Ключевым достоинством стали является её высокая прочность, которая в сочетании с доступностью сырьевых материалов и элементарными производственными процессами определяет её лидерство среди сплавов. Это сочетание свойств делает стальные сплавы незаменимыми в различных отраслях экономики. На сегодняшний день невозможно найти сектор, в котором сталь не играла бы значительную роль в качестве основного строительного материала.
Сталь
Сталь представляет собой сплав, содержащий не менее 45% железа с добавлением углерода и легирующих элементов. Она делится на различные типы в зависимости от содержания углерода и других компонентов. Например, феррит — это твердый раствор углерода в железе с альфа-кубической решеткой, а шы остенит — тот же раствор, но с кубической решеткой с центрированным атомом.
В структуре стали можно выделить несколько важных фаз, таких как цементит, который является карбидом железа (Fe3C), и графит — стабильная фаза, содержащая высокий уровень углерода. Ледевурит, который представляет собой смесь кристаллов цемента и остенита, преобразуется в перлит при охлаждении, добавляя разнообразия в свойства стали. Мартенсит — это перекаленный твердый раствор углерода в железе, который проявляет иную структуру, чем феррит и остенит, предоставляя уникальные механические свойства.
Среди чугунов можно выделить белый чугун, который характеризуется ярко выраженной хрупкостью из-за отсутствия графита, в отличие от серого чугуна, где графит присутствует в виде пластин. Гибкий чугун содержит графит в виде хлопьев и образует прочную структуру, в то время как высокопрочный чугун имеет графит в форме сфероидов, что повышает его механические характеристики.
Сталь (от слова Stahl, Германия) — это сплав углеродистого железа с другими элементами, который отличается адекватной трансформацией (твердым раствором). Содержание углерода в углеродистых сталях не превышает 2,14%. Углеродный компонент в сплаве придаёт ему прочность и жёсткость, одновременно снижая крихкость и увеличивая долговечность материала.
По сути, сталь — это сплав, который может включать в себя углерод и легирующие элементы (например, хром, никель), что позволяет классифицировать её, в том числе на основе таких категорий, как шрамовая сталь и высоколегированная сталь. Некоторые легирующие элементы могут вводиться для достижения специфических характеристик металла.
Содержание
Сталь является ключевым строительным материалом для множества отраслей, включая машиностроение, транспорт, строительство и другие промышленные сектора.
Высокомодульные стали находят широкое применение в машиностроении и производстве приборов. Они используются, например, для изготовления пружин, амортизаторов и других компонентов механики, таких как мембраны, релейные пластинки и печные элементы.
Пружины и их компоненты имеют различные размеры и формы, что определяет их специфические свойства и условия эксплуатации. Они должны оставаться упругими и не деформироваться под воздействием значительных статических, циклических или ударных нагружений. Поэтому все пружинные сплавы должны обладать высокой стойкостью к малым пластическим деформациям. Когда действуют кратковременные статические нагрузки, устойчивость к малой пластической деформации проявляется в упругом ограничении. В случаях длительных статических или циклических нагрузок появляется необходимость рассматривать упругие характеристики материала в более широком контексте.
Классификация
Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Быстрорежущая сталь представляет собой подкатегорию инструментальной стали, используемую для резания материалов.
Согласно химическому составу, стали разбиваются на углеродистые и легированные. Углеродистые сплавы классифицируют как низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (от 0,3% до 0,55%), высокоуглеродистые (от 0,6% до 2%) с добавлением легирующих элементов. Легированные стали делятся на низколегированные (с до 4% легирующих элементов), среднелегированные (до 11%) и высоколегированные (более 11%).
Количество неметаллических включений в стали также варьируется в зависимости от технологии производства, что служит основой для классификации сталей по качеству — от нормального до очень высокого.
Структура стали может состоять из различных компонентов, таких как аустенит, феррит, мартенсит, бейнит и перлит. Сплавы, в которых преобладают более одной из этих фаз, классифицируются как многофазные или дуплексные.
