Stahl

Stahl Bild in der Infobox. Haupteigenschaften
Komposition Eisen -
Kohlenstoff
Farbe Grau
Datum der Entdeckung 1865
Mechanische Eigenschaften
Elastizitätsmodul 210 Gigapascal

Ein Stahl ist eine Metalllegierung, die hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff besteht (in Anteilen zwischen 0,02 und 2 Massen-% für Kohlenstoff).

Es ist im Wesentlichen der Kohlenstoffgehalt, der der Legierung die Eigenschaften von Stahl verleiht. Es gibt andere Legierungen auf Eisenbasis, die keine Stähle sind, wie Gusseisen und Ferrolegierungen .

Verfassung

Stahl ist so konstruiert, dass er mechanischen oder chemischen Beanspruchungen oder einer Kombination aus beiden standhält.

Um diesen Belastungen standzuhalten, können seiner Zusammensetzung neben Kohlenstoff auch chemische Elemente zugesetzt werden. Diese Elemente werden als zusätzliche Elemente bezeichnet, die Hauptelemente sind Mangan (Mn), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo).

Die in Stahl enthaltenen chemischen Elemente können in drei Kategorien eingeteilt werden:

Aus unklaren Gründen ist Blei unter bestimmten Umständen (insbesondere in der Nuklearindustrie) eine „metallurgische Verunreinigung“, die zur Auflösung, Oxidation und Versprödung von Stählen beitragen kann, die Bleilegierungen ausgesetzt sind.

Zusammensetzung, Vor- und Nachteile

Der Kohlenstoffgehalt hat einen erheblichen (und recht komplexen) Einfluss auf die Eigenschaften von Stahl: Unter 0,008% ist die Legierung eher formbar und wir sprechen von „Eisen“; über 2,1% betreten wir das Gebiet des Eisen / Eisencarbids oder Eisen / Graphit- Eutektikums , das den Schmelzpunkt und die mechanischen Eigenschaften der Legierung tiefgreifend verändert, und wir sprechen von Gusseisen .

Zwischen diesen beiden Werten neigt die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts dazu, die Härte der Legierung zu verbessern und ihre Bruchdehnung zu verringern; Wir sprechen von „weichen, halbweichen, halbharten, harten oder extra harten“ Stählen gemäß der „traditionellen Klassifizierung“.

Traditionelle Klassifizierung von Stählen
Härte Kohlenstoffgehalt
(%)
Extra weicher Stahl <0,15
Weicher Stahl 0,15 - 0,25
Halbsteinstahl 0,25 - 0,40
Halbharter Stahl 0,40 - 0,60
Harter Stahl 0,60 - 0,70
Extra harter Stahl > 0,70

In etwas alten Lehrbüchern der Metallurgie findet man als Definition von Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, bei der der Kohlenstoff zwischen 0,2 und 1,7% variiert; Die Stromgrenze wurde aus dem Eisen / Kohlenstoff-Binärdiagramm ermittelt. Es gibt jedoch Stähle mit Kohlenstoffkonzentrationen oberhalb dieser Grenzwerte (ledeburitische Stähle), die durch Sintern erhalten werden .

Die Eigenschaften von Stählen werden auch durch Hinzufügen anderer Elemente, hauptsächlich metallischer, modifiziert, und wir sprechen von "legierten" Stählen. Ihre Eigenschaften können durch Wärmebehandlungen (insbesondere Abschrecken oder Zementieren ) auf der Oberfläche oder im Herzen des Materials noch erheblich verbessert werden . wir sprechen dann von "behandelten" Stählen.

Neben diesen verschiedenen Möglichkeiten und im Vergleich zu anderen Metalllegierungen liegt das Hauptinteresse von Stählen einerseits in der Akkumulation hoher Werte in den grundlegenden mechanischen Eigenschaften:

Andererseits bleiben ihre Produktionskosten relativ moderat, da Eisenerz auf der Erde reichlich vorhanden ist (etwa 5% der Rinde) und seine Reduktion recht einfach ist (durch Zugabe von Kohlenstoff bei hoher Temperatur). Schließlich sind Stähle dank des Schrottsektors praktisch vollständig recycelbar .

Sie können jedoch hat einige Nachteile, ihre schlechte Beständigkeit gegenüber insbesondere erkennende Korrosion, die jedoch entweder durch verschiedene behoben werden kann Oberflächenbehandlungen ( Anstreichen , Brünieren , Verzinken , Feuerverzinken , etc.), oder durch die Verwendung von Qualitäten aus sogenanntem "  rostfreiem  " Stahl . Darüber hinaus sind Stähle schwer zu formen und werden daher nicht für große Teile komplexer Formen (z. B. Maschinenrahmen) empfohlen. Wir bevorzugen dann Schriftarten . Wenn sich ihre große Dichte negativ auswirkt (z. B. in der Luftfahrt), wenden wir uns schließlich leichteren Materialien ( Legierungen auf Aluminiumbasis , Titan , Verbundwerkstoffe usw.) zu, die den Nachteil haben, dass sie teurer sind.

Wenn der Preis ein wichtiges Auswahlkriterium ist, werden Stähle in fast allen Bereichen der technischen Anwendung bevorzugt: öffentliche Geräte (Brücken und Straßen, Signalanlagen), chemische, petrochemische, pharmazeutische und nukleare Industrie (Druckgeräte, Geräte, die Flammen ausgesetzt sind, Lagerkapazitäten) , verschiedene Container), Lebensmittelindustrie (Verpackung und Lagerung), Bauwesen (Armaturen, Rahmen, Eisenwaren, Eisenwaren), mechanische und thermische Industrie (Motoren, Turbinen, Kompressoren), Automobilindustrie (Karosserie, Ausrüstung), Eisenbahnen, Luft- und Raumfahrt, Schiffbau , medizinische (Instrumente, Geräte und Prothesen), mechanische Komponenten (Schrauben, Federn, Kabel, Lager, Zahnräder), Schlagwerkzeuge (Hämmer, Meißel, Matrizen) und Schneidwerkzeuge (Messer, Bohrer, Einsatzhalter), Möbel, Design und Haushalt Geräte usw.

Geschichte

Die Eisenzeit ist gekennzeichnet durch die Anpassung des Hochofens an die Eisenreduktion. Dieser Hochofen erzeugt eine Lupe , eine heterogene Mischung aus Eisen, Stahl und Schlacke , von der die besten Stücke ausgewählt und dann geknackt werden müssen , um die Schlacke auszutreiben.

Durch Drücken des Windes wird die Verbrennung aufgefächert und die Schmelztemperatur des Metalls erreicht. Das Metall wird durch Entleeren des Tiegels gewonnen  : Dies ist die Produktion im Hochofen . Dann wird Gusseisen erhalten, wobei das flüssige Eisen bei Kontakt mit der Holzkohle Kohlenstoff annimmt . Tatsächlich treten im Tiegel des Hochofens zwei komplementäre Phänomene auf: Das Eisen wird mit Kohlenstoff beladen, wenn es mit der Holzkohle in Kontakt kommt, was seinen Schmelzpunkt senkt. Dann wird dieses geschmolzene Metall weiterhin durch Auflösen der Holzkohle an Kohlenstoff angereichert. Die ersten Gussteile wurden von den Chinesen in der Zeit der Streitenden Staaten (zwischen -453 und -221) hergestellt. Sie wissen auch, wie man den Kohlenstoff des Gusseisens verbrennt, indem man es mit Luft reagieren lässt, um Stahl zu erhalten. Dies ist der indirekte Prozess, da die Herstellung von Stahl nach der Gewinnung des Gusseisens erfolgt. In Europa und Asien wurde Stahl in der Antike auch durch Betanken von Eisen mit Verbrennungsgasen und Holzkohle ( Aufkohlungsstahl ) hergestellt.

Réaumur gründete durch eine Vielzahl von Experimenten und die Veröffentlichung der Ergebnisse seiner Beobachtungen im Jahr 1722 die moderne Stahlindustrie : Er war der erste, der theoretisierte, dass Stahl ein Zwischenzustand zwischen Gusseisen und reinem Eisen ist, aber das Wissen über die Zeit erlaubt es nicht, wissenschaftlich präzise zu sein. Erst 1786 wurde die Metallurgie wissenschaftlich: In diesem Jahr präsentierten drei französische Wissenschaftler der Schulen Lavoisier, Berthollet , Monge und Vandermonde der Königlichen Akademie der Wissenschaften ein Mémoire sur le fer, in dem sie die drei Arten von Eisenprodukten definierten: Eisen , Gusseisen und Stahl. Der Stahl wird dann aus Eisen gewonnen, das selbst durch Raffinieren des Gusseisens aus dem Hochofen hergestellt wird. Stahl ist zäher als Eisen und weniger spröde als Gusseisen, aber jede Zwischenumwandlung, um ihn zu erhalten, erhöht seine Kosten.

Die industrielle Revolution beginnt dank der Entwicklung neuer Methoden zur Herstellung und Umwandlung von Gusseisen in Stahl. 1856 konnte das Bessemer-Verfahren Stahl direkt aus Gusseisen herstellen. Seine Verbesserung durch Thomas und Gilchrist erlaubt seine Verallgemeinerung. Diese Entdeckungen führen (für die damalige Zeit) zur Massenproduktion von Qualitätsstahl. Schließlich in Richtung der zweiten Hälfte des XIX - ten  Jahrhunderts, Dmitry Chernov entdeckt polymorphe Umwandlungen von Stahl und stellt die binären Diagramm Eisen / Kohlenstoff, vorbei an der Metallurgie der staatlichen Handwerk als Wissenschaft.

