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 Сталь в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.
Структура и свойства стали. К Сталь как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок Сталь отличающихся 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 Сталь Для 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 Сталь меняют 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 Сталь всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe₃C, или цементит. Т. о., при комнатной температуре структура Сталь состоит 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, Сталь содержащая ~0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; Сталь этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. Сталь в которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая Сталь служит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если Сталь содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта Сталь в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств Сталь расширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке Сталь образуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать Сталь требуемое сочетание твёрдости и пластичности.
Классификация сталей. В современной металлургии Сталь выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) Сталь называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; Сталь п ри этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская Сталь)
По химическому составу Сталь делятся 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 Сталь в 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) Сталь В 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 Сталь для 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%) Сталь Легированные Сталь часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).
По назначению Сталь делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и Сталь с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные Сталь могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы — Cr и Ni). Название конструкционной Сталь может 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. Сталь этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8—1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных Сталь широкое распространение получила быстрорежущая сталь. К Сталь с особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, Сталь для постоянных магнитов и др. Для многих Сталь этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.
По качеству Сталь обычно 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 Сталь обыкновенного 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 Сталь является 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 Сталь Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из Сталь кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной Сталь в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — Сталь как бы «кипит». Полуспокойная Сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей Сталь Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки Сталь определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.