Tērauds

Tērauds ir dzelzs sakausējums ar labām tehnoloģiskām īpašībām un pietiekošu plastiskumu, kas ļauj izgatavot jebkuras formas un izmēru konstrukcijas, kā arī pielietot dažādas tehnoloģiskās apstrādes metodes: liešanu, velmēšanu, kalšanu, metināšanu, griešanu u.tml.

Tērauda troses ritulis

Tērauda tilts

Lai iegūtu tēraudu ar noteiktām mehāniskajām īpašībām, tam pievieno speciālus piemaisījumus - t.s. leģējošos elementus, hromu (Cr), niķeli (Ni), molibdēnu (Mo), varu (Cu), titānu (Ti), kobaltu (Co) u.c. Tēraudu, kurš satur vienu vai vairākus leģējošos elementus, sauc par leģētu tēraudu. Tēraudus iedala oglekļa un leģētajos tēraudos. Atkarībā no tērauda praktiskās pielietošanas to iedala konstrukciju (oglekli satur līdz 0,6%) un instrumentu (oglekļa saturs vairāk par 0,6%) tēraudos. Palielinoties oglekļa saturam tēraudā, palielinās tā stiprība, bet samazinās tā plastiskums un sametināšanas iespējas. Konstruktīvo tēraudu izmanto mašīnu detaļu, mehānismu, kuģu korpusu un citu konstrukciju izgatavošanai. Šiem tēraudiem ir neliels oglekļa saturs (parasti nepārsniedz 0,3-0,4%) un neliels leģējošo elementu piemaisījums.

Iedalījums

Atkarībā no konstruktīvā tērauda kvalitātes un tā pielietošanas tos iedala:

• parastās kvalitātes oglekļa tērauds (St O, St I,... St 6),
• kuģu korpusu būves tērauds (BMCm 3, u.c.),
• paaugstinātas kvalitātes oglekļa tērauds (St 08, 10, 15,... 85),
• mazleģētais tērauds (09Г 2, 09Г 2C u.c.).

Starptautiskā klasifikācijas sabiedrību asociācija iedala tēraudus divās grupās: 1) parastais oglekļa tērauds (mild steel); 2) paaugstinātās stiprības tērauds (high tensile steel) — pie marķēšanas liek indeksu H.

Parastajam oglekļa tēraudam :$\sigma _{T}=235MPa$ $(N/mm^{2})$ paredzētas 4 kategorijas A, B, D, E.

Paaugstinātās stiprības tēraudam ar $\sigma _{T}=315MPa$ — 3 kategorijas A, D, E, piemēram, A32, D32, E32, tēraudam ar $\sigma _{T}=355MPa$ arī 3 kategorijas, piemēram: A 36, D 36, E 36, bet tēraudam ar $\sigma _{T}=390MPa$ — 2 kategorijas; D un E, piemēram: D 40, E 40.

Vismazākās prasības ir A kategorijas tēraudam, bet vislielākās E kategorijas tēraudam.

No plašāk pielietojamiem oglekļa instrumentālajiem tēraudiem var atzīmēt Y7A, Y8, Y8A,..., YI3, no leģētajiem tēraudiem 9XC, XBГ, PI8 u.c., kurus izmanto griešanas instrumentu (urbju, frēžu u.c.), mērinstrumentu (kalibru) izgatavošanai. Izgatavo tēraudu ar specifiskām īpašībām, piemēram, nerūsošais, siltumizturīgais, ar speciālām magnētiskajām un elektriskajām īpašībām.

Tēraudu apzīmēšana

Saskaņā ar Eiropas standartu EN 10027-1 tēraudus apzīmē divos veidos:

1. pēc to mehāniskajām vai fizikālajām un lietošanas īpašībām;
2. pēc to ķīmiskā sastāva.

Tēraudu apzīmēšanā pēc to minētā rakstura īpašībām lietotie galvenie simboli

Simbols	Paskaidrojums
S	vispārējās nozīmes konstrukciju tērauds
E	mašīnbūves tērauds
B	armatūras tērauds
P	tērauds izstrādājumiem, kas strādā paaugstinātā spiedienā
L	cauruļvadu izgatavošanai paredzētais tērauds
Y	iepriekš saspriegtam dzelzsbetonam domātais augstas stiprības tērauds
R	sliežu tērauds
H	auksti velmēts augstas stiprības lokšņu tērauds — aukstai stiepšanai
M	elektrotehniskais tērauds
T	alvoti izstrādājumi (baltais skārds)
D (salikts divu burtu apzīmējums)	tērauds plakaniem izstrādājumiem — aukstai štancēšanai otrais apzīmējuma burts C auksti velmētiem izstrādājumiem D karsti velmētiem izstrādājumiem, kam paredzēta auksta apstrāde ar spiedienu X velmēšana nav speciāli noteikta

