Что такое сталь?

Что такое раскисление

В процессе плавки в сплаве остается в небольшом количестве кислород. Чтобы снизить его содержание и восстановить железо применяют метод раскисления (реакция). Суть процесса заключается в добавлении соединений в расплавленное состояние металла. В процессе реакции освобожденный кислород начинает реагировать на углерод, появляется углекислый газ.

Итоговый сплав зависит от продолжительности реакции и раскислителей. По классификации это 3 вида стали:

Кипящая. В данной стали низкое качество, так как реакция короткая и выход готового продукта больше;
Спокойная. Обладает высоким качеством, но малый выход продукта, поэтому она дорогая.
Полуспокойная. Это средний вариант с оптимальными показателями качества и цены.

Разная степень раскисления маркируется буквенными обозначениями: «кп», «сп», «пс».

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.

Ссылки

Библиография

Эшби, Майкл Ф .; Джонс, Дэвид Райнер Ханкин (1992). Введение в микроструктуры, обработку и дизайн . Баттерворт-Хайнеманн.
Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-65653-4.
Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Сталь — Справочник по исследованиям и разработке материалов, том 1: основы . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1992, 737 p. ISBN 3-540-52968-3 , 3-514-00377-7 .
Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Сталь — Справочник по исследованиям и разработке материалов, Том 2: Приложения . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1993, 839 страниц, ISBN 3-540-54075-X , 3-514-00378-5 .
Смит, Уильям Ф .; Хашеми, Джавад (2006). Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-295358-6.

Классификация сталей по качеству

По качеству, то есть по способу производства и содержанию вредных примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы

Наименование стали	Описание
Обыкновенного качества (рядовые)	содержание серы S,%	Содержания фосфора P,%
менее 0,06	менее 0,07
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу — углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали Ст0, Ст3сп, Ст5кп. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.
Качественные	содержание серы S,%	Содержания фосфора P,%
менее 0,04	менее 0,035
Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Углероднстые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов
Качественные	содержание серы S,%	Содержания фосфора P,%
менее 0,04	менее 0,035
Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Углероднстые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов
Высоко-качественные	содержание серы S,%	Содер-жания фосфора P,%
менее 0,025	менее 0,025
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в злектропечах, а особо высокачественные в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШМ) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную частоту по неметаллическим включениям (содерданием серы и фосфора менее 0,03% и содержания газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА
Особовысоко-качественные	содержание серы S,%	Содер-жания фосфора P,%
менее 0,015	менее 0,025
Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему зффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в злектропечах и методами специальной злектрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,026% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 2ОХГНТР-III.

Конструкционные стали

Это, пожалуй, самый простой и понятный для обывателя признак. Различают конструкционные, инструментальные и специального назначения стали. Конструкционные принято разделять на:

