Сталь - общие сведения

Сталь - общие сведения

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. Сталь — важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности.

Историческая справка. Сталь как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения Стали в тестообразном состоянии — сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой Стали древние мастера применяли тигельную плавку — расплавление мелких кусков Стали и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная Сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность — дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в т. н. кричном горне (двухстадийный процесс с получением чугуна и последующим переделом его в Сталь является основой и современных схем производства Стали. В конце 18 в. начало применяться пудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом — тестообразный металл (крица) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в Стали не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса , а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой Стали . В конце 19 в. начала применяться выплавка Стали в электрических печах. До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства Стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире Стали. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства Стали развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка , вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав,электроннолучевая плавка, плазменная плавка.

Структура и свойства стали. К Стали , как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок Стали ,отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент Стали — железо.Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и Стали. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки — кубическая объёмноцентрированная (a-железо, при более высоких температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная (g-железо).Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси Стали меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов. Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом. В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в Стали (предел растворимости углерода в g-железе2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в Стали всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe₃C, или цементит. Т. о., при комнатной температуре структура Стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом.
Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре Стали определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств Стали Так, Сталь , содержащая ~0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; Сталь этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. Сталь , в которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая Сталь служит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если Сталь содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта Сталь в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств Стали расширяется с помощью легирования, а такжетермической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке Стали образуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе,характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать Стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Классификация сталей. В современной металлургии Сталь выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; Сталь при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская Сталь ).

По химическому составу Стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая стальнаряду с Fe и С содержит Mn (0,1—1,0%) и Si (до 0,4%), а также вредные примеси — S и Р; эти элементы попадают в Сталь в связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов). В зависимости от содержания С различают низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С) Сталь . В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Со и др.), которые намеренно вводят в Сталь для улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств; легирующими элементами могут служить также Mn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%). По степени легирования (т. с. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10%) Стали. Легированные Стали часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая,хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению Стали делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и Стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные Стали могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы — Cr и Ni). Название конструкционной Стали может отражать её непосредственное назначение (котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.). Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8—1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных Сталей широкое распространение получила быстрорежущая сталь. К Сталям с особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, стали для постоянных магнитов и др. Для многих Сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству Стали обычно подразделяют на обыкновенные (рядовые), качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений.