Железоуглеродистые сплавы (стали)
Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. Сталь— важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства Стальв значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.
Структура и свойства стали. К Сталькак важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок Стальотличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент Сталь— железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и СтальДля чистого железа известны 2 кристаллические решётки — кубическая объёмноцентрированная (a-железо, при более высоких температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная (g-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси Стальменяют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов. Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом. В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в Сталь(предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в Стальвсегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe3C, или цементит. Т. о., при комнатной температуре структура Стальсостоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом. Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, перлита и аустенита) даёт диаграмма состояния сплавов Fe — С
Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре Сталь (сплав железа с углеродом) определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств Сталь. Так, Стальсодержащая ~0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; Стальэтого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. Стальв которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая Стальслужит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если Стальсодержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта Стальв закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств Стальрасширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке Стальобразуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать Стальтребуемое сочетание твёрдости и пластичности.
Классификация сталей. В современной металлургии Стальвыплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) Стальназывается кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; Сталь при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская Сталь )
По химическому составу Стальделятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с Fe и С содержит Mn (0,1—1,0%) и Si (до 0,4%), а также вредные примеси — S и Р; эти элементы попадают в Стальв связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов). В зависимости от содержания С различают низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С) СтальВ состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Со и др.), которые намеренно вводят в Стальдля улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств; легирующими элементами могут служить также Mn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%). По степени легирования (т. с. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10%) СтальЛегированные Стальчасто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).
По назначению Стальделят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и Стальс особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные Стальмогут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы — Cr и Ni). Название конструкционной Стальможет отражать её непосредственное назначение (котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.). Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. Стальэтой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8—1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных Стальширокое распространение получила быстрорежущая сталь. К Стальс особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, Стальдля постоянных магнитов и др. Для многих Стальэтой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.
По качеству Стальобычно подразделяют на обыкновенные (рядовые), качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений. Так, в некоторых Стальобыкновенного качества допускается содержание S до 0,055—0,06% и Р до 0,05—0,07% (исключение составляет автоматная сталь, содержащая до 0,3% S и до 0,16% Р), в качественных — не более 0,035% каждого из этих элементов, в высококачественных — не более 0,025%, в особо высококачественных — менее 0,015% S. Сера снижает механические свойства Стальявляется причиной красноломкости, т. е. хрупкости в горячем состоянии, фосфор усиливает хладноломкость — хрупкость при пониженных температурах.
По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую СтальПоведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из Сталькислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной Стальв изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — Сталькак бы «кипит». Полуспокойная Стальзанимает промежуточное положение между спокойной и кипящей СтальКаждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки Стальопределяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.