Mašīnbūvē plaši lieto vispārējās nozīmes konstrukciju tēraudus (LVS EN 10027-2:2001). Izplatītas ir LVS EN un GOST marku sistēmas. EN markās skaitlis norāda mazāko elastības robežu R_e (MPa) Tēraudu markas un pielietojuma piemēri ir šādi:

Marka		Pielietojums
LVS EN	GOST
S 235	Ст 0	mazatbildīgas konstrukcijas — starplikas, paplāksnes
S 185	Ст 1	mazslogotas detaļas kā kniedes, plāksnes, apvalki, starplikas
	Ст 2	konstrukcijas detaļas kā rāmji, atslēgas, vārpstiņas, cementējamās detaļas
S 235	Ст 3	detaļas, kam vajadzīga paaugstināta virsmas cietība, serdes daļai — neliela stiprība (cementējamās un cianējamās): celtņu kāši, cilindri
S 275	Ст 4	detaļas, kurām nav prasīta augsta stiprība, — vārpstas, tapas, uzgriežņi
	Ст 5	paaugstinātas stiprības detaļas: vārpstas, zobrati, klaņi
S 355	Ст 6	augstas stiprības detaļas: asis, veseru belžņi, berzes sajūgi, ķēdes

Ст 0, Ст 1un Ст 2 piemīt arī laba metināmība. Piemēri nosacītajam apzīmējumam:

S185 LVS EN 10025:2001; Ст 3 GOST 380-71.

Ст — "сталь" ('tērauds').

Bez tam lieto kvalitātes oglekļa konstrukciju tēraudus. To markās C norāda tipu (oglekļa (latīņu carbonium) tērauds), skaitlis aiz tā ir oglekļa saturs tēraudā procentu simtdaļās (vidējais). Lieto šādas markas.

Marka (-as)		Pielietojuma piemēri
LVS EN	GOST
C10; C15	10; 15	skrūves, uzgriežņi, kniedes, ieliktņi, tapas
C16	20	zobrati, kokskrūves, kravas celšanas kāši
C25; C30	25; 30	zobrati, virzuļi, asis, klaņi
E295; C35; C40	35 (abi pirmie); 40	vārpstas, klaņi, uzgriežņu atslēgas
C45; C50	45; 50	kloķvārpstas, zobrati, ieliktņi
60 Mn3	60Г; 65Г; 70Г	spirālatsperes (no auksti stieptas stieples), bremžu un berzes diski

Rasējuma dokumentācijā GOST markai priekšā jāpieraksta vārds "Tērauds".

Ja detaļai nepieciešama augstāka nodilumizturība, stiprība vai citas īpašības, to izgatavošanai izmantojams kāds no leģētajiem konstrukciju tēraudiem (LVS EN 10250:2001). Tos iedala divās grupās un atbilstoši apzīmē.

Ja neviena leģējošā elementa (t. sk. oglekļa) saturs nav lielāks par 5%, apzīmējums sastāv no 3 daļām:

• vidējais oglekļa saturs procentu simtdaļās (skaitlis);
• (seko bez atstarpes) leģējošo elementu ķīmiskie simboli alfabētiskā secībā (atdalīti ar atstarpēm);
• (seko ar atstarpi) tajā pašā kārtībā norādīti skaitļi (savienoti ar defisēm), kas vienādi ar attiecīgā elementa vidējo saturu procentos, reizinātu ar faktora koeficientu, kas ir:

4	Cr, W, Mn, Co, Ni, Si
10	Be, Al, Ti, Zr, Ta, V, Mo, Nb, Pb
100	N, P, S, Ce, (C)
1000	B

.

Ja kaut viena elementa tērauda sastāvā ir vairāk par 5%, nosaukums veidojas nedaudz atšķirīgi:

• pirms oglekļa satura liek burtu X;
• elementu saturu ar faktora koeficientu nereizina.

GOST standartā leģējošos elementus tērauda markās norāda šādi.