Некоторые легирующие элементы, такие как марганец и хром, значительно увеличивают прочность и твердость стали, в то время как никель придаёт ей устойчивость к высоким температурам и механическим повреждениям.
Сталь: виды, свойства, область применения
Стальные изделия проникли в повседневную жизнь современного человека так глубоко, что практически невозможно представить существование без металлических предметов. Особенно это касается посуды, мелких инструментов, различных приборов и оборудования, где зачастую нет необходимости знать марки сплавов, их классификации и специфики применения.
Однако информация о свойствах и типах стали становится крайне важной для людей, стремящихся построить собственное жильё и желающих понять, какие металлические изделия подойдут для этих целей. Поэтому стоит подробнее рассмотреть, что такое сталь, какие виды существую, и в каких сферах этот сплав получает своё применение, что мы и собираемся выяснить.
Что такое сталь, и её отличие от чугуна
Углеродистые сплавы железа, как правило, известны как стали. Содержание углерода в таких сплавах варьируется от 0,1% до 2,14%. Увеличение концентрации углерода делает сталь более хрупкой и менее устойчивой к механическим воздействиям. Поскольку в состав сплавов входят не только углерод, но и различные легирующие элементы, их также могут загрязнять вредные примеси, такие как сера и фосфор.
По своим основным свойствам сталь и чугун имеют схожие характеристики; в то же время, между ними имеются ключевые различия:
- Сталь, как правило, обладает большей прочностью и твердостью по сравнению с чугунами.
- Чугун легче по весу, несмотря на представляемую хрупкость.
- Стали также легче поддаются обработке, благодаря низкому содержанию углерода, тогда как чугун, как правило, предпочтительнее для литья.
- Чугунные изделия лучше сохраняют тепло, поскольку их теплопроводность ниже, чем у стали.
- Существует важный факт, что закалка — процесс, который повышает прочность металла, невозможен для чугуна.
Плюсы и минусы стальных сплавов
Хотя обсуждать преимущества и недостатки стали может показаться бессмысленным, поскольку она обладает множеством плюсов, стоит отметить, что свойства стали также зависят от используемой технологии производства и обработки, что может привести к значительной вариации её характеристик.
Среди общих преимуществ стали можно выделить:
- Долговечность и высокая прочность материала, обеспечивающего устойчивость к различным механическим нагрузкам;
- Способность выдерживать значительные статические и динамические нагрузки;
- Разнообразие методов обработки, позволяющее производить комплексные изделия;
- Долговечность и повышенная износостойкость по сравнению с другими металлами;
- Доступность сырья и экономическая эффективность в производственном процессе.
Однако, несмотря на все перечисленные плюсы, сталь имеет и свои недостатки;
- Она подвержена коррозии, особенно в условиях высокой влажности, что требует дополнительной защиты;
- Сталь — тяжёлый материал, что может приводить к увеличению веса конструкций;
- Производственные процессы стальной продукции могут варьироваться, и любое нарушение технологий на любом этапе может негативно отразиться на качестве конечного продукта.
Структура, состав и свойства сталей зависят от методов, используемых для их производства. Традиционные стали обрабатываются в открытых печах или конвертерах, и как правило, содержат значительные количества неметаллических примесей.
В то время как высококачественные сплавы производятся в электрических печах, что позволяет получать легированные стали с минимальным содержанием вредных примесей путем шлакования.
При создании стали из структуры сплава удаляется кислород через процесс раскисления, что также влияет на её свойства. Уровень удаления кислорода определяет, относится ли сталь к окисленным, полностью окисленным или полуокисленным.
Категория стали
Сталь является наиболее популярным сплавом среди черных металлов, но до сих пор не существует единый системы маркировки. Наиболее распространённой является буквенно-цифровая маркировка.
Высококачественные углеродистые стали обозначаются буквой «U» с двузначным числом (в сантиметрах), которое представляет количество углерода (например, U11). В обычных углеродистых сталях за буквой следует цифра (например, U8), показывающая содержание углерода в десятых долях сантиметра.
