ориентировочны:

       1) Для отожженного и литого алюминия эти значения зависят от марки технического алюминия. Чем больше примесей, тем больше прочность и твердость и ниже пластичность. Например твердость литого алюминия составляет: для А0 – 25НВ, для А5 – 20НВ, а для алюминия высокой чистоты А995 – 15НВ. Предел прочности при растяжении для этих случаев составляет: 8,5; 7.5 и 5 кгс/мм², а относительное удлинение 20; 30 и 45% соответственно.

      2) Для деформированного алюминия механические свойства зависят от степени деформации, вида проката и его размеров. Например предел прочности при растяжении составляет не менее 15-16 кгс/мм² для проволоки и 8 – 11 кгс/мм² для труб.

 

      Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести (даже для нагартованного проката он не превышает 12 кгс/мм²) ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.    

      Алюминий имеет низкий предел ползучести: при 20 С - 5 кгс/мм², а при 200 С - 0.7 кгс/мм². Для сравнения: у меди эти показатели равны 7 и 5 кгс/мм² соответственно. 

      Низкая температура плавления и  температура начала рекристаллизации (для технического алюминия примерно 150 С), низкий предел ползучести ограничивают температурный диапазон эксплуатации алюминия со стороны высоких температур.

      Пластичность алюминия не ухудшается при низких температурах, вплоть до гелиевых. При понижении температуры от +20 С до - 269 С, предел прочности возрастает в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого. Предел упругости при этом возрастает в 1.5 раза.

      Морозостойкость алюминия позволяет использовать его в криогенных устройствах и конструкциях.

 

      Технологические свойства. 

      Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0.004 мм),  изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок.

      Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкость.

      Обрабатываемость резанием очень низкая.

      Температура рекристаллизационного отжига 350-400 С, температура отпуска – 150 С.

      Свариваемость.

      Трудности сварки алюминия обусловлены 1) наличием прочной инертной окисной пленки, 2) высокой теплопроводности.

Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства.

Применение.

      Из-за низкой прочности алюминий применяется только для ненагруженных элементов конструкций, когда важна высокая электро- или теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность или свариваемость. Соединение деталей осуществляется сваркой или заклепками. Технический алюминий применяется как для литья, так и для производства проката.

Материал.............Модуль упругости .........Предел текучести .............................Плотность  Алюминий......................10-11..............................11-59 (4-22 отожженный)..........168.5  Сталь..............................30............. ......................46-162...........................................490  Титан..........................15-16.5................................40-120...........................................280 

Заметьте, что модуль упругости (жесткость) и удельный вес (вес) в значительной степени независим от качества, термообработки, или легирующих элементов материалов. Например, все стали, от "водопроводных труб", используемых в велосипедах "из универмага" до экзотических сплавов, используемых в многотысячедолларовых велосипедах, имеют модуль упругости 30, и удельный вес 490.  Любой, кто сообщает вам, что особенная марка стали (или алюминия, или титана) является "легче" или "жестче", чем другая марка или модель, травит байки. Однако, имеются реальные различия в напряжении текучести среди различного качества труб рам.  Эти величины модуля упругости показывают, что, если вы строили бы идентичные рамы из этих трех материалов, используя те же самые диаметры труб и толщины стенок, алюминиевая рама, была бы только на 1/3 столь же жесткой, как стальная, а титановая только наполовину.  Предел прочности показывает, что алюминиевая рама была бы значительно более слабая, в смысле более легко повреждаемая, чем рамы из титана или стали.  Величина удельного веса показывает, что алюминиевая рама весила бы только 1/3 от стальной рамы, в то время как рама из титана весила бы около половина веса от веса стальной.  Эти общие слова, однако, являются в основном бессмысленными, потому что никто не строит рамы из трех различных металлов с одинаковыми размерами труб! 

Реальные велосипеды учитывают природу материала при выборе диаметра и толщины стенок каждой трубки, которая составляет раму. Жесткость главным образом связана с диаметром труб. Прочность главным образом связана с толщиной стенок, хотя диаметр также влияет на это. На вес влияют, и диаметр, и толщина стенок.  Изготовитель рам может принимать компромиссные решения, выбирая различные толщины стенок и диаметры труб, позволяя раме быть сделанной или жестче, или прочнее, или легче. 

Тонкостенные трубы большого диаметра Преимущества большего диаметра труб могут, теоретически, применяться к стальной конструкции (обычно такие трубы обозначают аббревиатурой Fat), но имеется практический предел. Вы могли бы строить стальную раму с трубами диаметром 2 дюйма, и это будет более жесткая рама, чем что-нибудь реально существующее, даже более жесткая, чем необходимо. Производя стенки труб достаточно тонкими, вы могли бы сделать их также очень, очень легким.  Почему же производители не делают этого? Здесь есть две причины:  • Чем более тонкие стены труб используются, тем тяжелее сделать хорошее соединение труб друг с другом. Это - одна из причин, почему получают трубы с более толстыми стенками около концов, где трубы соединяют вместе с другими трубами.  • Кроме того, если стены получаются слишком тонкими, они станут слишком легко вдавливаться, а также точки крепления для бутылок, ограничителей тросов, креплений переключателей и т.п. будут иметь недостаточную прочность.  Жесткость и качество езды Жесткость рамы (или отсутствие ее) не имеет так много влияния на качество езды (накат рамы), как многие люди считают и уверяют вас. Давайте посмотрим на это с пары различных направлений:  Жесткость на кручение / изгиб Это главным образом связано с напряжениями, произведенными силами, которые вы создаете от работы педалями. Любая рама будет гнуться относительно каретки в соответствии с нагрузкой на педалях. Этот изгиб может чувствоваться, и многие велосипедисты принимают это за трату энергии. Фактически, этого не происходит, потому что металлы, используемые в рамах велосипедов - очень эффективные пружины, и энергия возвращается в конце рабочего хода, так что очень немного или почти ничто в действительности не теряется. В то время как не имеется никакой фактической потери эффективности от гибких рам, большинство велосипедистов находит это ощущение неприятным, и предпочитает рамы, которые являются достаточно жесткими в области каретки и цепного привода. Это больше касается крупных, тяжелых велосипедистов, и тех, кто любит активно работать педалями, особенно на подъемах.  Другая область, где жесткость в поперечном направлении может быть проблемой, особенно велотуристу - задний треугольник, когда имеется груз на заднем багажнике. Рама, которая является слишком мягкой в этой области, будет чувствоваться гибкой и может быть склонной к опасным кол****иям при высоких скоростях педалирования. Большая часть этой гибкости - обычно заключается непосредственно в багажнике, но может иметься достаточно гибкости на верхних перьях задней вилки, чтобы ухудшить условия движения.  Вертикальная жесткость Так как эта статья имеет дело с рамами, проблема - удар идущий от дороги, передаваемый с задней шины на седло. Качества поездки на руле до некоторой степени определены вилкой (особенно, если она амортизаторная), также как геометрией, и гибкостью в других болтовых соединениях, но не связаны с выбором материала рамы.  Многое из того, что обычно говорят относительно различных материалов рамы, касается предполагаемых различий в вертикальной жесткости. Говорится, что одна рама более комфортна при езде и поглощает дорожные удары, в то время как другая - жесткая и заставляет вас чувствовать каждую трещину в тротуаре. Фактически все эти "различия" являются или мнимым эффектом, или вызваны кое-чем другим чем выбор материала рамы.  Удары передаются от задней шины, через колесо, верхние перья задней вилки, подседельный штырь, раму седла, и обтяжку седла. Все эти части рассеивают удар в большей или меньшей степени, но не в равной степени.