Б

niobijs

Г

mangāns

К

kobalts

Н

niķelis

С

silīcijs

Ф

vanādijs

Ю

alumīnijs

В

volframs

Д

varš

М

molibdēns

Р

bors

Т

titāns

Х

hroms

Tērauds kuģu būvniecībā

Visplašāk kuģu būvniecībā pielieto oglekļa tēraudu, dzelzs un oglekļa sakausējumus, kurā oglekļa daudzums nepārsniedz 2%. Bez galvenajām tērauda sastāvdaļām — dzelzs (Fe) un oglekļa (C) tas vēl satur citu elementu piemaisījumus. Parasti jebkurš tērauds satur: mangānu (Mn) — līdz 0,7%, fosforu (P) — līdz 0,01—0,05%, sēru (S) — līdz 0,02—0,05%, silīciju — līdz 0,4%.

Ne visus konstruktīvos tēraudus var metināt, tādēļ oglekļa un mazleģētos tēraudus kuģu būvniecības vajadzībām izgatavo ar uzlabotām īpašībām, kur oglekļa saturs samazināts līdz — 0,2%, sēra — līdz 0,04%, fosfora — līdz 0,04%. Kuģu korpusu būvei plaši pielieto oglekļa tēraudu VSt3, VMSt3 u.c. mazleģētos tēraudus ar palielinātu stiprību (09Г2, 09Г2C, 10XCHD). Mazleģēto tēraudu ar palielinātu stiprību pielietošana ļauj samazināt kuģa korpusa svaru un palielināt tā kravnesību. Instrumentālo tēraudu pielieto dažādu griešanas, frēzēšanas, štancēšanas un citu instrumentu izgatavošanai. Šos tēraudus raksturo diezgan liels oglekļa saturs (0,7% un vairāk) un dažos tēraudos arī leģējošo elementu piemaisījums.

Kuģu būvē tēraudu pielieto dažādu lējumu, kalumu, lokšņu un velmējumu (leņķveida, apaļdzelzs, švelleri, planšira u.c.) veidos. Tērauda loksnes lieto kuģa apšuves, klāja seguma, starpsienu u.c. izgatavošanai. Parasti lieto loksnes biezumā 6—30 mm, platumā 1,5—2,0m, garumā 6—8m.

Izšķir trīs kuģa saistu svarīguma grupas: III grupa — vissvarīgākā saistu grupa, II grupa — vidējā saistu svarīguma grupa, I grupa — mazāk svarīgie saisti.

Ja kuģa garums L<100m, lietderīgi izmantot parasto oglekļa tēraudu $\sigma _{T}=235MPa$ (BCm3).

Ja 100≤L<160m, var izmantot kā parasto oglekļa tēraudu, tā arī paaugstinātās stiprības tēraudu $\sigma _{T}=315MPa$.

Ja 160m≤L<240m — paaugstinātas stiprības tēraudu ar $\sigma _{T}=355MPa$ (09Г2).

Ja L ≥240m — paaugstinātās stiprības tēraudu $\sigma _{T}=390MPa$ (10XCHD).

Lokšņu tērauda biezums $\delta =4-50mm$, platums b=1,4-3,2m, garums l=6-16m.

Tēraudu termiskā apstrāde

Par termisko apstrādi sauc sakausējumu sakarsēšanu līdz noteiktai t° , pie kuras notiek fāžu pārvērtības, izturēšanu un atdzesēšanu ar noteiktu ātrumu. Šādas darbības rezultātā mainās sakausējumu struktūra. Šīs apstrādes mērķis ir, mainot struktūru, mainīt sakausējumu īpašības.

Tēraudu termiskās apstrādes tehnoloģija

Atkarībā no karsēšanas t° un atdzesēšanas apstākļiem tiek izdalīti šādi termiskās apstrādes veidi: atkvēlināšana, normalizācija, rūdīšana un atlaidināšana. Tiem ir dažāds uzdevums un tie atšķiras ar karsēšanas t°, izturēšanas ilgumu un atdzesēšanas ātrumu. Šis apstrādes veids nosaka sagatavju mehāniskās īpašības.

Tēraudu atkvēlināšana

Par atkvēlināšanu sauc termiskās apstrādes operāciju, kurā tēraudu sakarsē virs kritiskās temperatūras, iztur tajā un tad lēni, kopā ar krāsni, atdzesē. Tēraudos izveidojas stabila struktūra. Atkvēlināšanas mērķis ir likvidēt iekšējos spriegumus, pazemināt tērauda cietību, uzlabot apstrādājamību, paaugstināt plastiskumu un stingrību, sagatavot tēraudu tālākai termiskai apstrādei. Atkvēlināšana mēdz būt pilna, nepilna, homogenizējoša un zema.

