Süsinikteras – definitsioon, koostis, tüübid ja omadused

Süsinikteras ehk tavaline süsinikteras on metallisulam. See on kahe elemendi, raua ja süsiniku kombinatsioon. Teised elemendid esinevad liiga väikestes kogustes, et mõjutada selle omadusi. Ainukesed muud elemendid, mis on tavalises süsinikterases lubatud, on: mangaan (maksimaalselt 1,65%), räni (maksimaalselt 0,60%) ja vask (maksimaalselt 0,60%). Madala süsinikusisaldusega teras on samade omadustega kui raud, pehme, kuid kergesti vormitav. Suurema süsinikusisaldusega muutub metall kõvemaks ja tugevamaks, kuid muutub vähem plastiliseks ja raskemini keevitatavaks. Suurem süsinikusisaldus alandab terase sulamistemperatuuri ja temperatuuritaluvust üldiselt.

Koostis

Süsinikteras koosneb peamiselt rauast ja süsinikust. Süsiniku osakaal määrab suure osa terase omadustest. Üldiselt sisaldab süsinikteras süsinikku vahemikus mõnesaja tuhandikust protsendist kuni ligikaudu 2,0%ni; üle selle piiri liigitatakse materjal pigem valuraud-liikide hulka. Lisaks võivad väikesed lisandid (näiteks mangaan, räni ja vask) mõjutada terase tugevust, kõvadust ja töödeldavust, kuid tavalise süsinikterase määratlevaks tunnuseks on see, et teiseste lisandite sisaldus on piiratud (vt ülalolevaid maksimaalseid väärtusi).

Tüübid (sõltuvalt süsinikusisaldusest)

Madala süsinikusisaldusega (mild) teras: tavaliselt kuni ~0,25–0,30% C. Kõrge plastilisus, hea vormitavus ja keevitatavus; kasutatakse konstruktsiooniterases, kere- ja torutoodetes.
Keskmise süsinikusisaldusega teras: ligikaudu 0,30–0,60% C. Tasakaal tugevuse ja plastilisuse vahel; sobib mehhaanilisteks osadeks ning kuumtöödeldavaks materjaliks.
Kõrge süsinikusisaldusega teras: ligikaudu 0,60–1,0% C (mõnedes klassifikatsioonides kuni ~2,0% lähedale). Väga kõvad ja kulumiskindlad pärast kuumtöötlemist; kasutatakse tööriistaterastes, vedrudes, lõikeriistades.

Omadused

Mehaanilised omadused: süsiniku suurenemine tõstab tugevust ja kõvadust, kuid vähendab venivust (plastilisust) ja löögitaluvust.
Keemistemperatuur ja sulamistemperatuur: süsinik vähendab raua sulamistemperatuuri ja mõjutab terase temperatuuritaluvust ning kuumtöötlemisel tekkivaid faase.
Kuumtöötlusvõimalused: kuumtöötlemise (annealimine, normaliseerimine, karastamine ja temperatsioon) abil saab oluliselt muuta mehaanilisi omadusi; madala C-terase puhul on karastamisefekt piiratum.
Keevitus: madala süsinikusisaldusega teras on hästi keevitatav; kõrgema süsinikusisaldusega terastega tuleb ettevaatlik olla, et vältida pragunemist ja rabeduse tekkimist (vajalikud eeskäitlemised või täiendavad lisandid).
Korrosioon: tavateras ei ole roostevaba — korrosioonioht on olemas ja vajab kaitset (värvimine, katmine, galvaniseerimine jm).

Mikrostruktuur ja kuumtöötlus

Terase mikrostruktuur koosneb peamistest faasidest: ferriit (pehme, raua rikas faas), pearliit (vahelduv kihtide komplekt ferriidi ja tsementiidi ehk Fe3C vahel) ning tsementiit (Fe3C, kõva ja rabedam). Eutektoidne koostis on umbes 0,76% C — sellest allpool domineeerib ferriit/pearliteline struktuur; üle selle võib tekkida perlitist ja üleliigset tsementiiti sisaldav struktuur, mis muudab terase kõvemaks ja rabedamaks.

