Skład chemiczny stali jest jej najbardziej podstawową cechą charakterystyczną. Każda decyzja podejmowana na kolejnych etapach procesu produkcji stali – jak materiał zareaguje na obróbkę cieplną, czy można go spawać bez podgrzewania wstępnego, czy będzie odporny na korozję w danym środowisku, jak będzie się zachowywał w niskich temperaturach – wynika właśnie ze składu. Dla praktykujących inżynierów zapoznanie się z certyfikatem składu chemicznego jest rutynową czynnością; zrozumienie, jaką rolę pełni każdy pierwiastek i dlaczego się tam znajduje, sprawia, że ta lektura staje się przydatna.
Stal to stop na bazie żelaza, w którym głównym pierwiastkiem stopowym jest węgiel. Węgiel rozpuszcza się w sieci krystalicznej żelaza i, w zależności od obróbki cieplnej, rozkłada się w sposób, który pozwala uzyskać bardzo szeroki zakres mikrostruktur i właściwości mechanicznych. Górną granicę zawartości węgla w stali przyjmuje się zazwyczaj na poziomie 2,1% mas.; powyżej tej wartości stop krzepnie z tworzeniem węglików pierwotnych i jest klasyfikowany jako żeliwo, charakteryzujące się zasadniczo odmiennymi właściwościami obróbczymi.
W przypadku stali zawartość węgla jest głównym czynnikiem decydującym o reakcji materiału na obróbkę cieplną. Stale niskowęglowe charakteryzują się wytrzymałością i spawalnością, ale nie ulegają znacznemu utwardzeniu. Stale wysokowęglowe osiągają wysoką twardość i wytrzymałość po hartowaniu, ale ich spawalność stopniowo się pogarsza, a materiał staje się bardziej podatny na pękanie kruche, jeśli procesy termiczne nie są starannie kontrolowane.
Oprócz węgla większość stali komercyjnych zawiera dodatkowe pierwiastki, które dodaje się celowo w celu uzyskania określonych właściwości metalurgicznych. Wybór i proporcje tych pierwiastków decydują o tym, czym różni się miękka stal konstrukcyjna od stali nierdzewnej typu duplex, stali kriogenicznej lub stali odpornej na pełzanie przeznaczonej do zbiorników ciśnieniowych.
Mangan występuje praktycznie w każdym gatunku stali dostępnym na rynku. Pełni on rolę odtleniacza podczas produkcji stali, poprawia hartowność oraz łączy się z siarką, tworząc siarczek manganu, który ma znacznie mniej szkodliwy wpływ na właściwości stali niż siarczek żelaza. Chrom, w stężeniach powyżej około 10,5% mas., tworzy pasywną warstwę tlenkową, która nadaje stalom nierdzewnym odporność na korozję; w niższych stężeniach przyczynia się do hartowności i odporności na zużycie. Nikiel poprawia wytrzymałość i odporność na uderzenia w niskich temperaturach oraz poniżej zera, co czyni go kluczowym dodatkiem w stalach przeznaczonych do zastosowań kriogenicznych i arktycznych. Molibden zwiększa wytrzymałość w wysokich temperaturach oraz odporność na pełzanie i jest standardowym dodatkiem w stalach stosowanych w zbiornikach ciśnieniowych oraz instalacjach pracujących w podwyższonych temperaturach. Wanad i niob, skuteczne już w bardzo niskich stężeniach, są środkami drobniącymi ziarno i utwardzającymi przez wydzielanie; stanowią one charakterystyczne dodatki w nowoczesnych gatunkach stali wysokowytrzymałych niskostopowych (HSLA), w których osiąga się znaczny wzrost wytrzymałości bez zwiększania zawartości węgla. Krzem służy przede wszystkim jako odtleniacz, choć w większych ilościach jest stosowany w celu dostosowania właściwości magnetycznych w stalach elektrotechnicznych.
Fosfor i siarka występują również we wszystkich rodzajach stali, nie jako celowe dodatki, lecz jako zanieczyszczenia procesowe pochodzące z surowców. Oba te pierwiastki pogarszają właściwości mechaniczne, gdy ich stężenie przekracza poziom śladowy, i są utrzymywane w określonych maksymalnych granicach we wszystkich gatunkach stali konstrukcyjnych. Nowoczesne praktyki hutnicze pozwalają utrzymać zawartość tych pierwiastków na tak niskim poziomie, że ich wpływ na właściwości jest znikomy w zdecydowanej większości zastosowań.