Pilnās atkvēlināšanas gadījumā tērauds tiek sakarsēts līdz 800-950 °C, iztur tajā pašā temperatūrā 1/4 no uzkarsēšanas ilguma un lēni atdzesē kopā ar krāsni līdz 600-400 °C. Oglekļa tēraudus atdzesē ar ātrumu 100-150 °C/h, leģētos - ar ātrumu 30-50 °C/h. Rezultātā tērauds iegūst sīkgraudainu struktūru, atbrīvojas no iekšējām spriedzēm, kļūst mīksts un valkans.

Nepilnās atkvēlināšanas gadījumā tēraudu sakarsē līdz 750-950 °C, bet pēc tam lēni atdzesē. Instrumentālajiem tēraudiem nepilnā atkvēlināšana ir vienīgais atkvēlināšanas veids. Tas veicina iekšējo spriedžu noņemšanu un uzlabo apstrādi ar griešanu.

Homogenizācija (difūzijas atkvēlināšana) tiek pielietota lietņiem un lieliem atlējumiem ar mērķi izlīdzināt (difūzijas ceļā) tērauda ķīmisko sastāvu. Tērauds tiek uzkarsēts līdz 1000-1100 °C , izturēts šajā temperatūrā 10-15 stundas un pēc tam lēni atdzesēts līdz 600-550 °C. Homogenizācijai pakļautam tēraudam piemīt labākas mehāniskās īpašības; īpaši palielinās trieciena viskozitāte.

Zema atkvēlināšana tiek veikta tajos gadījumos, kas liešanas vai citas apstrādes rezultātā tērauda struktūra ir apmierinoša un nav vajadzības to izmainīt, nepieciešams tikai noņemt radušās iekšējās spriedzes. Šajā gadījumā tēraudu sakarsē līdz apmēram 650 °C temperatūrai, iztur tajā un atdzesē, parasti gaisā. Zema atkvēlināšana tēraudam piešķir lielāku plastiskumu statisku un, galvenais, dinamisku slodžu apstākļos.

Tērauda normalizācija

Par normalizāciju sauc termiskās apstrādes operāciju, kurā tēraudu sakarsē virs līnijas GSE, iztur šajā t° un tālāk atdzesē gaisā. Normalizācija no atkvēlināšanas galvenokārt atšķiras ar dzesēšanas apstākļiem — dzesēšana gaisā notiek ar lielāku ātrumu.

Tērauda rūdīšana

Par rūdīšanu sauc termiskās apstrādes operāciju, kurā tēraudu sakarsē virs līnijas GSK, iztur šajā t° un strauji atdzesē ar ātrumu, kas nav mazāks par dotā materiāla kritisko rūdīšanas ātrumu. Uzdevums. Iegūt tēraudu ar lielu cietību, stiprību, nodilumizturību. Rūdīšanas kvalitāte atkarīga no karsēšanas ātruma un t°, izturēšanas ilguma un atdzesēšanas ātruma.

Tērauda atlaidināšana

Par atlaidināšanu sauc termiskās apstrādes operāciju, kurā rūdītus tēraudus sakarsē zem līnijas PSK, iztur šajā t° un dzesē ar noteiktu ātrumu. Atlaidināšana ir termiskās apstrādes noslēdzošā operācija, kuras rezultātā tēraudi iegūst vajadzīgās mehāniskās īpašības un atbrīvojas no iekšējiem spriegumiem. Tēraudu īpašības galvenokārt nosaka atlaidināšanas t°. Atkarībā no tā izšķir 3 atlaidināšanas veidus: zemā atlaidināšana līdz (250 °C t°); vidējā atlaidināšana(350 līdz 500 °C t°); augstā atlaidināšana(600 līdz 650 °C t°).

Vecināšana

Pēc zemās atlaidināšanas daļa iekšējo spriegumu paliek materiālā. Laika gaitā tie pamazām izzūd, radot nelielas detaļu formas un izmēru izmaiņas. Iekšējo spriegumu izzušana istabas t° ir ilgstoša (vairākas diennaktis) un to sauc par dabisko vecināšanu. Lai detaļu izmēri ar laiku nemainītos, tie tiek pakļauti mākslīgajai vecināšanai. Tā būtība ir šāda: detaļas tiek sakarsēta līdz 100 — 150 °C t° un izturētas 18 — 35 stundas. Šādā to visi procesi notiek straujāk — izzūd iekšējie spriegumi un izmēri stabilizējas.

