Сталь (сплав железа с углеродом)

Определение "Сталь (сплав железа с углеродом)" в Большой Советской Энциклопедии

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. Сталь (сплав железа с углеродом) — важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства Сталь (сплав железа с углеродом) в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

Историческая справка. Сталь (сплав железа с углеродом) как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения Сталь (сплав железа с углеродом) в тестообразном состоянии — сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой Сталь (сплав железа с углеродом) древние мастера применяли тигельную плавку — расплавление мелких кусков Сталь (сплав железа с углеродом) и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная Сталь (сплав железа с углеродом) характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность — дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в т. н. кричном горне (двухстадийный процесс с получением чугуна и последующим переделом его в Сталь (сплав железа с углеродом) является основой и современных схем производства Сталь (сплав железа с углеродом)). В конце 18 в. начало применяться пудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом — тестообразный металл (крица) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в Сталь (сплав железа с углеродом) не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса (см. Мартеновское производство), а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой Сталь (сплав железа с углеродом) В конце 19 в. начала применяться выплавка Сталь (сплав железа с углеродом) в электрических печах (см. Электросталеплавильное производство). До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства Сталь (сплав железа с углеродом) занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире Сталь (сплав железа с углеродом) В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства Сталь (сплав железа с углеродом) развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь), вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка (см. Плазменная металлургия).

Структура и свойства стали. К Сталь (сплав железа с углеродом) как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок Сталь (сплав железа с углеродом), отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент Сталь (сплав железа с углеродом) — железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (см. Железоуглеродистые сплавы).

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 (сплав железа с углеродом) Так, Сталь (сплав железа с углеродом), содержащая ~0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; Сталь (сплав железа с углеродом) этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. Сталь (сплав железа с углеродом), в которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая Сталь (сплав железа с углеродом) служит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если Сталь (сплав железа с углеродом) содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта Сталь (сплав железа с углеродом) в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств Сталь (сплав железа с углеродом) расширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Классификация сталей. В современной металлургии Сталь (сплав железа с углеродом) выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) Сталь (сплав железа с углеродом) называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; Сталь (сплав железа с углеродом) при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская Сталь (сплав железа с углеродом)).

По химическому составу Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) Легированные Сталь (сплав железа с углеродом) часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению Сталь (сплав железа с углеродом) делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы — Cr и Ni). Название конструкционной Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) широкое распространение получила быстрорежущая сталь. К Сталь (сплав железа с углеродом) с особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, Сталь (сплав железа с углеродом) для постоянных магнитов и др. Для многих Сталь (сплав железа с углеродом) этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству Сталь (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом) 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 (сплав железа с углеродом), 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 (сплав железа с углеродом) Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из Сталь (сплав железа с углеродом) кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной Сталь (сплав железа с углеродом) в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — Сталь (сплав железа с углеродом) как бы «кипит». Полуспокойная Сталь (сплав железа с углеродом) занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей Сталь (сплав железа с углеродом) Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки Сталь (сплав железа с углеродом) определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей. Единой мировой системы маркировки Сталь (сплав железа с углеродом) не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок Сталь (сплав железа с углеродом), что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой Сталь (сплав железа с углеродом) обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые Сталь (сплав железа с углеродом) маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную Сталь (сплав железа с углеродом) иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную — пс, кипящую — кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке Сталь (сплав железа с углеродом) указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные Сталь (сплав железа с углеродом) маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные Сталь (сплав железа с углеродом) — буквой У (У8, У10, У12 и т.д. — здесь цифры означают содержание Сталь (сплав железа с углеродом) в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной Сталь (сплав железа с углеродом) состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения химического состава Сталь (сплав железа с углеродом): алюминий — Ю, бор — Р, ванадий — Ф, вольфрам — В, кобальт — К, кремний — С, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, ниобий — Б, титан — Т, углерод — У, фосфор — П, хром — Х, цирконий — Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных Сталь (сплав железа с углеродом) и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих Сталь (сплав железа с углеродом)); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,— его среднее содержание. Например, Сталь (сплав железа с углеродом) марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Cr, Сталь (сплав железа с углеродом) марки 2X17H2 — 0,2% С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, Сталь (сплав железа с углеродом) марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что Сталь (сплав железа с углеродом) является высококачественной, буква Ш — особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных Сталь (сплав железа с углеродом) включает букву, указывающую на назначение Сталь (сплав железа с углеродом) (например, ШХ9 — шарикоподшипниковая Сталь (сплав железа с углеродом) с 0,9—1,2% Cr; Э3 — электротехническая Сталь (сплав железа с углеродом) с 3% Si). Сталь (сплав железа с углеродом), проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь»), ДИ (завод «Днепроспецсталь») или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268). См. также Металлургия, Сталеплавильное производство.

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1—2, М., 1964; Меськин В. C., Основы легирования стали, 2 изд., М., 1964; Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1—2, М., 1966; Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.
  Сталь (сплав железа с углеродом) И. Венецкий.

Сталь в искусстве. В средние века славились арабское оружие и доспехи из Сталь (сплав железа с углеродом) с плоскими узорами и надписями, выполненными гравированием или насечкой. Эти приёмы декорировки оружейники средневековой Европы дополнили чеканкой, наводкой и полировкой. С 16 в. в отделке часов, научных приборов и инструментов появляется устойчивая к коррозии зеркальная полировка, использование которой послужило стимулом для выпуска бытовых изделий из Сталь (сплав железа с углеродом) В 18 — начале 19 вв. эстетические свойства Сталь (сплав железа с углеродом) наиболее ярко раскрылись в изделиях мастеров Тульского оружейного завода (мебель, зеркала, самовары, каминные экраны и т.п.). Как вид народного творчества известна с середины 19 в. златоустовская гравюра на Сталь (сплав железа с углеродом) В советском искусстве Сталь (сплав железа с углеродом) нашла применение в облицовке интерьеров, а также в скульптуре (В. И. Мухина, «Рабочий и колхозница», см. илл.).
Лит.: Тульские «златокузнецы». [Альбом], Л., 1974.