Строительные – это углеродистые стали обыкновенного качества и представители низколегированного ряда. К ним предъявляется несколько требований, основное из которых – свариваемость на достаточно высоком уровне. Примером служат СтС255, СтС345Т, СтС390К, СтС440Д.
Из цементируемых делают изделия, которые работают в условиях поверхностного износа и параллельно испытывают динамические нагрузки. К ним относят малоуглеродистые стали Ст15, Ст20, Ст25 и некоторые легированные: Ст15Х, Ст20Х, Ст15ХФ, Ст20ХН, Ст12ХНЗА, Ст18Х2Н4ВА, Ст18Х2Н4МА, Ст18ХГТ, Ст20ХГР, Ст30ХГТ.
Для холодной штамповки используют прокат листвой из качественных низкоуглеродистых образцов. Таких как Ст08Ю, Ст08пс, Ст08кп.
Улучшаемые стали, которые подвергаются улучшению в процессе закалки и высокого отпуска. Это среднеуглеродистые (Ст35, Ст40, Ст45, Ст50), хромистые (Ст40Х, Ст45Х, Ст50Х, Ст30ХРА, Ст40ХР) стали, а также хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые и хромоникелевые.
Рессорно-пружинные имеют упругие свойства и сохраняют их длительное время, так как имеют высокую степень сопротивляемости к усталости и разрушению. Это углеродистые представители Ст65, Ст70 и стали легированные (Ст60С2, Ст50ХГС, Ст60С2ХФА, Ст55ХГР).
Высокопрочные образцы – те, которые имеют прочность в два раза большую, чем иные конструкционные стали, достигаемую термической обработкой и химическим составом. В основной массе это легированные среднеуглеродистые стали, например, Ст30ХГСН2А, Ст40ХН2МА, Ст30ХГСА, Ст38ХН3МА, СтОЗН18К9М5Т, Ст04ХИН9М2Д2ТЮ.
Шарикоподшипниковые стали отличаются особой выносливостью, высокой степенью износоустойчивости и прочности. К ним обязательно предъявляются требования по отсутствию разного рода включений. К этим образцам относятся высокоуглеродистые стали с содержанием хрома в составе (СтШХ9, СтШХ15).
Автоматные стали определение имеют следующее. Это образцы для использования при изготовлении неответственных изделий, таких как болты, гайки, винты. Такие запасные части обычно обрабатываются резанием. Поэтому основной задачей является повышение обрабатываемости деталей, чего добиваются введением в материал теллура, селена, серы и свинца. Такие добавки способствуют образованию при обработке ломкой и короткой стружки и уменьшению трения. Основные представители автоматных сталей обозначаются так: СтА12, СтА20, СтА30, СтАС11, СтАС40.
К коррозионностойким относят легированные стали с содержанием хрома около 12 %, поскольку он образует оксидную пленку на поверхности, препятствующую возникновению коррозии. Представителями этих сплавов являются Ст12Х13, Ст20Х17Н2, Ст20Х13, Ст30Х13, Ст95Х18, Ст15Х28, Ст12Х18НЮТ,
Износостойкие образцы применяют в изделиях, которые работают при абразивном трении, ударах и сильном давлении. Примером могут служить детали железнодорожных путей, дробильных и гусеничных машин, такая как Ст110Г13Л.
Жаропрочные стали могут работать при высоком нагреве. Их используют при изготовлении труб, газо- и паротурбинных запчастей. Это в основном высоколегированные малоуглеродистые образцы, имеющие обязательно в составе никель, которые могут содержать добавки в виде молибдена, нобия, титана, вольфрама, бора. Примером могут являться Ст15ХМ, Ст25Х2М1Ф, Ст20ХЗМВФ, Ст40ХЮС2М, Ст12Х18Н9Т, СтХН62МВКЮ.
Жаростойкие отличаются особой стойкостью против химических разрушений в воздухе, газовых и печных, окислительных и науглероживающих средах, но проявляют ползучесть при серьезных нагрузках. Представителями этого типа являются Ст15Х5, Ст15Х6СМ, Ст40Х9С2, Ст20Х20Н14С2.

Химический состав

Существует два способа деления стали по химическому составу. Определение, которое дают современные учебники, позволяет различать углеродистый и легированный материал.

Первый признак определяет сталь как малоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую, а второй – низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. Малоуглеродистым называют металл, который может включать согласно ГОСТу 3080-2005, помимо железа, следующие составляющие:

Углерод – до 0,2 %. Он способствует термическому упрочнению, за счет которого временное сопротивление и твердость повышается в два раза.
Марганец в количестве до 0,8 % активно вступает с кислородом в химическую связь и не допускает образование оксида железа. Металл лучше выдерживает динамические нагрузки и более податлив термическому упрочнению.
Кремний – до 0,35 %. С помощью него становятся лучше механические характеристики, такие как вязкость, прочность, свариваемость.

По ГОСТу определение стали в качестве малоуглеродистой дают металлу, который содержит, кроме полезных, целый ряд вредных примесей в следующем количестве. Это:

Фосфор – до 0,08 % отвечает за появление хладноломкости, ухудшает выносливость и прочность. Снижает ударную вязкость металла.
Сера – до 0,06 %. Она усложняет обработку металла давлением, увеличивает отпускную хрупкость.
Азот. Снижает технологические и прочностные свойства сплава.
Кислород. Снижает прочность и препятствует обработке инструментов при резке.

Следует отметить, что низко- или малоуглеродистые стали отличаются особой мягкостью и пластичностью. Они хорошо деформируются как в горячем, так и в холодном состоянии.