Ķīmiski termiskā apstrāde

Par ķīmiski termisko apstrādi sauc virskārtas piesātināšanu ar kādu elementu, kā rezultātā mainās tērauda ķīmiskais sastāvs un struktūra. Veicot šo apstrādi, metāls tiek sakarsēts līdz noteiktai t° vidē, kas izdala piesātināmo elementu, izturēts un atdzesēts. Ķīmiski termiskā apstrāde sastāv no trim vienlaicīgiem procesiem. 1.Veidojas aktīvi ķīmiskā elementa atomi. 2.Izstrādājuma virsma piesaista aktīvos atomus (absorbcija). 3.Piesaistītie atomi no virskārtas pārvietojas tā iekšienē (difūzija). Visizplatītākie ķīmiski termiskās apstrādes veidiem ir cementēšana, nitridēšana, cianēšana un difūzijas metalizācija.

Cementēšana

Par cementēšanu sauc procesu, kurā mazoglekļa (C = 0.15....0.25%) tērauda detaļu virskārta tiek piesātināta ar oglekli, lai pēc rūdīšanas un atlaidināšanas zemās t° detaļām būtu cieta un nodilumizturīga virsma, bet stigra vidusdaļa. Cementēšana notiek, karsējot tērauda detaļas 900 °C t° oglekli saturošā vidē.

Nitridēšana

Par nitridēšanu sauc tērauda detaļu virskārtas piesātināšanu ar slāpekli. Procesu veic hermētiski slēgtās kamerās, detaļas karsējot (500— 750 °C t°) gāzveida amonjaka (NH₃) atmosfērā. Nitridēšanas procesā amonjaks sadalās slāpeklī un ūdeņradī. Aktīvie slāpekļa atomi iespiežas dzelzs virskārtā un veido ķīmiskus savienojumus — nitrīdus. Nitridēšanai parasti pakļauj leģētos tēraudus, jo oglekļa tēraudiem virsmas cietības pieaugums ir liels. Tā kā nitridēšana pati rada lielu cietību, detaļas vidusdaļas nostiprināšanai rūdīšanu un atlaidināšanu veic pirms nitridēšanas.

Cianēšana

Par cianēšanu sauc tērauda detaļu virskārtas vienlaicīgu piesātināšanu ar oglekli un slāpekli. Cianētais slānis salīdzinājumā ar cementīta slāni ir ar lielāku cietību, nodilumizturību un izturības robežu.

Difūzijas metalizācija

Par difūzijas metalizāciju sauc tērauda detaļu virskārtas piesātināšanu ar alumīniju (alitēšana), hromu (hromēšana), silīciju (silicēšana), boru (borēšanu) un citiem metāliskiem elementiem. Difūzijas metalizācija tiek izdarīta, karsējot detaļas cietā vai gāzveida vidē, kas satur elementus, ar kuriem grib piesātināt tērauda virskārtu.
Alitēšanu lieto detaļām, kas strādā pie augstām t°. Alitēšanas rezultātā uz izstrādājumu virsmas izveidojas blīva alumīnija oksīda Al₂O₃ kārtiņa, kas pat augstā t° aizsargā metālu no koroziju.
Hromēšanu lieto, lai palielinātu korozijas izturību un pretošanās spēju skābju iedarbībai. Hromēta tērauda virskārta sastāv no hroma karbīdiem. Karbīda kārtiņa ir ļoti cieta — HV 1200 — 1300 ar nelielu biezumu — 0,15 — 0,2 mm.
Silicēšanu veic lai panāktu lielu nodilumizturību pret skābēm.
Borēšanu veic ar elektrolīzi, izkausētā borakā.

Apstrāde ar aukstumu

Šai apstrādei pakļauj detaļas, kas satur ne mazāk kā 0,6% oglekļa. Parasti šo metodi pielieto detaļām no tērauda P18, lai paaugstinātu tērauda karstumizturību un cietību. Veic tūlīt pēc rūdīto detaļu atdzišanas līdz istabas t°. Tās iegremdē vidē, kuras t° ir zem 0 °C. Līdz negatīvām t° atdzesē cietās ogļskābes maisījumā (sausais ledus ar spirtu) līdz -78 °C

Literatūra

• Auzukalns, J. Dobelis, M. Fjodorova, G. u. c. Inženiergrafika. Mācību līdzeklis inženierzinātņu studentiem. Rīga: RTU Izdevniecība, 2008.— 209.—212. lpp.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Tērauds.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)