Kuumtöötluse abil (nt anneal, normaliseerimine, karastamine ja temperatsioon) muudetakse terases olevate faaside proportsioone ja lõkse, et saada soovitud kombinatsioon kõvadusest, tugevusest ja sitkusest. Näiteks kõrge süsinikusisaldusega terase karastamine ja seejärel temperatsioon annab kõrge kõvaduse ja samas mõistetava löögitaluvuse.

Rakendused

Madala C-terased: ehitusdetailid, torud, autokered, plekitööd, üldised struktuuriosad.
Keskmise C-terased: hammasrattad, võllid, poltid, masinatöö osad, osad, mida kuumtöödeldakse tugevamaks.
Kõrge C-terased: lõikeriistad, failid, terad, vedrud ja muud rakendused, kus on vaja head kulumiskindlust ja kõrget kõvadust.

Eelised ja piirangud

Eelised: odav ja laialdaselt kättesaadav, hea tugevus-mass suhtega, lihtne töödelda ja taaskasutada.
Piinangud: kalduvus korrodeeruda, piiratud kõrgetemperatuurne tugevus ning kõrge süsinikusisaldusega terastel kehvem keevitatavus ja väiksem plastilisus.

Kokkuvõtlikult on süsinikteras mitmekülgne ja majanduslikult oluline materjal, mille omadusi juhitakse peamiselt süsinikusisalduse ja kuumtöötluse kaudu. Õige tüübi ja töötluse valik võimaldab saavutada vajalikud mehaanilised omadused konkreetsete rakenduste jaoks.

Süsinikterase tüübid

Tüüpilised süsiniku koostised on järgmised:

Kerge (madala süsinikusisaldusega) teras: umbes 0,05% kuni 0,25% süsinikusisaldusega ja kuni 0,4% mangaanisisaldusega (nt AISI 1018 teras). Vähem tugev, kuid odav ja kergesti vormitav; pinna kõvadust saab suurendada karbureerimise abil.
Keskmise süsinikusisaldusega teras: umbes 0,14% kuni 0,84% süsinikusisaldusega ja 0,60-1,65% mangaanisisaldusega (nt AISI 1040 teras). Tasakaalustab plastilisust ja tugevust ning on hea kulumiskindlusega; kasutatakse suurte detailide, sepistatud detailide ja autoosade valmistamiseks.
Kõrge süsinikusisaldusega teras: umbes 0,59-0,65% süsinikusisaldus ja 0,30-0,90% mangaanisisaldus. Väga tugev, kasutatakse vedrude ja suure tugevusega traatide valmistamiseks.
Väga kõrge süsinikusisaldusega teras: umbes 0,96% kuni 2,1% süsinikusisaldus, mida on spetsiaalselt töödeldud spetsiifiliste aatomi- ja molekulaarstruktuuride loomiseks.

Terast saab kuumtöödelda, mis võimaldab detailide valmistamist hõlpsasti töödeldavas pehmes olekus. Kui süsiniku sisaldus on piisav, saab sulamit karastada, et suurendada tugevust, kulumis- ja löögikindlust. Terase töötlemine toimub sageli külmtöötlemise meetodil, mis on metalli vormimine deformatsiooni teel madalal tasakaalu- või metastaabiilsel temperatuuril.

Metallurgia

Kergteras on kõige levinum teraseliik, kuna selle hind on suhteliselt madal, samas kui selle materjali omadused on paljude rakenduste jaoks vastuvõetavad. Leebe teras on madala süsinikusisaldusega (kuni 0,3%) ja seetõttu ei ole see äärmiselt rabe ega plastne. Kuumutamisel muutub see plastiliseks ja seda saab sepistada. Seda kasutatakse sageli ka seal, kus on vaja vormida suuri terasekoguseid, näiteks konstruktsiooniterasena. Selle metalli tihedus on 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) ja tõmbetugevus on maksimaalselt 500 MPa (72500 psi).