Определение стали среднеуглеродистой так же, как и ее состав, конечно, отличаются от материала, описанного выше. И самым большим различием является количество углерода, которое колеблется от 0,2 до 0,45 %. Такой металл имеет небольшую вязкость и пластичность наряду с отличными свойствами по прочности. Из среднеуглеродистой стали обычно изготавливают детали, применяемые при обычных силовых нагрузках.

Если же содержание углерода составляет свыше 0,5 %, то такая сталь называется высокоуглеродистой. Она имеет повышенную твердость, сниженную вязкость, пластичность, используется при штамповке инструмента и деталей методом горячего и холодного деформирования.

Помимо выявления имеющегося в стали углерода, определение характеристик материала возможно через находящиеся в ней дополнительные примеси. Если в металл, кроме обычных элементов, целенаправленно вводят хром, никель, медь, ванадий, титан, азот в химически связанном состоянии, то его называют легированным. Такие добавки снижают риск хрупкого разрушения, увеличивают коррозионную стойкость и прочность. Их количество и обозначает степень легирования стали:

низколегированная – имеет до 2,5 % легирующих добавок;
среднелегированная – от 2,5 до 10 %;
высоколегированная – до 50 %.

Что это значит? Например, повышение каких-либо свойств стали обеспечиваться следующим образом:

Добавление хрома. Позитивно действует на механические характеристики уже в количестве 2 % от общего объема.
Введение никеля от 1 до 5 % увеличивает температурный запас вязкости. И снижает хладноломкость.
Марганец работает так же, как и никель, хотя значительно дешевле. Однако способствует повышению чувствительности металла к перегреву.
Вольфрам — карбидобразующая добавка, обеспечивающая высокую твердость. Поскольку препятствует росту зерна при нагреве.
Молибден – дорогостоящая добавка. Которая повышает теплостойкость быстрорежущих сталей.
Кремний. Увеличивает кислотостойкость, упругость, окалиностойкость.
Титан. Может способствовать образованию мелкозернистой структуру, если сочетается с хромом и марганцем.
Медь. Повышает антикоррозионные свойства.
Алюминий. Увеличивает жаростойкость, окалийность, ударную вязкость.

Стальная промышленность

Производство стали (в млн. Тонн) по странам в 2007 г.

Сталелитейную промышленность часто считают индикатором экономического прогресса из-за решающей роли, которую сталь играет в инфраструктурном и общем экономическом развитии . В 1980 году в США было более 500 000 металлургов. К 2000 году число сталеваров упало до 224 000 человек.

Экономический бум в Китае и Индии вызвал значительное увеличение спроса на сталь. С 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года известность приобрели несколько индийских и китайских сталелитейных компаний, таких как Tata Steel (которая купила Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group . Однако по состоянию на 2017 год ArcelorMittal является крупнейшим производителем стали в мире . В 2005 году Британская геологическая служба заявила, что Китай является крупнейшим производителем стали, на долю которого приходится около одной трети мировой доли; За ними последовали Япония, Россия и США.

В 2008 году сталь начала торговаться как товар на Лондонской бирже металлов . В конце 2008 года в сталелитейной промышленности произошел резкий спад, который привел к множеству сокращений.

Использует

Рулон стальной ваты

Железо и сталь широко используются при строительстве дорог, железных дорог, другой инфраструктуры, бытовой техники и зданий. Большинство крупных современных сооружений, таких как и небоскребы, мосты и аэропорты, поддерживаются стальным каркасом. Даже в бетонных конструкциях для армирования используется сталь. Кроме того, он широко используется в крупной бытовой технике и автомобилях . Несмотря на рост использования алюминия , он по-прежнему остается основным материалом для кузовов автомобилей. Сталь используется во множестве других строительных материалов, таких как болты, гвозди и шурупы, а также в других бытовых товарах и кухонных принадлежностях.

Другие распространенные приложения включают судостроение , трубопроводы , добычи , оффшорное строительство , аэрокосмическую , предметы домашнего обиход (например , стиральные машины ), тяжелое оборудование , такие как бульдозеры, офисную мебель, стальную стружку , инструмент и броней в виде личных бронежилетов или брони транспортного средства (более известных как прокатанная гомогенная броня в этой роли).