Herstellung

Zusammensetzung und Struktur

Kohlenstoffgehalt

Es gibt verschiedene Arten von Stählen, je nach dem Massenprozentsatz des darin enthaltenen Kohlenstoffs:

Die Grenze von 2,11% entspricht der Einflusszone des Eutektikums ( Ledeburitis ); Es gibt jedoch einige ledeburitische Stähle.

Die Kristallstruktur von Stählen im thermodynamischen Gleichgewicht hängt von ihrer Konzentration (hauptsächlich Kohlenstoff, aber auch anderen Legierungselementen) und ihrer Temperatur ab. Man kann auch Strukturen außerhalb des Gleichgewichts haben (zum Beispiel im Fall eines Abschreckens ).

Die Struktur von reinem Eisen hängt von der Temperatur ab:

Die Struktur von Eisen + Kohlenstoff entwickelt sich je nach Temperatur und Kohlenstoffgehalt komplexer. Die Regeln unterscheiden sich je nachdem, ob man sich außerhalb der "Einflusszone" des Eutektoids (zwischen 0% und 0,022%), zwischen 0,022% und 0,77% (Hypoeutektoid) oder zwischen 0,77% und 2,11% (Hypereutektoid; darüber hinaus) befindet , es ist Gusseisen). Siehe die Untersuchung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms.

Vereinfacht ausgedrückt für einen Kohlenstoff zwischen 0,022% und 2,11%:

Unlegierte (Kohlenstoff-) Stähle können bis zu 2,11 Massen-% Kohlenstoff enthalten. Bestimmte legierte Stähle können durch Zugabe sogenannter „gammagener“ Elemente mehr Kohlenstoff enthalten.

Die verschiedenen Mikrostrukturen von Stahl sind:

Legierungselemente

Kohlenstoff ist von größter Bedeutung, da er der Legierung in Verbindung mit Eisen den Namen Stahl gibt. Sein Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl ist überwiegend. Zum Beispiel ist in Bezug auf die Verbesserung der Härteeigenschaften die Zugabe von Kohlenstoff dreißigmal effizienter als die Zugabe von Mangan.

Aluminium  : ausgezeichneter Desoxidationsmittel. In Kombination mit Sauerstoff reduziert sich das Kornwachstum in der austenitischen Phase. Ab einer bestimmten Schwelle kann der Stahl für die Feuerverzinkung ungeeignet sein.

Chrom  : Es ist das Additionselement, das dem Stahl die Eigenschaft der mechanischen Beständigkeit gegen Hitze und Oxidation (feuerfeste Stähle) verleiht. Es spielt auch eine entscheidende Rolle für die Korrosionsbeständigkeit, wenn es in einem Gehalt von mehr als 12 bis 13% (abhängig vom Kohlenstoffgehalt) vorliegt. Von 0,5% bis 9% zugesetzt , erhöht es die Härtbarkeit und die Erhaltung der mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen über der Umgebungstemperatur (Familie von Chromlegierungsstählen). Es hat eine Alphagenrolle.

Kobalt  : Wird in vielen magnetischen Legierungen verwendet. Verursacht beim Anlassen einen Widerstand gegen Erweichen.

Mangan  : bildet Sulfide, die die Bearbeitbarkeit verbessern. Erhöht die Härtbarkeit mäßig.

Molybdän  : Erhöht die Überhitzungstemperatur, die Hochtemperaturbeständigkeit und die Kriechbeständigkeit. Erhöht die Härtbarkeit.

Nickel  : Stähle mit hohem Chromgehalt austenitisch (gammagene Rolle). Zur Herstellung von Stählen mit mäßiger oder hoher Härtbarkeit (abhängig von den anderen vorhandenen Elementen), niedriger Austenitisierungstemperatur und hoher Zähigkeit nach dem Tempern. Es ist das Legierungselement schlechthin für die Herstellung von duktilen Stählen bei niedrigen Temperaturen (9% Ni-Stahl für den Bau von Kryotanks, 36% Ni-Stahl mit der Bezeichnung "  Invar  " für den Bau von LNG-Tankschiffen und Präzisionsmessgeräte).

Niob  : Gleicher Vorteil wie Titan, jedoch viel weniger flüchtig. Im Bereich des Schweißens ersetzt es es daher in Schweißzusätzen.

Phosphor  : Erhöht die Härtbarkeit erheblich. Erhöht die Korrosionsbeständigkeit. Kann zur Fragilität des Einkommens beitragen.

Silizium  : fördert die für die Herstellung eines magnetischen Stahls erforderliche kristalline Orientierung, erhöht den spezifischen elektrischen Widerstand. Verbessert die Oxidationsbeständigkeit bestimmter feuerfester Stähle. Wird als desoxidierendes Element verwendet.

Titan  : hohe karbogene Leistung (wie Niob) und reduziert daher die Härte von Martensit. Fängt Kohlenstoff in Lösung bei hoher Temperatur ein und verringert daher das Risiko einer intergranularen Korrosion von rostfreien Stählen (TiC wird vor Cr 23 C 6 gebildet und vermeidet daher eine Chromverarmung an der Korngrenze).

Wolfram  : Verbessert die Hochtemperaturhärte von angelassenen, angelassenen Stählen. Funktionen, die im Wesentlichen mit denen von Molybdän identisch sind.

Vanadium  : Erhöht die Härtbarkeit. Erhöhen Sie die Überhitzungstemperatur. Verursacht Beständigkeit gegen Erweichen durch Anlassen (ausgeprägter sekundärer Härtungseffekt).

Struktur

Beim Abkühlen eines Barrens verfestigt sich der Stahl im austenitischen Zustand. Während des Abkühlens bei 727  ° C zersetzt sich der Austenit entweder in Ferrit + Perlit oder in Perlit + Zementit . Die Abkühlgeschwindigkeit sowie die Legierungselemente spielen eine wichtige Rolle für die erhaltene Struktur und damit für die Eigenschaften des Stahls. Tatsächlich :

Allgemein :

Bestimmte chemische Elemente können Kohlenstoff unter Bildung von Carbiden (z. B. Titan oder Aluminium) "einfangen". Sie verhindern somit die Bildung von Zementit.

Die Struktur des Stahls kann durch thermomechanische Behandlungen verändert werden  :

Die Pulvermetallurgie besteht darin, das Stahlpulver zu verdichten und unter die Schmelztemperatur zu erhitzen, jedoch so weit, dass die Körner "geschweißt" werden ( Sintern ). Dies ermöglicht es, die Struktur des Stahls und seinen Oberflächenzustand zu kontrollieren (insbesondere kein Schrumpfen oder Schrumpfen ), führt jedoch zu Porosität .

Verschiedene "Familien"

Es gibt niedriglegierte, kohlenstoffarme Stähle und im Gegenteil Stähle, die viele Legierungselemente enthalten (zum Beispiel enthält ein typischer rostfreier Stahl 8 Gew .-% Nickel und 18 Massen-% Chrom).

Unterschiedliche Klassifikationen

Jedes Land hat seine eigene Methode zur Bezeichnung von Stählen. Das nebenstehende Diagramm zeigt die europäische Bezeichnung gemäß den Normen EN 10027-1 und -2. Diese Norm unterscheidet vier Kategorien:

Unlegierte Stähle

Alllegierte unlegierte Stähle

Sie sind für Schweißkonstruktionen, Bearbeitung, Biegen  usw. vorgesehen. Wir unterscheiden:

  • Typ S, der der allgemeinen Grundnutzung entspricht ( Hochbau usw.);
  • Typ P zur Verwendung in Druckbehältern;
  • Typ L für Leitungsrohre;
  • Typ E für den Maschinenbau;
  • Typ R für die Schienen.

Die Bezeichnung dieser Stähle enthält den Buchstaben, der die Art der Verwendung angibt, gefolgt vom Wert der minimalen Elastizitätsgrenze ( R e ), ausgedrückt in Megapascal (MPa). Beachten Sie, dass dies der niedrige Dickenwert ist und der Widerstand mit der Dicke abnimmt.

Wenn es sich um einen Stahlguss handelt, wird der Bezeichnung der Buchstabe G vorangestellt. Die Bezeichnung kann durch zusätzliche Angaben (Reinheit, spezielle Anwendung  usw. ) ergänzt werden.

Beispiele:

  • S185 (früher A33), R e = 185  MPa  ;
  • S235 (früher A37, E24), R e = 235  MPa  ;
  • E295 (früher A50), R e = 295  MPa  ;
  • GE295, Stahlguss, R e = 295  MPa  ;
  • S355 J2 WP (früher A52, E36), R e = 355  MPa , feinkörnig und Selbst Patinieren (es ist Corten A Stahl ).
Spezielle unlegierte Stähle (Typ C)

Der Mangangehalt beträgt weniger als 1% und kein Additionselement überschreitet 5 Massen-%. Ihre Zusammensetzung ist präziser und reiner und entspricht den im Voraus definierten Verwendungen.

Ihre gemeinsamen Anwendungen sind Bohrer ( Bohrer ), Federn , Antriebswellen , Formen ( Formen ),  usw.

Ihre Bezeichnung enthält den Buchstaben C, gefolgt vom Kohlenstoffgehalt multipliziert mit 100. Wenn es sich um einen Stahlguss handelt, wird der Bezeichnung der Buchstabe G vorangestellt.

