Сталь – характеристики, особенности и сферы применения

Без этого материала жизнедеятельность цивилизации индустриальной эпохи представить сложно. Сталь – самый «раскрученный» в мире сплав с железом в составе. Говоря о железных изделиях, декоре, конструкциях, подразумевают сталь.

Сталь

Что представляет собой

Сталь – материал, сопровождающий человека по жизни. Это корпус автомобиля, лезвие кухонного или охотничьего ножа, инструменты, остов конструкций, тысячи других изделий.

Она не относится к металлам – это сплав железа, углерода, марганца и других примесей-лигатур.

Основной металл стали – железо.

Содержание компонентов сплава – железо (45+%), углерод (0,2-2,14%), примеси (остальное). Они могли бы составить формулу вещества.

На пару с чугуном – продукт черной металлургии.

Ее оттенок стал эталоном цвета – стального.

История

Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

  • В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
  • Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
  • Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.

Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.

  • Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.

Особенности материала

Свойства стали не заложены природой, они определяются человеком.

Он решает, какой состав будет у материала, каким способом его получать, как дорабатывать:

  • Железо делает сплав пластично-вязким, его легко обрабатывать.
  • Углерод придает твердости, но его не бывает более 3,39% (иначе материал станет хрупким).
  • Для придания нужных характеристик основу обогащают легирующими добавками. Часто это цветные металлы. Например, хром делает ее жаропрочной, никель – вязкой и невосприимчивой к коррозии.

Доля легирующих присадок измеряется десятыми долями либо парой процентов, но физические и химические свойства конечного продукта меняются кардинально.

Фосфор, сера, свободный кислород, азот понижают порог пластичности и прочности. В процессе плавки их удаляют.

Свойства сплава определяются также методом выплавки – термообработка (закалка), горячий/холодный прокат, другие.

Сталь часто путают с чугуном. Это действительно самые близкие по свойствам и составу сплавы металлов.

Отличить сплавы позволяет процент углерода в составе: до 2,14 – сталь, больше – чугун.

Характеристики стали

  • Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
  • Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
  • Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
  • Температура плавления: 1450—1520 °C.
  • Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
  • Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C:
Хромоникельвольфрамовая сталь 15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь 22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь 41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30) 50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15) 54,4 Вт/(м·К)
Дюралюминиевая сталь 56,3 Вт/(м·К)
  • Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:
сталь Ст3 (марка 20) {\displaystyle 11{,}9\cdot 10^{-6}} 1/°C
сталь нержавеющая {\displaystyle 11{,}0\cdot 10^{-6}} 1/°C
  • Предел прочности стали при растяжении:
сталь для конструкций 373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая 1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая) 314—785 МПа
сталь рельсовая 690—785 МПа

Технология производства

Получение сплава предусматривает переработку чугуна. При этом ненужные составляющие отжигают, заменяя их элементами-лигатурами.

Процесс проводится на металлургическом комбинате по следующим технологиям:

  • Мартеновский способ. Смесью чугуна с рудой загружают мартеновскую печь. Для отжига излишков углерода плавят при 2050°С, вводят лигатуры. Продукт (сталь) разливают по емкостям, отправляют на прокатку. Способ считается устаревшим.
  • Кислородно-конвертерный. Сквозь массив чугуна пропускают поток воздуха либо воздушно-кислородной смеси. Цель – быстрее и полнее отжечь содержимое.
  • Электроплавка. Сырье плавится при 2210°С. Печь закрыта, поэтому «загрязнение» сплава газами исключено. Метод затратен, применяется для получения элитного продукта.
  • Прямой. Для продувки окатышей из железной руды печь нагревают до 1060°С. Используется аммиачно-кислородная смесь плюс угарный газ, образованные при сгорании природного газа.
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод, область стали помечена синим
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод, область стали помечена синим

Для получения материала с повышенными характеристиками термообработку продолжают. Способ получения предусматривает закалку, цементацию, азотирование (аккумулирование углерода либо азота на поверхности для увеличения износостойкости), цианирование («накачка» внешнего слоя азотом для ускорения процесса), другие операции.