Исторический

Нож из углеродистой стали

До внедрения процесса Бессемера и других современных производственных технологий сталь была дорогой и использовалась только там, где не было более дешевой альтернативы, особенно для режущих кромок ножей , бритв , мечей и других предметов, где требовалась твердая и острая кромка. Он также использовался для пружин , в том числе используемых в часах .

С появлением более быстрых и экономичных методов производства сталь стало легче получать и она стала намного дешевле. Он заменил кованое железо для множества целей. Однако доступность пластмасс во второй половине 20-го века позволила этим материалам заменить сталь в некоторых областях применения из-за их более низкой стоимости изготовления и веса. Углеродное волокно заменяет сталь в некоторых не требующих больших затрат областях применения, таких как спортивное оборудование и автомобили высокого класса.

Длинная сталь

Стальной мост

Стальной пилон, на котором подвешены воздушные линии электропередачи

В качестве арматурных стержней и сетки в железобетоне
Железнодорожные пути
Конструкционная сталь в современных зданиях и мостах
Провода
Вход в приложения для перековки

Нержавеющая сталь

Из нержавеющей стали , соусник

Столовые приборы
Правители
Хирургические инструменты
Часы
Пушки
Железнодорожный пассажирский транспорт
Таблетки
Мусорные баки
Украшения для пирсинга
Недорогие кольца
Компоненты космических аппаратов и космических станций

Низкофоновая сталь

Сталь , изготовленная после Второй мировой войны стала загрязнен с радионуклидами по ядерному оружию тестирования . Низкофоновая сталь, сталь, произведенная до 1945 года, используется для некоторых чувствительных к радиации приложений, таких как счетчики Гейгера и радиационная защита .

Что такое конструкционная сталь

К механизмам и конструкциям, используемым на предприятиях обрабатывающей промышленности и строительстве, предъявляются высокие требования по качеству и стойкости. По этой причине металл для их производства должен обладать особыми технологическими свойствами для обеспечения безаварийной эксплуатации в различных условиях окружающей среды. Этим требованиям соответствует группа конструкционных сталей, представители которой наделены заданными параметрами химических, физических и механических свойств.

Состав конструкционных сплавов содержит набор полезных добавок – железо, марганец, медь, кремний и другие элементы, но основным параметром, определяющим все свойства стального проката, является углерод. Увеличение содержания углерода в сплаве повышает прочность металла и порог его хладноломкости, что позволяет стальным конструкциям выдерживать суровые климатические условия, а также высокие промышленные нагрузки.

На начальном этапе классификации семейство конструкционных сплавов разграничивают на две крупные категории:

сталь углеродистая качественная;
легированная качественная.

На качество углеродистых сталей влияет содержание в них вредных добавок:

фосфор (P) наделяет металлопрокат способностью к растрескиванию и поломкам по ходу механической обработки (холодной);
сера (S) способствует трещинообразованию под действием высокого давления во время горячей обработки (спектр красного каления).

Маркировка

С учетом вредных примесей, маркировка конструкционных сплавов выделяется некоторыми особенностями:

конгломераты обыкновенного качества, содержащие до 0,05 % вредных добавок, маркируют обозначением «Ст»;
качественный металл, содержащий максимум 0,035% серно-фосфорных примесей, имеет маркировку «Сталь»;
высококачественное металлическое сырье, содержащее до 0,025 % примесей, снабжают завершающей буквой «А»;
особовысококачественные с 0,015 % фосфора и серы маркируют конечной буквой «Ш».

Исходя из сферы применения металлопроката, он бывает строительным (в основном низкоуглеродистый тип) и машиностроительным (средняя и низкоуглеродистая категория). Среднеуглеродистую конструкционную сталь (0,25-0,55 % серы) используют в машиностроении благодаря хорошему сочетанию механических свойств после термической обработки. Металл с низким содержанием углерода применяют для строительных работ по причине хорошей степени свариваемости, низкой склонности к старению.

Что означает маркировка стали

По маркировке стали можно легко определить ее назначение, химический состав, метод производства и некоторые другие параметры, иными словами, произвести исчерпывающую классификацию.

Если его больше одного процента, используют две цифры, если меньше — то одну, и значение показывается в десятых долях.

Пример расшифровки маркировки стали

Далее идут группы, обозначающие тип и содержание легирующих присадок

Буквенные коды элементов можно посмотреть здесь: буквенные обозначения легирующих присадок

Если содержание элемента больше одного процента, то указывается содержание в процентах, если меньше — остается только буква.

