- Сталь: определение, состав, типы, свойства и применение
- Что такое сталь?
- История появления стали
- Из чего состоит сталь?
- Как производят сталь?
- Характеристики стали
- Как выглядит сталь?
- Типы стали
- Нержавеющая сталь
- Углеродистая сталь
- Легированная сталь
- Инструментальная сталь
- Атмосферостойкая сталь
- Электротехническая сталь
- Быстрорежущая сталь
- Свойства стали
- Физические свойства стали
- Химические свойства стали
- Области применения стали
- Преимущества стали
- Недостатки стали
- Часто задаваемые вопросы о стали
- Является ли сталь металлом?
- Может ли сталь ржаветь?
- Сталь прочнее железа?
- Есть ли что-нибудь тверже стали?
- В чем разница между сталью и металлом?
- В чем разница между сталью и алюминием?
Сталь: определение, состав, типы, свойства и применение
Сталь – прочный и универсальный металл. Это сплав, состоящий из железа с небольшим количеством углерода и иногда других элементов. Углерод напрямую влияет на прочность и долговечность стали.
Однако благодаря добавлению других легирующих элементов, таких как хром, никель, молибден и кремний, было разработано множество различных сталей.
Они могут обеспечить улучшенные свойства, такие как стойкость к истиранию или коррозионная стойкость. Существует марка стали практически для любого применения.
В этой статье будет определена сталь, ее состав, типы, свойства и области применения.
Что такое сталь?
Сталь, в своей простейшей форме, представляет собой железо, легированное менее чем 2% углерода.
Тем не менее, многие другие элементы также могут быть добавлены для создания нескольких марок стальных сплавов с различными свойствами. Общие легирующие элементы включают хром, марганец и никель.
История появления стали
История стали начинается с истории железа. Открытие железа и его известность в том, что мы сейчас называем железным веком, началось примерно в 12 веке до нашей эры (хотя это зависит от географического положения).
Считается, что это началось в Европе примерно в 5 веке до нашей эры. Ранние стали (железо с добавлением углерода для повышения прочности) производились примерно в то время в Китае, но, как правило, имели слишком низкое содержание железа, чтобы считаться настоящей сталью.
Около 400 г. до н. э. в Индии была создана настоящая сталь путем плавления железа и древесного угля в небольших тиглях.
Разновидности стали и чугуна (с более высоким содержанием углерода) были разработаны во всем мире в средние века и в современную историю.
Значительный шаг вперед был сделан Бенджамином Хантсманом в Англии в 1751 году, когда он использовал уголь из геологических источников, а не уголь из древесины для нагрева тиглей.
Еще больший прорыв был сделан Генри Бессемером, который в 1855 году получил британский патент на процесс производства стали.
В его процессе воздух продувался прямо через расплавленное железо (и его добавки). Это стало основополагающим для современного коммерческого производства стали.
Только в 1912-1914 годах нержавеющая сталь была впервые создана с добавлением хрома и никеля. Эти материалы постепенно развивались и совершенствовались до конца Второй мировой войны.
Из чего состоит сталь?
По сути, сталь состоит из железа и углерода, но также добавляются многие другие легирующие элементы для создания тысяч различных марок стали.
Мягкая сталь, или углеродистая сталь, обычно состоит из более чем 99% железа, содержащего менее 0,25% углерода, аналогичное количество марганца и следы фосфора и серы.
Напротив, обычный сорт нержавеющей стали (304) содержит только около 70% железа с минимальным содержанием 18% хрома и 8% никеля.
Марганец, кремний, фосфор и, конечно же, углерод также присутствуют в различных количествах в этом типе стали. Другие легирующие элементы для различных сталей включают молибден, ванадий и бор.
Существует несколько марок каждого типа стали, причем вариации их состава предназначены для получения разных характеристик.
Как производят сталь?
Сталь производится с помощью одного из двух основных процессов плавки — либо в доменной печи, либо в электродуговой печи.
Для доменной печи железная руда и кокс (уголь, обработанный для удаления летучих компонентов) добавляются в печь, которая топится воздухом.
Также добавляется известь для восстановления железа из руды до его металлической формы. При этом производится так называемый чугун, который затем направляется в печь с прямым кислородом для производства жидкой стали.
В электродуговой печи железная руда сначала обжигается природным газом в печи прямого восстановления. Металлическое железо затем отправляется в электродуговую печь для производства стали.
Большие электроды погружаются в печь, где электричество используется для создания высокотемпературных дуг между электродами и расплавления металла. В секцию электродуговой печи добавляют легирующие элементы.
После любого процесса расплавленная сталь затем непрерывно разливается на стане горячей прокатки, а затем прокатывается в различные формы, такие как пластины, прутки, трубы и другие.
Это может быть сделано путем горячей прокатки или холодной прокатки. Другие процессы отделки, такие как отпуск или отжиг, также могут иметь место в зависимости от производимой марки стали.
Характеристики стали
Общие характеристики стали перечислены ниже:
- Прочность: Сталь является высокопрочным материалом, особенно при растяжении, и может использоваться для структурных нагрузок.