Разновидности некоторых сталей

Марки стали Термообработка Твёрдость (сердцевина-поверхность)
35 нормализация 163—192 HB
40 улучшение 192—228 HB
45 нормализация 179—207 HB
45 улучшение 235—262 HB
55 закалка и высокий отпуск 212—248 HB
60 закалка и высокий отпуск 217—255 HB
70 закалка и высокий отпуск 229—269 HB
80 закалка и высокий отпуск 269—302 HB
У9 отжиг 192 HB
У9 закалка 50—58 HRC
У10 отжиг 197 HB
У10 закалка 62—63 HRC
40Х улучшение 235—262 HB
40Х улучшение+закалка токами выс. частоты 45-50 HRC; 269—302 HB
40ХН улучшение 235—262 HB
40ХН улучшение+закалка токами выс. частоты 48-53 HRC; 269—302 HB
35ХМ улучшение 235—262 HB
35ХМ улучшение+закалка токами выс. частоты 48-53 HRC; 269—302 HB
35Л нормализация 163—207 HB
40Л нормализация 147 HB
40ГЛ улучшение 235—262 HB
45Л улучшение 207—235 HB
65Г

HB — твёрдость по Бринеллю, HRC — твёрдость по Роквеллу.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Трансформаторная сталь

Достоинства стали:

  1. Прочность, твердость.
  2. Вязкость, упругость.
  3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
  4. Износостойкость, долговечность.
  5. Распространенность сырья.
  6. Простота, рентабельность производства.
  7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

  1. Массивность.
  2. Беззащитность перед коррозией.
  3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.

Классификация

Разнообразие составов обусловило необходимость упорядочивания материала. Классификация ведется по нескольким основаниям.

По химическому составу

Самое крупное деление, подразумевает углеродистые и легированные стали.

Углеродистые

Характеристики углеродистых сталей определяет углерод. В зависимости от его количества различают три вида с разной структурой: мало-, средне, высокоуглеродистые – соответственно, до 0,30; 0,30-0,70; 0,70+% углерода.

Углеродистая сталь
Углеродистая сталь

Самая известная углеродистая разновидность – черная сталь. Бывает холодно- либо горячекатаной. Виды продукции: фасонная, сортовая, широкополосная, листовая сталь, катанка. Этот сплав обычных кондиций ценится машиностроителями как конструкционный материал номер один.

Легированные

Легированные – стали с элементами, добавленными для получения заданных характеристик.

Классификация базируется на совокупном объеме легирующих добавок (кроме марганца и фосфора). В зависимости от этого различают низко-, средне- либо высоколегированные стали, с, соответственно, до 2,5; 2,5-10; 10+% примесей.

Добавками служат хром, никель, молибден, другие цветные металлы.

Самая известная легированная сталь – нержавейка. По составу это хромистая либо хромо-никелевая смесь (хрома – до 26,9%).

По сфере применения

Свойства стали позволяют выбрать материал для конкретных проектов:

  1. Строительные. Рядовые низколегированные сплавы, главное условие для которых – возможность сварки.
  2. Инструментальные. Высокоуглеродистый, высоколегированный материал для инструментов. Тепло-, износостойкий, прочный. Различают режущие, штампованные, для метрологического инструментария.
  3. Конструкционные. Материал с малым процентом марганца. Находит применение как основа узлов, конструкций.
Металлопрокат из стали
Металлопрокат из стали

Как разновидность конструкционных рассматриваются специальные стали: кислотоупорные, жаростойкие, жаропрочные.

Другие виды классификации: по структуре, способу производства, содержанию примесей.

Маркировка

Состав, способ производства обусловили маркировку сталей.

Материал делится на три группы:

  • Группа А включает семь марок стали – от Ст 0 до Ст 6. Чем больше цифра, тем лучше.
  • Группа Б – марки от БСт0 до БСт 6. Увеличение нумерации означает повышение планки прочности, текучести.
  • Группа В маркируется как ВСт.

В группе А регламентируются механические характеристики, у группы Б в приоритете состав, для сегмента В важны обе шкалы.

Стоимость

Материал оценивают традиционно: по степени обработки, виду продукции, марке, настроению рынка.

Мировую цену определяет Лондонская биржа металлов. Так, в начале июня 2021 года за тонну условной стали здесь давали $506.

Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака

Знак Зодиака мужчины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы

Знак Зодиака женщины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы


Рейтинг автора
Автор статьи
Петрова Вероника Александровна
Мне 36 и я специалист в области минералогии. Сейчас я в декрете и всё свободное время посвящаю самоцветам. В этом блоге я делюсь информацией про камни и их свойства — присоединяйтесь, задавайте вопросы и пишите комментарии!
Написано статей
457
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: