Что такое сталь

В статье мы рассмотрим, что такое сталь, расскажем про состав стали, о том, как его компоненты влияют на её свойства. В своём первозданном состоянии железо представляет собой не особенно твёрдое вещество, которое при контакте с окружающей средой начинает быстро ржаветь и относительно легко деформируется, чугун же содержит большое количество углерода и отличается повышенной хрупкостью, поэтому одна из основных задач металлургии состоит в том, чтобы создать сплав стали, максимально раскрывающий преимущества указанного элемента и нивелирующий его недостатки.

Сталь определение

Принято считать, что сталь это сплав железа с содержанием углерода до 1,6%. Также в состав материала могут входить кремний, марганец, азот, олово, сера, фосфор и ряд других элементов. Чтобы придать стали нужные характеристики, в процессе плавления к металлу добавляют специальные легирующие компоненты, влияющие на его физические и химические свойства.

На начальном этапе производства сталь проходит процедуру очистки от избыточного углерода и снижающих качество сплава примесей. Процесс плавки осуществляется в специальных металлургических установках, таких как доменные и мартеновские печи, конвекционные установки, электродуговые или индукционные системы.

Чёрная металлургия выпускает множество марок и типов стали, предназначенных для использования в самых разных отраслях промышленности. Несмотря на то что, эти марки могут значительно различаться своими эксплуатационными характеристиками, все они попадают под приведённое выше определение стали. Давайте рассмотрим различные способы классификации сталей.

Классификация сплавов стали

Она может быть проведена по следующим критериям:

1. По составу. Сплавы стали содержат разное количество углерода и легирующих добавок, что влияет на их кристаллическую структуру;
2. По назначению. В соответствии с ним стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные виды;
3. По методу раскисления. Существует кипящая, полуспокойная и спокойная сталь;
4. По структуре. Отожжённые и нормализованные стали. Отожжённое состояние может иметь форму доэвтектоидного, эвтектоидного, заэвтектоидного, ледебуритного, аустенитного или ферритного сплава;
5. По свойствам. Легирующие добавки придают сплавам особые качества, например, твёрдость, жаропрочность, устойчивость к кислоте, нейтральность и морозостойкость.

Классификация стали по химическому составу

Углеродистая сталь. Эта категория включает стали, основной добавкой которых является углерод, тогда как другие примеси содержатся в минимальном количестве. В зависимости от содержания углерода, углеродистые стали делятся на следующие типы:

• Низкоуглеродистая сталь. Сплав содержит до 0,25% углерода.Обладает высокой пластичностью и мягкостью, сваривается без возникновения внутренних напряжений. Прочность такой стали можно повысить методом цементации, когда дополнительный углерод вводится в поверхностный слой, например, посредством закалки в масле. Основное применение такой стали в Москве, да и вообще в мире, — производство сложных штампованных, сварных и гнутых конструкций;
• Среднеуглеродистая сталь. Сплав содержит от 0,26% до 0,6% углерода. Свойства материала можно изменять посредством термической обработки, включая отпуск и последующую закалку для достижения высокой прочности. При сварке необходимо учитывать изменение свойств металла в зоне нагрева. Используется для создания ответственных деталей, подверженных значительным нагрузкам;
• Высокоуглеродистая сталь. Сплав содержит от 0,6% до 1,5% углерода.После закалки приобретает высокую упругость и прочность, что делает материал подходящим для изготовления пружин и режущих инструментов. Для сварки мало подходит т. к. в её процессе возникают значительные внутренние напряжения, способные привести к образованию трещин.

Легированная сталь. В ней в качестве добавок используются хром, марганец, никель, молибден, ванадий, бериллий, ниобий и другие элементы. В зависимости от количества примесей делится на три группы:

• Низколегированную. Имеет в составе менее 2% присадок;
• Среднелегированную. До 10% присадок;
• Высоколегированную. Содержит 11% и более присадок.

Каждая добавка оказывает своё воздействие на свойства сплава. Например:

• Хром (более 14%) придаёт стали антикоррозийные свойства;
• Никель увеличивает вязкость и снижает магнитные свойства;
• Марганец, хром, титан и вольфрам повышают прочность.