W poniższej tabeli zestawiono te elementy, ich funkcje oraz zakresy składu typowe dla praktyki handlowej.
Tabela 1. Główne składniki stali, ich rola oraz orientacyjne przedziały zawartości procentowej. Podane wartości odzwierciedlają powszechną praktykę handlową; granice określone w specyfikacji są zdefiniowane w odpowiedniej normie produktowej.
Element
Rola
Typowy zakres (wt%)
Węgiel (C)
Główny składnik wzmacniający; decyduje o twardości i reakcji na obróbkę cieplną
Do 2,1
Mangan (Mn)
Odtleniacz; poprawia hartowność i obrabialność na gorąco
od 0,25 do 1,65
Chrom (Cr)
Wysoka odporność na korozję przy wysokich zawartościach; hartowalność przy niższych zawartościach
od 0,5 do 2,0 (stale stopowe); 10,5+ (stale nierdzewne)
Nikiel (Ni)
Wydrżność i odporność na uderzenia, zwłaszcza w niskich temperaturach
od 0,5 do 9,0
Molibden (Mo)
Wytrzymałość w podwyższonej temperaturze i odporność na pełzanie
od 0,15 do 1,0
Wanad (V)
Zmniejszenie wielkości ziaren i utwardzanie wydzieleniowe
od 0,03 do 0,15
Niob (Nb)
Zmniejszenie wielkości ziaren; opóźnia rekrystalizację austenitu podczas walcowania
od 0,02 do 0,08
Krzem (Si)
Odtleniacz; wzmocnienie roztworem stałym
od 0,15 do 0,35
Fosfor (P)
Zanieczyszczenie: zmniejsza plastyczność w poprzek grubości powyżej poziomów śladowych
Maks. 0,040 (większość gatunków)
Siarka (S)
Zanieczyszczenie: pogarsza trwałość zmęczeniową oraz właściwości w poprzek grubości
Skład stali określa się na dwóch etapach produkcji. Analiza partii, zwana również analizą z kadzi, jest przeprowadzana na stopionej stali w trakcie topienia lub bezpośrednio po nim i odzwierciedla skład całej partii. Analiza wyrobu jest przeprowadzana na gotowym wyrobie walcowanym lub kutym. Ponieważ podczas krzepnięcia może dochodzić do segregacji pierwiastków, analiza wyrobu może nieznacznie różnić się od analizy partii, a normy dotyczące wyrobów określają dopuszczalne odchylenie między tymi dwoma wynikami. Wyniki obu analiz są podawane w certyfikacie badania materiałowego dołączonym do wyrobu.
Dla inżynierów zajmujących się weryfikacją dostarczanych materiałów certyfikat składu stanowi podstawowy dokument. Porównanie go z tabelą składu zawartą w odpowiedniej normie, element po elemencie, jest prostym, ale ważnym etapem kwalifikacji materiałów.
Ponieważ kilka pierwiastków stopowych wpływa na właściwości stali w sposób jakościowo podobny do węgla, w inżynierii spawalniczej stosuje się parametr łączny zwany ekwiwalentem węgla (CE) w celu oceny wymagań dotyczących podgrzewania wstępnego oraz ryzyka pękania wywołanego wodorem. Najczęściej stosowana wersja uwzględnia węgiel oraz ważone udziały manganu, chromu, molibdenu, wanadu, niklu i miedzi. CE oblicza się bezpośrednio na podstawie certyfikatu składu i jest to jedno z najczęściej stosowanych praktycznych zastosowań danych dotyczących składu przez inżynierów zajmujących się produkcją i kwalifikacją procedur spawalniczych.
