Сталь

Сталь – это сплав, в состав которого входит железо и углерод. В зависимости от сорта стали процентное содержание углерода составляет от 0,2% до 2,1% Углерод является самым распространенным материалом для легирования железа, к числу других легирующих элементов относятся марганец, хром, вольфрам и ванадий. Углерод и подобные ему вещества выступают в качестве отвердителя, предотвращают смещение атомов железа в кристаллической решетке. Изменяя количество легирующего вещества в стали, можно влиять на такие качества металла, как твердость, пластичность и прочность на разрыв. Сталь с высоким содержанием углерода может быть гораздо прочней и тверже, чем железо, но при этом менее вязкой.

Сплавы с высоким содержанием углерода, к примеру, чугун в отличие от кованого железа, которое содержит минимальное количество углерода в виде шлаков, имеет более низкую температуру плавления. Два главных отличительных качества стали – это возможность сварки и низкая сопротивляемость ржавчине. Хотя сталь умели делать и до эпохи Возрождения, но широкое распространение она получила только после того, как в 17 веке были разработаны эффективные методы ее производства. После того как в середине 19 века был открыт бессемеровский процесс, сталь обрела статус недорогого серийного материала. В дальнейшем этот процесс был усовершенствован, что позволило снизить стоимость и повысить качество металла.

В наше время сталь является одним из самых распространенных материалов в мире, ее выпуск составляет более 1300 миллионов тонн продукции в год. Сталь применяют в строительстве зданий и объектов инфраструктуры, а также в производстве кораблей, автомобилей, машин, станков, механизмов и оружия. Сталь может быть различных марок, которые устанавливают различные организации по стандартизации.

Перспективы

До того, как был изобретен бессемеровский процесс производства стали, сталь считалась дорогим материалом, и применялась только там, где не существовало более дешевой альтернативы. Из нее делали лезвия ножей, бритвы, мечи и другие предметы, в которых был важен острый край. С появлением массового и экономичного способа производства стали, ее стоимость снизилась. Сталь заменила кованое железо. Когда во второй половине 20-го века появилась пластмасса, она в некоторых моментах смогла заменить сталь, поскольку стоит на порядок дешевле.

Производство стали

Когда железо выплавляют из руды в коммерческих целях, содержание углерода в нем выше, чем хотелось бы. Для того чтоб оно превратилось в сталь, его необходимо расплавить и снизить содержание углерода, после чего добавить другие элементы. Из полученной таким образом жидкости делают непрерывные литые заготовки или литые слитки. Около 96% стали выпускается в форме непрерывных литых заготовок, и лишь 4% приходится на литые слитки. В последствии из стали делают горячекатаный или холоднокатаный листовой металл, а также  горячекатаную и холоднокатаную проволоку, пруток, полосу и т.д. Все операции на современном литейном предприятии производятся на одном конвейере, куда помещают руду, а на выходе получают готовый прокат. Иногда, но довольно редко стальной прокат проходит термообработку, увеличивающую его прочность.

Термическая обработка стали

Существуют различные виды термической обработки стали. Наибольшее распространение среди них получили отжиг, закалка и отпуск. Отжиг происходит при высокой температуре, в результате чего металл становится мягче. Этот процесс проходит в три этапа: восстановление, перекристаллизация и рост зерна. Температура отжига зависит от типа отжига и компонентов сплава. Закалка и отпуск включает в себя нагрев стали до аустенитной фазы, после чего металл помещают в воду или масло. Быстрое охлаждение приводит к образованию твердой и хрупкой мартенситной структуры. Один из специализированных видов отжига (отпуска) позволяет преобразовать мартенсит в цементит или сфероидную структуру, снижающую внутренние напряжения, что в результате повышает пластичность и прочность материала.

Свойства материалов

Железо, как и большинство металлов, содержится в земной коре в виде руды, то есть в сочетании с другими элементами, такими как кислород или сера. К примеру, это могут быть такие железосодержащие минералы, включающие Fe2O3-формы оксида железа, как минеральный гематит или FeS2, вещество называемое пирит или «золото дураков». Железо извлекают из руды посредством удаления кислорода и добавления в его состав легирующих веществ, таких как углерод.

Этот процесс называют плавкой. Впервые он был применен к металлам с низкой температурой плавления, например к олову, которое плавится при температуре около 250 ° C и меди, которая плавится при температуре около 1000 ° C. Для сравнения, чугун плавится при температуре около 1370 ° C. Температуры плавления этих металлов люди умели достигать древними методами, которые применялись с бронзового века.

Поскольку скорость окисления увеличивается при повышении температуры, то плавку приходится выполнять в среде с низким содержанием кислорода. В отличие от меди и олова, жидкое железо легко растворяет углерод. Металл, содержащий очень много углерода, называют чугун. На следующем этапе обработки из, полученного металла удаляют различные примеси и избыток углерода.

Для того чтоб получить сталь с определенным набором свойств в смесь железа с углеродом добавляют другие элементы. Никель и марганец повышают прочность металла на растяжение, делая материал более химически стабильным. Хром повышает твердость металла и температуру плавления. А также он позволяет предотвращать коррозию, и в результате получается металл известный, как нержавеющая сталь. Ванадий увеличивает жесткость и снижает усталость металла. Вольфрам препятствует образованию цементита, что позволяет получить мартенситные характеристики стали, в результате делая ее быстрорежущей. Наличие серы, азота и фосфатов в стали, делает ее хрупкой, поэтому эти элементы удаляют из руды в процессе обработки.

Плотность стали изменяется в зависимости от легирующих компонентов, обычно она колеблется в пределах от 7,75 до 8,05 г/см3. Даже небольшие изменения состава смеси углерода и железа могут создавать различные структуры, обладающие разными свойствами. Это важно при производстве качественной стали.

Мартенсит – особая структура стали, которую получают путем термической обработки и быстрого охлаждения. Аустенит – это особая модификация сплавов, при которой атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки. Мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит, поэтому преобразование между ними приводит к изменению объема, в данном случае его увеличению. В результате возникают внутренние напряжения, за счет сжатия кристаллов мартенсита и напряженности остального феррита, с большой долей сдвига обоих компонентов. Эти внутренние напряжения могут привести к частичному разрушению, при охлаждении. Они являются также причиной наклепа и других микроскопических дефектов. При закалке могут образовываться трещины, которые в некоторых случая будут не видны глазу.