Beispiele:

  • C45, unlegierter Stahl mit einer Rate von 0,45% Kohlenstoff;
  • GC22, unlegierter Stahlguss mit 0,22% Kohlenstoffgehalt.

Niedriglegierte Stähle

Der Mangangehalt ist größer als 1% und kein Additionselement sollte 5 Massen-% überschreiten. Sie werden für Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Festigkeit erfordern.

Beispiele für Standardbezeichnungen:

  • 35NiCrMo16: Enthält 0,35% Kohlenstoff, 4% Nickel, niedrigeres Chrom und Molybdän. Dieser Stahl hat eine gute Schlagfestigkeit sowie eine hohe mechanische Festigkeit bis 600  ° C  ;
  • 100Cr6: 1% Kohlenstoff und 1,5% Chrom. Dies ist der typische Stahl, der in Kugellagern verwendet wird .

Hochlegierte Stähle

Mindestens ein Additionselement übersteigt 5 Massen-%, das für sehr spezielle Verwendungszwecke bestimmt ist. Es gibt Werkzeugstähle, feuerfeste Materialien, Maraging (sehr hohe Beständigkeit, Verwendung in der Luftfahrt und zur Herstellung von Unterwasserrümpfen. - Marines), Hadfields (sehr hoher Verschleiß Widerstand), Invar (niedriger Ausdehnungskoeffizient ).

Ein Beispiel für eine Standardbezeichnung ist "X2CrNi18-9" (dies ist Edelstahl ).

Spezielle High - Speed - Stähle (ARS oder Schnellarbeitsstähle , HSS) ist Teil dieser Familie.

Rostfreier Stahl

Diese Stähle weisen eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion , Heißoxidation und Kriechen (irreversible Verformung) auf. Sie sind im Wesentlichen mit Chrom legiert , einem Element, das die Eigenschaft des Rostschutzes verleiht, und mit Nickel , einem Element, das gute mechanische Eigenschaften verleiht. Rostfreie Stähle werden in vier Familien eingeteilt: ferritisch, austenitisch, martensitisch und austeno-ferritisch. Austenitische rostfreie Stähle sind am formbarsten und behalten diese Eigenschaft bei sehr niedrigen Temperaturen ( –200  ° C ) bei.

Ihre Anwendungen sind vielfältig: Chemikalien , Nukleartechnik , Lebensmittel , aber auch Besteck und Haushaltsgeräte. Diese Stähle enthalten mindestens 10,5% Chrom und weniger als 1,2% Kohlenstoff .

Mehrphasenstähle

Diese Stähle werden nach den Prinzipien von Verbundwerkstoffen konstruiert  : Durch thermische und mechanische Behandlungen wird das Material lokal mit bestimmten Legierungselementen angereichert . Eine Mischung aus harten Phasen und duktilen Phasen wird dann erhalten , deren Kombination macht es möglich , bessere mechanische Eigenschaften zu erhalten. Wir können zum Beispiel zitieren:

  • Dualphasenstähle , die die moderne Variante sind Damastmesserserien , aber wo die Unterscheidung zwischen Hartphase ( Martensit ) und duktilen Phase ( Ferrit ) ist feiner gemacht, an der Kornebene  ;
  • die aus Ferrit und Austenit in im wesentlichen gleichen Anteilen gebildeten Duplexstähle ;
  • TRIP-Stähle ( TRansformation Induced Plasticity ), bei denen Austenit nach mechanischer Beanspruchung teilweise in Martensit umgewandelt wird. Wir beginnen daher mit einem duktilen Stahl, um einen zweiphasigen Stahl zu erhalten  .
  • Der Damaststahl, bei dem weißer duktiler, ärmerer Kohlenstoff Stöße absorbiert, und schwarzer, kohlenstoffreicher Kohlenstoff, garantieren eine gute Kante.

Eigenschaften und Merkmale

Stahl ist eine Legierung, die im Wesentlichen aus Eisen besteht. Ihre Dichte variiert daher in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihren Wärmebehandlungen um die von Eisen (7,32 bis 7,86). Die Dichte eines austenitischen rostfreien Stahls liegt aufgrund der Kristallstruktur typischerweise etwas über 8. Beispielsweise beträgt die Dichte eines Edelstahls vom Typ AISI 304 (X2CrNi18-10) ungefähr 8,02.

Stähle haben unabhängig von ihrer Zusammensetzung einen Elastizitätsmodul von etwa 200  GPa (200 Milliarden Pascal ). Die anderen Eigenschaften variieren enorm in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung, der thermomechanischen Behandlung und den Oberflächenbehandlungen, denen sie unterzogen wurden.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl beträgt 11,7 × 10 –6  ° C –1 .

Thermomechanische Behandlung ist der Verein:

Bei der Oberflächenbehandlung wird die chemische Zusammensetzung oder Struktur einer äußeren Stahlschicht geändert. Das mag sein :

Siehe auch den ausführlichen Artikel Verschleißschutzbehandlungen .

Symbolisch und Ausdruck

  • Stahl ist die 7 - ten  Ebene im Verlauf des Blasrohr Sports.
  • Laut Quellen, kann der Stahl mit der Bezeichnung 11 - ten Jahrestag .
  • Der Begriff "Stahl" wird verwendet, um zu charakterisieren, was fest ist, zum Beispiel eine Moral von Stahl.
  • Die "Stahllunge" bezieht sich auf ein älteres Modell eines künstlichen Beatmungsgeräts (Unterdruckbeatmungsgerät).
  • Der Stahlgrau ist eine Farbe grau-blau die Farbe aus gehärtetem Stahl zu reproduzieren.
  • Die Stahlfarbe in der Heraldik bezeichnet Grau .

Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von Stählen ist umgekehrt proportional zum Kohlenstoffgehalt. Nicht alle Stahlsorten haben die gleiche Schweißbarkeit und weisen unterschiedliche Schweißbarkeitsgrade auf (siehe Artikel zum Schweißen ). Bestimmte Stähle sind darüber hinaus an sich nicht schweißbar. Damit ein Stahl schweißbar ist, ist es wichtig, dass die Stahlhersteller auf die Schweißbarkeit der Stähle achten, die sie in der Entwicklungsphase herstellen, um die spätere Implementierung zu optimieren.

Beispielsweise ist zu beachten, dass der ASME-Code ( American Society of Mechanical Engineers ) in seinem spezifischen Volumen für den Bau von Druckgeräten vorschreibt, dass die Konformitätsbescheinigung eines Stahls, der auch als vorläufiges Teil verwendet wird, vorübergehend geschweißt wird Bei einer Arbeit, die dem genannten Kodex unterliegt, wird die Qualität von „schweißbarem Stahl“ eindeutig erwähnt.

Faktoren, die die Produktionskosten bestimmen

Mindestens sieben Faktoren bestimmen die Produktionskosten für Stahl:

  1. Die Zusammensetzung des Stahls nach seinem Gehalt an Edelelementen (Chrom, Nickel, Mangan, Kobalt  usw. ) und dem Grad der chemischen Reinheit (geringer Gehalt an Schwefel, Phosphor, Elementen mit niedrigem Schmelzpunkt wie Blei, Arsen, Zinn, Zink  usw. );
  2. Die spezifischen Anforderungen in Bezug auf die Vorschriften (Richtlinien, Dekrete, Gesetze  usw. ) und die technischen Spezifikationen der Auftragnehmer;
  3. Die Wahl der Option (en), die durch Normen oder internationale Standards vorgeschlagen werden, wie z. B. Biege-, Stanz- und Bearbeitungsfähigkeiten;
  4. Maßanforderungen (Ebenheitstoleranz, Dickenklasse  usw. ). Beachten Sie, dass bei Stahlherstellern die Dichte von Stahl keine Konstante ist. Zum Beispiel ist es im Fall von Baustahl nicht gleich 7,85. Stahlhersteller betrachten eine andere Abrechnungsdichte als die physikalische Dichte, um die Tatsache zu berücksichtigen, dass die tatsächlich gelieferte (gewogene) Masse immer größer ist als die theoretische (berechnete) Masse des bestellten Produkts.
  5. Die Untersuchungen und Tests, die an Proben durchgeführt wurden, die aus dem Guss oder direkt aus dem Produkt entnommen wurden, sowie die Art der Aufnahme des Produkts. Es gibt drei Hauptempfangsmodi, die unten in der Reihenfolge steigender Kosten aufgeführt sind:
    • vom Verkäufer (der Empfang des Produkts erfolgt daher durch die erste Partei),
    • vom Käufer (der Empfang des Produkts wird von der zweiten Partei durchgeführt) und von einer anderen externen Verwaltungsstelle (Kontrollstelle, Versicherungsgesellschaft, Ministerium, Verein usw. ) als dem Verkäufer oder dem Käufer (dem Erhalt des Produkts)  Produkt wird von einem sogenannten Dritten ausgeführt);
  6. Die internen Anforderungen (und damit zusätzliche), die für die Herstellungsprozesse des Benutzers erforderlich sind (Ebenheit, Begrenzung des Gehalts an chemischen Elementen, Kennzeichnung) und
  7. Das Gesetz von Angebot und Nachfrage sowie Spekulationen über Metalle, die natürlich den Marktpreis bestimmen.

Die Auswirkungen der ersten sechs Anforderungen können sich auf einige zehn Euro pro Tonne bei mehr als 50% des Grundpreises auswirken (der Grundpreis ist der Preis für Standardstahl, der dem Standard entspricht und keine Optionen bietet) Es ist wichtig, vor der Bestellung den Verkäufer oder den Stahlhersteller (auch als „Schmiede“ oder „Gießerei“ bezeichnet) auf der Grundlage einer technischen Einkaufsspezifikation zu konsultieren, die gemäß den technischen vertraglichen und / oder administrativen Anforderungen erstellt wurde . Der 7. Platz hat  mittlerweile keine rationale Grenze.

Forschung und Entwicklung, prospektiv

Neue Arten von Spezialstählen könnten bioinspiriert werden , beispielsweise durch Nachahmung des Konstruktionsprinzips des Knochens. So stellten die Forscher 2016-2017 einen Stahl nachahmenden Knochen her. Innerhalb des Knochens bilden nanoskalige Kollagenfasern eine Schichtstruktur, deren Schichten in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Im Millimeterbereich hat der Knochen eine Krümelstruktur, die in einem Gitter (geordneter Satz) organisiert ist , das ihn verstärkt, indem es die Ausbreitung von Rissen in alle Richtungen und von jedem Punkt aus verhindert. Von Metallurgen wurden inspiriert, einen nanostrukturierten Stahl mit unterschiedlichen Legierungen (mit unterschiedlicher Härte) herzustellen . Um sich dort auszubreiten, muss ein Riss einem komplexen Pfad folgen und viele Widerstände überwinden, da die flexiblen Nanoteile der Baugruppe die Energie wiederholter Spannungen absorbieren, die sogar die Mikrorisse unmittelbar nach ihrem Auftreten schließen können.
Leichte Stähle (möglicherweise "  3D-gedruckt  ") werden möglich, um Brücken, Roboter, Raumfahrzeuge oder U-Boote oder Landfahrzeuge oder Strukturen zu schaffen, die wir widerstandsfähiger gegen Risse oder genauer gegen die Ausbreitung riskanter Risse machen wollen, um zu einem Bruch zu führen des ganzen.

Anmerkungen und Referenzen

Anmerkungen

  1. Ein Schwefelgehalt von 50  ppm kann die Elastizität gegenüber kaltem Stahl durch 2 teilen .
  2. Der Hochofen wurde in der Bronzezeit für eine einfachere Kupferreduktion entwickelt, da er bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet: Nach Ellinghams Diagramm reduziert CO Kupferoxide effektiv über 400  ° C hinaus , während es zur Reduzierung 900  ° C überschreiten muss Eisenoxide.
  3. Kohlenstoffaufnahme stoppt, wenn das Metall damit gesättigt ist. Der Kohlenstoffgehalt von Gusseisen hängt daher ausschließlich von seiner Temperatur ab: Je heißer ein flüssiges Gusseisen ist, desto mehr Kohlenstoff kann es aufnehmen.

Verweise

  1. Oberer Wert des Kohlenstoffgehalts:

    „Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit mehr als 2% Kohlenstoff sind Gusseisen. ""

    - Philibert et al. , Metallurgie vom Erz zum Material (Dunod, 2002), p.  660

    „Gusseisen sind Legierungen aus Eisen und Kohlenstoff in einer Menge von mehr als 2%. ""

    - Hazard et al. , Mémotech - Metallische Strukturen (Casteilla, 2000), p.  14

    Die beibehaltenen Werte variieren jedoch nach Angaben der Autoren zwischen 1,67 und 2,11%, je nachdem, ob man sich auf die üblicherweise von den Herstellern verwendeten Inhalte oder auf die Werte der im Labor erhaltenen Diagramme stützt.

