Plienas

Plienas – geležies ir anglies lydinys kuriame yra iki 2 % anglies su 0,3–1,8 % mangano, 0,15–1,1 % silicio, iki 0,06 % sieros ir iki 0,07 % fosforo priemaišų. Gali būti naudojami legiruojantys priedai: chromas, nikelis, varis, molibdenas, titanas, niobis.

Pliene esant daugiau anglies, lydinys yra stipresnis, bet trapesnis ir sunkiau suvirinamas. Manganas didina kietumą, mažina plastiškumą. Silicis didina plieno stiprumą, blogina suvirinamumą ir atsparumą korozijai.

Plieno lydiniui žalingos priemaišos: siera, fosforas, azotas, deguonis. Siera ir deguonis greitina plieno mikropleišėjimą aukštoje temperatūroje. Fosforas ir azotas didina plieno trapumą, ypač žemoje temperatūroje, ir mažina plastiškumą šildant.
Pirmą kartą plienas buvo pagamintas Indijoje maždaug prieš 3000 metų.

Marteninis plieno gavybos būdas

Daugiau kaip 80 % plieno išlydoma marteninėse krosnyse, tai paaiškinama tuo, kad čia galima panaudoti plieno laužą ir išlydyti įvairiausios paskirties ir rūšies plieną. Marteninio proceso pradžia 1865 metai, kai prancūzų mokslininkai Martenai pastatė pusantros tonos talpos krosnį ir išlydė iš plieno ir ketaus geros kokybės plieną. Dabartinių krosnių talpa siekia iki 900 t.
Šiose marteninėse krosnyse lydymo procesas trunka 7-8 valandas. Marteninėse krosnyse išlydomas kokybinis, anglinis, konstrukcinis ir įrankinis plienas. Išlydytas plienas naudojamas valcuotiems ir kaltiems gaminiams.

Plieno gavyba elektrinėse krosnyse

Elektrinės krosnys metalui lydyti skirstomos į 3 rūšis: varžines, lankines ir indukcines. Plienai lydomi daugiausia lankinėse ir indukcinėse krosnyse, o spalvotieji metalai varžinėse. Pramonėje daugiausia paplitusios lankinės krosnys, nes jų konstrukcija ir eksploatacija nesudėtinga. Šiose krosnyse elektros energija paverčiama šilumine energija.

Plieno grupės

Atsižvelgiant į anglies ir legiruojančių priedų kiekį, išskiriamas mažaanglis plienas kuriame iki 0,25 % anglies, mažai legiruotas plienas kuriame iki 2,5 % legiruojančiųjų priedų ir visiškai legiruotas kuriame 2,5–10 % priedų.

Anglingas plienas

Tai plienas kuriame anglies kiekis sudaro nuo 0,5 iki 2-2,5 procento. Toks plienas išgaunamas tigliniu lydymo būdu, dažniausiai mažais kiekiais, kadangi jo gavybos kaštai keliolika kartų didesni. Anglinis plienas naudojamas išskirtinai įrankių gamyboje, dažniausiai tai būna rankiniai įrankiai – peiliai bei įvairūs ginklai ir įrankiai kur reikalingas didesnis lydinio kietumas. Rusijoje šis plienas vadinamas bulat, angliškai kalbančiose šalyse – wootz steel.
Kaip atskirą anglingų plienų grupę galima būtų išskirti vadinamus „damaskinius“ plienus, t. y. kompozitinius plienus, kurie gaunami kalviško suvirinimo būdu žaizdre suvirinant skirtingo anglingumo bei cheminės sudėties plienus. Paprastai tokiu būdu gaminami įrankiai ir instrumentai, taip pat ginklai. Šis gamybos būdas buvo labai paplitęs viduramžiais.

Austenitinis plienas

Austenitinis plienas – didžiausia plieno rūšių grupė, sudaranti apie 2/3 visos gamybos. Šis plienas austenitinės centruoto kubo kristalinės mikrostruktūros. Tokia struktūra pasiekiama lydinyje panaudojus pakankamai nikelio ir/ar mangano bei azoto. Taip pasiekiama stabili mikrostruktūra visame temperatūrų ruože nuo užšalimo iki lydymosi. Austenitinis plienas dėl to negali būti kietinamas grūdinant.
Ploni lakštai ir juostos gali būti sutvirtinami šalto apdirbimo procesais. Austenitinė mikrostruktūra suteikia puikias formavimo ir suvirinimo galimybes, neturi magnetinių savybių ir išlaiko lankstumą net kriogeninėse temperatūrose.

Mažaanglis plienas

Atsižvelgiant į paskirtį šis plienas skirstomas į tris grupes. A grupės su garantuotomis mechaninėmis savybėmis. Б grupės – su garantuota chemine sudėtimi ir B grupės – su garantuotomis mechaninėmis savybėmis ir su garantuota chemine sudėtimi. Statybinėms konstrukcijoms daugiausia vartojami B grupės plienai.
Plienas ženklinamas taip: pirmiausia nurodoma grupė (rašoma tik Б ar B, o A – nerašoma), po to – raidės Ст ir skaičius 3 (sąlyginis plieno numeris), deoksidacijos laipsnis nurodomas indeksais, o markės gale – kategorija. Šiuose plienuose padidintą mangano kiekį rodo raidė Г.
Plieno ženklinimas pagal GOST'ą 380-71 (Rusijos kokybės standartas).

Mažai ir vidutiniškai legiruotas plienas

Mažai ir vidutiniškai legiruoto plieno markėje nurodoma jo cheminė sudėtis. Pirmasis skaičius rodo anglies kiekį procento šimtosiomis dalimis, raidės priedus: Г – manganą, C – silicį, T – titaną, Д – varį, A – azotą, Ф – vanadį, H – nikelį, X – chromą, P – borą, M – molibdeną, П – fosforą. Skaitmuo už raidės rodo atitinkamo priedo apytikslį procentinį kiekį, jeigu jo daugiau kaip 1 % Jei prie raidės skaitmens nėra, tai šio komponento yra 0,3-1,0 %. Kai kokio nors priedo yra mažiau kaip 0,3 %, markėje jis nenurodomas.
Plieno ženklinimas pagal GOST 19281 (2)-73.

Plieno mechaninės savybės

Plieno mechaninės savybės ir cheminė sudėtis yra pagrindiniai rodikliai, pagal kuriuos sprendžiama apie plieno kokybę ir apie tai, ar jis atitinka paskirtį. Svarbiausios mechaninės savybės: stiprumas, tamprumas, plastiškumas, trapumas, patvarumas.
Plieno stiprumas nusakomas stiprumo riba σᵤ. Stiprumo riba vadinamas įtempimas, kurį sukelia didžiausia bandant pasiekiama apkrova, tenkanti pradiniam bandinio skerspjūviui.
Proporcingumo riba σₚᵣ yra didžiausias įtempimas, iki kurio deformacijos kinta proporcingai įtempimams (Huko dėsnis):
σ = Eε;
čia E = tg α – tamprumo modulis; α – diagramos pradinio posvyrio kampas; σ = N/A – tempiamo strypo įtempimai; N – ašinė jėga; A – skerspjūvio plotas; ε = (Δl/l)*100 % – santykinis strypo pailgėjimas; l – pradinis strypo ilgis; Δl – strypo ištįsimas.
Su proporcingumo riba beveik sutampa tamprumo riba σₑ, t. y. toks didžiausias įtempimas, kuriam esant dar neatsiranda liekamųjų (plastinių) deformacijų. Proporcingumo riba ir tamprumo moduliu apibūdinamas plieno tamprumas.
Takumo riba σy vadinamas įtempimas, kurį pasiekus, bandinio deformacija didėja nedidinant apkrovos.
Takumo riba ir santykiniu ribiniu ištįsimu εᵤ apibūdinamas plieno plastiškumas. Apie jį dar sprendžiama sulenkus šaltą bandinį (180° kampu).
Trapumas tai medžiagos savybė suirti, kai deformacijos mažos. Trapus suirimas yra pavojingas, nes konstrukcijos griūva staiga, be matomų deformacijų. Plieno trapumas didėja: mažėjant temperatūrai, esant įtempimų koncentracijai, veikiant daugkartinėms apkrovoms, pasireiškiant senėjimo reiškiniams. Plieno trapumui daro įtaką jo cheminė sudėtis ir gamybos technologija.

Plienas maitinimo industrijoje

Iš plieno gali būti gaminami tiek stalo įrankiai, tiek maisto ruošimo reikmenys ir kita virtuvės bei sanitarijos įranga, kur numatomas sąlytis su maistu. 

Dėl pakankamai aukštos temperatūrinės varžos grynas plienas mažiau efektyvus temperatūrai perduoti, todėl puodams bei keptuvėms dažnai naudojama trijų sluoksnių plienas-aliuminis-plienas konstrukcija. Toks sprendimas sumažina temperatūrinę varžą, pagerina temperatūros perdavimo efektyvumą, panaikina sąlyčio su aliuminiu riziką dėl mechaninių paviršiaus pažeidimų, išsaugo gaminio ilgaamžiškumą.
Maitinimo industrijoje labiausiai vertinamas austenitinis nerūdijantis plienas. Geriausios rūšys žymimos 18/8 ir 18/10. Skaičiai atitinkamai žymi chromo ir nikelio masės dalį lydinyje bei kitų priemaišų nebuvimą (pvz., 18/8 reiškia 18 % chromo ir 8 % nikelio masės dalies). Toks plienas pasižymi antibakterinėmis savybėmis, nekeičia maisto skonio ar kvapo, lengvai valomas, atsparus korozijai, labai tvirtas ir ilgaamžis.

Plačiai naudojamas ir 18/0 rūšies plienas, kuriame nikelio masės dalis <0,75 %. Tokio lydinio atsparumas korozijai mažesnis, tačiau jis vis dar pakankamai aukštos kokybės, geriau tinka turintiems alergiją nikeliui, tik reikalauja daugiau priežiūros.
Plienas tam tikrais atvejais gali kelti alerginių problemų dėl jame esančio nikelio ir chromo. Virš 85 °C temperatūroje iš plieno per reakciją su rūgštimis šie patenka į apdorojamą maistą. Patenkantis kiekis proporcingas sąlyčio temperatūrai ir trukmei: 2 valandas plieniniame inde apdorotoje vienoje vidutinėje maisto porcijoje paprastai aptinkama 20–40 % saugios suvartoti normos per parą.

Plieno pakartotinis perdirbimas

Plienas yra 100 % pakartotinai perdirbama žaliava. Vidutinis plieninis objektas sudarytas iš maždaug 60 % pakartotinai perdirbtų žaliavų, kuriose apie 40 % yra iš gyvavimo ciklą baigusių gaminių ir 60 % gamybos procesų atliekos.

Oficialios statistikos duomenimis, išsivysčiusiose šalyse vidutiniškai yra 80–180 kg naudojamo plieno vienam gyventojui ir apie 15 kg besivystančiose šalyse.
Yra šalutinė rinka, kurioje naudojamas mažiau vertingas pakartotinai perdirbtas plieno laužas, superkamas už ženkliai mažesnę kainą. Tai spiralės, sąvaržėlės, sąsagėlės, smeigtukai, spaustukai, įvairios įrišimo priemonės masinio tiražavimo gaminiams ir pan., kur nebūtina aukšta plieno kokybė bei ilgaamžiškumas.