Другие присадки могут улучшить жаропрочность, стойкость к кислотам и щелочам, а также морозостойкость.

Классификация стали по назначению

Конструкционная сталь. Содержит минимальное количество легирующих элементов, а содержание углерода обычно не превышает 0,25%. Легко поддаётся сварке, обладает высокой пластичностью и отлично обрабатывается различными механическими способами: точением, фрезеровкой и штамповкой. Важным преимуществом конструкционной стали является отсутствие трещин и дефектов при длительной эксплуатации. Из неё изготавливают ангары, опалубку, цистерны, элеваторы, мосты, водопроводы и многое другое.

Инструментальная сталь. Предназначена для производства рабочих инструментов, от чего и происходит её название. Характеризуется повышенной износостойкостью. Материал устойчив к агрессивным средам и колебаниям температуры. Отдельную категорию представляют медицинские сплавы, отличающиеся прочностью и нейтральностью. Различные комбинации компонентов дают возможность изготавливать высокоточные измерительные приборы, режущие элементы, штампы и т. д.

Специальные стали. Создаются для работы в специфических условиях, таких как высокие температуры или агрессивные среды. Примером может служить реактор с кислой средой или печь, температура которой превышает 1000°C. Для таких целей применяются специальные сплавы, обладающие исключительной стойкостью к экстремальным условиям. Кроме жаростойких, к специальным сталям относятся сплавы с высокой устойчивостью к многократно происходящим деформациям, морозостойкостью (способностью сохранять прочность при температуре ниже -60°C).

Классификация по структуре

В соответствии с ней сталь бывает двух основных типов:

• Отожжённые. Так называют стали, которые нагревают выше точки кристаллизации и медленно охлаждают. В результате они приобретают одну из шести возможных структур: доэвтектоидную, эвтектоидную, заэвтектоидную, ледебуритную, аустенитную или ферритную;
• Нормализованные. Эти стали подвергаются естественному охлаждению. Они могут быть ферритными, перлитными, мартенситными или аустенитными. Производство нормализованной стали обходится дешевле.

Классификация стали по свойствам

Добавление легирующих компонентов наделяет сталь уникальными свойствами, позволяющими выделять различные группы сплавов.

Стали с высокой твёрдостью. Их используют для изготовления зубчатых передач, валов, рессор, пружин, подшипниковых обойм, сварных конструкций высокой ответственности, матриц и пуансонов. Высокая твёрдость этих сталей обеспечивается увеличенным количеством углерода и специальными легирующими элементами, такими как вольфрам, кремний, титан, марганец и хром.

Жаропрочные сплавы. Жаропрочность или окалиностойкость означает способность стали выдерживать длительную эксплуатацию при предельно высоких температурах. В таких условиях происходят изменения внутренней структуры и ускоряется коррозионный процесс. Для предотвращения этого в сталь вводят хром, алюминий и кремний. Высокое содержание хрома обеспечивает антикоррозийные свойства.

Кислотостойкие стали. Обычная сталь при взаимодействии с азотной, серной, соляной, фосфорной и другими кислотами теряет свою целостность. Добавление хрома, марганца и никеля делает сплав устойчивым к ним даже при критически высоких температурах. Кислотостойкие трубы и листы из нержавейки используют для создания химических реакторов и систем доставки агрессивных жидкостей.

Пищевая сталь. Важно, чтобы металл не изменял при контакте с собой свойства продуктов. Для этого выпускаются стальные нержавеющие пищевые листы и трубы. Используется для производства оборудования, посуды, столовых приборов и ёмкостей. Химическая нейтральность достигается тщательной очисткой железа и введением в сплав никеля, хрома, марганца, титана и других элементов.

Морозостойкие стали. При температуре ниже -30°C обычные стали становятся чрезвычайно хрупкими и не годятся для эксплуатации на Крайнем Севере. Чтобы добиться устойчивости к низким температурам, железо с содержанием углерода менее 0,2% легируют такими элементами, как ванадий, алюминий, ниобий и титан. В составе также могут иметься азот, никель, молибден и хром.