  2. (in) Rian Dippenaar , " Neue Stahl- und Spezialstahlsorten und Produktionstechnologien, Auswirkungen auf die Auswahl und Verwendung von Ferrolegierungen" auf dem 10. Internationalen Ferrolegierungskongress 2004 ,Februar 2004( ISBN  0-9584663-5-1 , online lesen ) , p.  744
  3. Kernenergie - Agentur , „AEN Infos“ [PDF] 2012, n o  30.1, 31  p. ( ISSN  1605-959X ) , p.  23
  4. Die Quellen unterscheiden sich, daher haben wir den Wert von 2,1% beibehalten. In jedem Fall ist dieser Wert theoretisch, da in der Praxis kein unlegierter Stahl mit einem solchen Kohlenstoffgehalt verwendet wird. Für das metastabile Eisen / Eisencarbid-Diagramm:
    • (en) William F. Smith und Javad Hashemi , Grundlagen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik , Boston, McGraw-Hill ,2006, 4 th  ed. ( ISBN  978-0-07-295358-9 , LCCN  2005043865 ) , p.  363 : 2,08%;
    • J. Philibert, A. Vignes, Y. Bréchet und P. Combrade, Metallurgie, vom Erz zum Material , Paris, Dunod,2002, 2 nd  ed. ( ISBN  978-2-10-006313-0 ) , p.  655 : 2,11%;
    • (en) E. Paul Degarmo , JT Black und Ronald A. Kohser , Materialien und Prozesse in der Fertigung , Hoboken, Wiley,2003, 9 th  Ed. ( ISBN  978-0-471-65653-1 ) , p.  75 : 2,11%;
    • (en) Michael F. Ashby und David Rayner Hunkin Jones , Eine Einführung in Mikrostrukturen, Verarbeitung und Design , Butterworth-Heinemann,1992( Online-Präsentation ) : 2,14%.
    Für das stabile Eisen / Graphit-Diagramm beträgt der Wert 2,03% (Philibert et al. , Op. Cit.)
  5. "  Referenzvokabular von Materialien  " , auf neighbour.ch (abgerufen am 30. Dezember 2020 )
  6. (in) Paul T. Craddock , Bergbau und frühe Metallproduktion, Edingburgh, Prentice Hall & IBD,1995383  p. ( ISBN  9781560985358 ) , p.  258-259
  7. (in) Anthony M. Snodgrass , Das Kommen des Eisenzeitalters , Theodore A. und James D. Wertime Mulhy,1980( ISBN  0300024258 und 0-300-02425-8 ) , „Eisen und frühe Metallurgie im Mittelmeer“ , S.  336-337
  8. Maurice Burteaux, "  Die Tatara  " , Sonne aus Stahl,1 st Oktober 2004
  9. (in) Robert Temple ( Präf.  Joseph Needham), Das Genie Chinas: 3.000 Jahre Wissenschaft, Entdeckung und Erfindung , Simon und Schuster (New York)1986254  p. ( ISBN  0671620282 ) , p.  49-50
  10. (in) Zhongshu Wang , Han-Zivilisation , New Haven und London: Yale University Press,1982261  p. ( ISBN  0-300-02723-0 ) , p.  125
  11. Adrienne R. Weill, "  Metallurgie (Stahltiegel und Qualität schmilzt XVIII - ten  Jahrhundert)  " , Encyclopaedia Universalis (abgerufen am 6. August 2011 )
  12. Roland Eluerd, Les Mots du fer et des Lumières , Paris, Honoré Meister, Genf, Slatkine, 1993, p.  29-42
  13. Science et Vie , n o  1106, November 2009, S..  130-131
  14. Alexandre-Théophile Vandermonde , Claude-Louis Berthollet , Gaspard Monge , Memoiren über Eisen in seinen verschiedenen metallischen Zuständen , [ online lesen ] , „Lû an der Royal Academy of Sciences, im Mai 1786
  15. Alexis Aron "  Die wirtschaftlichen Folgen der Erfindung von Sidney Thomas (Sprache)  ", der Zeitschrift der Metallurgie , n o  12,Dezember 1950, p.  18-22
  16. (in) Das Journal des Iron and Steel Institute , Vol.  XCI, London,17. Dezember 1915711  p. ( online lesen ) , „Statistik“ , S.  655-657
  17. NF EN 10027-1 Februar 2017 Bezeichnungssysteme für Stähle - Teil 1: symbolische Bezeichnung
  18. NF EN 10027-2 Juni 2015 Bezeichnungssysteme für Stähle - Teil 2: Digitales System
  19. Dual Phase und Komplexphasenstähle , auf arcelormittal.com, zugegriffen 2. November 2017
  20. Edelstahl 304 und 316 auf oxynov.fr (abgerufen am 2. November 2017)
  21. D. Beaulieu, A. Picard, R. Tremblay, B. Massicotte und G. Grondin, Berechnung von Stahlkonstruktionen , t.  Ich, cisc-icca, Kanadisches Institut für Stahlbau,2003794  p.
  22. (in) Robert F. Service, "'Supersteel' ist modelliert, menschlicher Knochen ist resistent gegen Risse" , Science , 9. März 2017

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links

Literaturverzeichnis

  • J. Barralis und G. Maeder, Precis der Metallurgie , Paris, Afnor, Nathan,1991, 4 th  ed. ( ISBN  978-2-09-194017-5 )
  • J. Philibert, A. Vignes, Y. Bréchet und P. Combrade, Metallurgie, vom Erz zum Material , Paris, Dunod,2002, 2 nd  ed. ( ISBN  978-2-10-006313-0 ) , p.  8-10, 150-186, 617-623, 651, 654-661, 681-700, 744-752
  • J.-L. Fanchon , Leitfaden für industrielle Wissenschaften und Technologien , Paris, Afnor, Nathan,2010( ISBN  978-2-09-178761-9 und 2-12-494112-7 , OCLC  47854031 , Online-Präsentation ) , p.  161-166