В конце кода может быть добавлена буквы А или АА, обозначающая содержание фосфора и серы и соответствующая качественным и высококачественным категориям.

Маркировка нержавеющей сварочной проволоки

Добавляют также и буквы, указывающие на степень раскисления:

кп — кипящая;
пс — полуспокойная;
сп — спокойная.

В США и Западной Европе, а также в Китае и Японии приняты свои способы классификации и маркировки сталей. Таблицы соответствия содержатся в марочниках.

Структура стали

Внутреннее строение называется структурой. Она может изменяться от термической обработки или механических нагрузок. Размеры зерен и их форма обуславливаются составом и легирующими добавками, а также технологией изготовления и изменениями температурных показателей (фазы). Фазы делятся на температурные диапазоны, которые могут меняться от легирующих компонентов. Есть несколько основных фаз строения металла.

Перлит, состоящий из феррита и карбида в равных долях. Он образуется в процессе медленного охлаждения (до +727) аустенита (сплав никеля).
Аустенит – фаза с температурным режимом до +1400.
Мартенсит. Фаза с пересыщенным раствором углерода, характерная для закаленных сталей.
Феррит. Фаза состоит из твердорастворного углерода.
Бейнит – фаза, образующаяся при резком охлаждении аустенита до +500.

Фазы указывают на строение металла, его физические качества и от которых зависит класс стального сплава: литейный, инструментальный и др.

Сталь. Определение.

Все мы привыкли считать, что есть чугун и есть сталь. Однако, если ознакомиться с технологическим процессом производства стали, то мы поймём, что сталь является продуктом переработки чугуна. Общепринятое определение – сталь является сплавом железа и углерода с содержанием последнего в пределах 0,1 – 2,14%. Причём, чем меньше доля углерода, тем лучше свариваемость стали и хуже восприимчивость к термообработке

Условия применения стали предъявляют самые разнообразные требования к её физико-химическим свойствам. В связи с этим в состав сплава могут вводиться различные лигатуры, уменьшая долю железа. Поэтому существует уточнённое определение стали – это сплав железа и углерода, но при этом массовая доля железа должна составлять не менее 45%.

Наличие в сплаве железа, углерода и легирующих элементов в тех или иных долях определяет принадлежность стали к какому-либо классу.

Что такое сталь, и её отличие от чугуна

Железоуглеродистый сплав — это и есть всем известная сталь. Обычно доля углерода в сплаве варьируется от 0,1 до 2,14%. Увеличение концентрации углерода делает сталь хрупкой. Кроме основных компонентов в сплаве содержатся и небольшие количества магния, марганца и кремния, а так же вредных серных и фосфорных примесей.
По основным свойствам сталь и чугун очень схожи. Несмотря на это между ними существуют значительные различия:

сталь более прочный и твёрдый материал, нежели чугун;
чугун, несмотря на обманчивую массивность чугунных изделий, более лёгкий материал;
поскольку в составе стали ничтожно малый процент углерода, её легче обрабатывать. Для чугуна более предпочтительна отливка;
изделия из чугуна лучше сохраняют тепло, благодаря тому, что его теплопроводность значительно ниже чем у стали;
закалка металла, повышающая прочность материала, невозможна в отношении чугуна.

Достоинства и несовершенства стальных сплавов

Поскольку марок стали огромное количество, а изделий из неё ещё больше, то говорить о плюсах и минусах стали бессмысленно. Тем более, что свойства металла во многом зависят от технологий изготовления и обработки.

Вследствие этого можно только выделить несколько общих преимущественных особенностей стали, таких как:

прочность и твёрдость;
вязкость и упругость, то есть способность не деформироваться и выдерживать ударные, статические и динамические нагрузки;
доступность для разных способов обработки;
долговечность и повышенная износоустойчивость в сравнении с другими металлами;
доступность сырьевой базы, экономичность производственных технологий.

К сожалению, стали свойственны и некоторые минусы:

неустойчивость к коррозии, в том числе высокий уровень электрохимической коррозии;
сталь — тяжёлый металл;
изготовление изделий из стали производится в несколько этапов, нарушение технологии на любом из них приводит к снижению качества.

Сталь: железо + углерод +