Stal o niskim współczynniku CE można zazwyczaj spawać bez podgrzewania wstępnego w przypadku elementów o umiarkowanych rozmiarach przekroju. Wraz ze wzrostem współczynnika CE konieczne staje się podgrzewanie wstępne w celu spowolnienia szybkości chłodzenia w strefie wpływu ciepła i zmniejszenia ryzyka pękania. Konkretne temperatury podgrzewania wymagane dla danej wartości CE i grubości przekroju są określone w normach spawalniczych i stanowią temat, który zostanie omówiony w przewodnikach inżynieryjnych Total Materia, gdzie metalurgia spawania jest traktowana w praktycznym kontekście doboru gatunków stali i planowania produkcji.
Skład określa potencjał stali; obróbka termiczna i mechaniczna decyduje o tym, w jakim zakresie tego potencjału mieści się gotowy produkt. Skład stanowi również podstawową podstawę do oceny, czy dwa gatunki określone w różnych normach krajowych są rzeczywiście równoważne. Zgodność nazw gatunków według norm ASTM i EN nie jest wiarygodnym wskaźnikiem rzeczywistej równoważności; takim wskaźnikiem jest natomiast bezpośrednie porównanie granicznych wartości składu oraz wymagań dotyczących właściwości mechanicznych.
W niniejszym artykule omówiono pierwiastki chemiczne określające skład stali oraz sposób określania i podawania jej składu. Powiązane przewodniki z serii „Stal” opierają się na tych informacjach. W przewodniku „Właściwości stali” wyjaśniono zachowanie mechaniczne i fizyczne wynikające ze składu i obróbki, natomiast w przewodniku „Gatunki stali” pokazano, w jaki sposób składy są pogrupowane w rodziny, które użytkownicy określają i nabywają. Artykuły „Specyfikacje stali” i „Normy stalowe” omawiają dokumenty i ramy regulacyjne, które określają granice składu i właściwości, a artykuł „Odpowiedniki stali” wyjaśnia, w jaki sposób na podstawie składu ocenia się, czy gatunki z różnych systemów są rzeczywiście zamienne. Razem łączą one skład z zależnymi od niego właściwościami, gatunkami, specyfikacjami, normami i równoważnością.
Skład stali to specyfikacja wszystkich pierwiastków obecnych w stopie stali, wyrażona w procentach masowych. Żelazo jest metalem podstawowym, a węgiel jest głównym pierwiastkiem stopowym, występującym w ilości do 2,1% mas. Dodatkowe pierwiastki, takie jak mangan, chrom, nikiel, molibden, wanad i niob, są dodawane celowo, natomiast fosfor i siarka występują jako kontrolowane zanieczyszczenia.
Węgiel ma większy wpływ na właściwości stali niż jakikolwiek inny pojedynczy pierwiastek. Decyduje on o twardości, wytrzymałości na rozciąganie, reakcji na obróbkę cieplną oraz spawalności. Wraz ze wzrostem zawartości węgla wzrasta wytrzymałość, ale maleje plastyczność i spawalność.
Ekwiwalent węgla to wartość obliczeniowa, która uwzględnia zawartość węgla oraz ważone udziały innych pierwiastków stopowych. Jest ona wykorzystywana przez inżynierów spawalników do oceny wymagań dotyczących podgrzewania wstępnego oraz ryzyka pękania wodorowego; wartość tę wywodzi się bezpośrednio z certyfikatu składu materiału. Szczegółowe wytyczne będą dostępne w przewodnikach inżynieryjnych Total Materia.
Analiza partii pochodzi ze stopionej stali i odzwierciedla skład całej partii. Analiza wyrobu pochodzi z gotowego produktu i może nieznacznie się różnić ze względu na segregację podczas krzepnięcia. Wyniki obu analiz są podane w certyfikacie badania materiału i porównywane z wartościami granicznymi określonymi w obowiązującej normie dotyczącej stali.
Do stali dodaje się pierwiastki stopowe w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych, fizycznych oraz odporności na korozję. Węgiel zwiększa twardość i wytrzymałość, mangan poprawia hartowność, chrom zwiększa odporność na korozję i zużycie, nikiel poprawia wytrzymałość na uderzenia, molibden zwiększa wytrzymałość w wysokich temperaturach, a wanad i niob udoskonalają strukturę ziarna i zwiększają wytrzymałość. Połączenie i równowaga tych pierwiastków decydują o ostatecznych właściwościach danego gatunku stali.