Süsinikteraste, mida saab edukalt kuumtöödelda, süsinikusisaldus on vahemikus 0,30-1,70 massiprotsenti. Erinevate muude elementide lisandid võivad oluliselt mõjutada saadud terase kvaliteeti. Väävli vähesed kogused muudavad terase "punaseks lühikeseks", mis on viga: teras on rabe ja murenev. Madalalt legeeritud süsinikteras, näiteks klass A36, sisaldab umbes 0,05% väävlit ja sulab umbes 1426-1538 °C (2600-2800 °F). Mangaani lisatakse sageli, et parandada madala süsinikusisaldusega terase kõvenemisvõimet. Need lisandid muudavad materjali mõne määratluse kohaselt madala legeerteraseks, kuid AISI määratlus süsinikterase kohta lubab kuni 1,65 massiprotsenti mangaani.

Karastatud teras tähendab tavaliselt karastatud või karastatud ja karastatud terast.

Hõbedast teras ehk kõrge süsinikusisaldusega särav teras on saanud oma nime oma välimuse järgi, mis tuleneb kõrgest süsinikusisaldusest. See on väga kõrge süsinikusisaldusega teras ehk seda võib pidada mõneks parimaks kõrge süsinikusisaldusega teraseks. See on määratletud terase spetsifikatsioonistandardite BS-1407 alusel. See on 1% süsinikusisaldusega tööriistateras, mida saab lihvida tihedate tolerantsidega. Tavaliselt on süsinikusisaldus vähemalt 1,10%, kuid kuni 1,20%. See sisaldab ka mikroelemente 0,35% Mn (vahemikus 0,30%-0,40%), 0,40% Cr (vahemikus 0,4%-0,5%), 0,30% Si (vahemikus 0,1%-0,3%) ning mõnikord ka väävlit (max 0,035%) ja fosforit (max 0,035%). Hõbedast terast kasutatakse mõnikord sirgete terade valmistamiseks, sest see teras on võimeline tootma ja hoidma mikropeenet serva.

Kuumtöötlus

Tavapärase süsinikterase kuumtöötlemise eesmärk on muuta terase mehaanilisi omadusi, tavaliselt plastilisust, kõvadust, voolavuspiirangut ja löögikindlust.

Raud-süsiniku faasidiagramm, mis näitab teatud tüüpi kuumtöötluste temperatuuri- ja süsiniku vahemikke.

Küsimused ja vastused

K: Mis on süsinikteras?

V: Süsinikteras on metallisulam, mis koosneb kahest elemendist, rauast ja süsinikust.

K: Kas tavalises süsinikterases võib olla ka muid elemente?

V: Jah, muud elemendid, nagu mangaan (maksimaalselt 1,65%), räni (maksimaalselt 0,60%) ja vask (maksimaalselt 0,60%) võivad esineda väikestes kogustes.

K: Millised on madala süsinikusisaldusega tavasüsinikterase omadused?

V: Madala süsinikusisaldusega tavasüsinikterasel on samad omadused kui raual - see on pehme ja kergesti vormitav.

K: Kuidas mõjutab suurema süsiniku lisamine süsinikterase omadusi?

V: Suurema süsiniku lisamisega muutub metall kõvemaks ja tugevamaks, kuid see muutub vähem plastiliseks ja raskemini keevitatavaks.

K: Kas tavalises süsinikterases võib olla piiratud koguses mangaani?

V: Jah, maksimaalne mangaani kogus, mis võib olla tavasüsinikterases, on 1,65%.

K: Kas suurem süsinikusisaldus mõjutab terase sulamistemperatuuri?

V: Jah, suurem süsinikusisaldus alandab terase sulamistemperatuuri.

K: Kas suurem süsinikusisaldus mõjutab terase temperatuuritaluvust üldiselt?

V: Jah, suurem süsinikusisaldus vähendab ka terase temperatuuritaluvust üldiselt.