Буквы в маркировке легированных сталей указывают на основной элемент, используемый в сплаве, а следующее число показывает концентрацию этого элемента в стали. Цифра перед буквой соответствует содержанию углерода в сантиметрах.
Например, буква «А» в конце марки высококачественного сплава указывает на качество этого материала. Аналогично, буква «А» в середине марки обозначает основной легирующий элемент, здесь — азот, а первая буква марки говорит о том, что это армированная сталь.
Дефисная буква «Sch» в конце маркировки указывает на то, что это специальный высококачественный сплав, в то время как высококачественная сталь не содержит букв ‘A’ и ‘S’ в конце маркировки. Кроме того, существует дополнительная маркировка, сигнализирующая о специфических свойствах стали. Например, магнитные сплавы отмечены буквой «Е», а электрические — буквой «Э».
Буквенно-цифровая маркировка плотно внедрилась в удобство ориентирования для потребителей. Более сложные системы проработаны на уровне специалистов и менее распространены.
Сталь — это материал, который находит применение в жизни людей повсеместно, включая кузова автомобилей, кухонные и охотничьи ножи, инструменты, каркасные элементы зданий и множество других изделий.
Способы производства стали
Существует несколько методов производства стали, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества и недостатки. Выбор конкретного метода существенно влияет на характеристику получаемого материала. Основные методы производства стали охватывают следующие технологии:
- Метод Мартена. В этом процессе применяются специализированные печи, которые способны прогревать сырьё до температур около 2000°C. Этот метод также позволяет добавлять различные примеси, которые могут влиять на свойства получаемого сплава. Мартеновский процесс основывается на использовании ревербераторных печей.
- Метод электродуговой печи. В данном методе для получения высококачественного материала сталь производится в электрических печах. Использование электричества для нагрева сырья позволяет точно контролировать процессы окисления и формирования шлака. При этом важно обеспечить условия для образования шлака, а также контролировать наличие кислорода в среде. Данная технология позволяет существенно снизить содержание токсичных веществ, таких как фосфор и сера, в конечном продукте. Электродуговая сварка может осуществляться в различных средах: базовой, вакуумной и специфической атмосфере. Согласно исследованиям, электродные виды стали являются самыми качественными по сравнению с другими разновидностями. Эта технология используется для производства высококачественных легированных, жаропрочных и термостойких сталей. В процессе использования электрической энергии в качестве источника тепла применяются цилиндрические печи со сферическими основаниями, что повышает эффективность плавления. Эксплуатация электродуговых печей возможна только в условиях трехфазной системы.
- Технология кислородного конвертера. Этот метод включает в себя активное внедрение кислорода в процессе непрерывной разливки стали, что значительно ускоряет окислительные реакции. Эта технология может также использоваться для производства чугуна, и считается наиболее гибкой из всех доступных методов, позволяя получать металлы с различными свойствами.
Технологиями, аналогичными методу, используются для производства оцинкованной стали, что обусловлено тем, что через химико-термическую обработку изменяется качество поверхностного слоя.
Существует и множество других эффективных технологий производства стали. Например, современные методы, основанные на использовании индукционных вакуумных печей, а также плазменное склеивание стали.
Мартеновский способ
Суть Мартеновского процесса заключается в переработке чугуна и других отходов с использованием реверберационных печей. Производство различных типов стали на открытых площадках предполагает применение высоких температур, которые достигают за счёт сжигания различного топлива.
Рассматривая методы производства стали в открытых печах, стоит выделить несколько важных аспектов:
- Печи открытого типа оснащены системами, обеспечивающими подачу тепла и удаление продуктов сгорания;
- Топливо подаётся в камеру сгорания последовательно с правой и левой стороны. Это обеспечивает стабильное формирование пламени и поддержание высокой температуры на протяжении продолжительного времени;
- При загрузке в камеру сгорания подводится большое количество кислорода, что критически необходимо для окислительных реакций железа.
Груз в открытых печах остается внутри на протяжении 8-16 часов, во время которых печь поддерживает непрерывную работу. Процесс производства стали с каждым годом совершенствуется, что упрощает технологию и позволяет получать высококачественные металлы различных марок.