- Долговечность : Сталь очень прочная с потенциальным сроком службы более 100 лет. Он не набухает и не сползает, а остается очень жестким.
- Универсальность: сталь — невероятно универсальный материал. Его многие сорта могут быть применены для тысяч применений.
- Обрабатываемость: большинство сталей легко поддается механической обработке, в зависимости от марки. Некоторые определенные марки стали (автоматические стали) хорошо поддаются механической обработке.
- Свариваемость: большинство марок стали легко свариваются, хотя для некоторых требуются специальные процедуры сварки.
- Коррозионная стойкость: сталь может быть легирована другими элементами, такими как хром, никель и молибден, чтобы лучше противостоять коррозии.
- Проводимость: сталь обычно имеет более низкую тепло- и электропроводность по сравнению с другими металлами. Может использоваться как прочный и термостойкий экранирующий материал.
- Переработка: Сталь может быть полностью переработана, и из-за ее ценности большая часть (> 60%) стали во всем мире перерабатывается.
Как выглядит сталь?
Сталь обычно серебристо-серого цвета, но внешний вид зависит от марки стали и степени окисления.
Например, некоторые нержавеющие стали после полировки становятся серебристыми, почти зеркальными. Углеродистые стали, как правило, изначально имеют тускло-серый цвет и становятся темно-коричневыми по мере окисления.
Сталь выглядит как темно-серый или темно-коричневый металл, часто приобретая тусклый или шероховатый вид из-за окисления или образования ржавчины на ее поверхности.
Поверхностная ржавчина часто видна на поверхности стали, которая подвергалась воздействию элементов в течение длительного периода времени.
Типы стали
Существует несколько различных типов стали, каждый из которых определяется типом и количеством легирующих элементов. Они перечислены ниже:
Нержавеющая сталь
Вообще говоря, нержавеющая сталь определяется хромом в своем составе. Аустенитные нержавеющие стали (18/8 и 18/10 или 304 и 316) являются наиболее популярными и содержат хром и никель.
Однако существуют также мартенситные и дуплексные нержавеющие стали с особыми свойствами. Нержавеющие стали ценятся в первую очередь за их превосходную коррозионную стойкость, что также облегчает их очистку.
В сочетании с их термостойкостью и прочностью они занимают центральное место в некоторых отраслях промышленности.
Например, молочная промышленность и другие отрасли производства продуктов питания и напитков используют нержавеющую сталь почти для всего своего технологического оборудования.
Углеродистая сталь
Углеродистая сталь обычно относится к простейшим стальным сплавам углерода и железа с небольшим содержанием марганца, фосфора и серы.
Ключевым определяющим фактором для каждой марки является содержание углерода в стали. Это может варьироваться от 0,05% до 2%.
Процентное содержание углерода влияет на многие свойства, такие как прочность, хрупкость (пластичность) и свариваемость каждой марки углеродистой стали.
Углеродистая сталь может использоваться для изготовления конструкций, автомобильных компонентов и многих других применений.
Легированная сталь
Легированная сталь — это широкий термин, применяемый к стали, которая содержит дополнительные легирующие элементы (помимо углерода), такие как: хром, никель, молибден, марганец, бор, кремний и ванадий.
Легирующие элементы могут составлять от 1% до 50% сплава. Обычно считается, что низколегированная сталь содержит менее 8% легирующих элементов, а высоколегированная сталь содержит более 8% легирующих элементов.
Легированная сталь – очень широкая категория. Её марки используются во многих областях, например, в производстве нержавеющей стали для производителей молочной продукции или в производстве высокопрочной стали в автомобильной промышленности.
Инструментальная сталь
Инструментальная сталь представляет собой ряд марок стали, тщательно разработанных для использования в качестве инструментов. Она чрезвычайно твердая, прочная и устойчивая к истиранию.
Существуют различные марки инструментальной стали, но обычно они содержат от 0,7% до 1,5% углерода, содержат мало марганца и подвергаются термообработке. Инструментальная сталь используется, например, для изготовления бит отбойного молотка и штампов для ковки.
Атмосферостойкая сталь
Атмосферостойкая сталь представляет собой низколегированную сталь, предназначенную для защиты от коррозии при наружном применении (т.е. она считается атмосферостойкой).
Сталь легирована небольшим количеством хрома, никеля и меди для повышения коррозионной стойкости. Механизм коррозии создает на поверхности стали пассивный оксидный слой, препятствующий дальнейшей коррозии.
Атмосферостойкая сталь обычно используется в качестве конструкционных элементов мостов и других конструкций, где она требует минимального обслуживания в течение срока службы более 100 лет.
Электротехническая сталь
Электротехническая сталь легирована кремнием (обычно в пределах 2-3,5%) и имеет однородные магнитные свойства. Эти сплавы используются в электрических компонентах, таких как электродвигатели и трансформаторы.
Быстрорежущая сталь
Быстрорежущая сталь — это подкатегория инструментальной стали, специально разработанная для быстро движущихся инструментов, таких как вращающиеся пилы.
Сталь включает вольфрам и молибден в качестве легирующих элементов и подвергается термообработке для создания сверхтвердой поверхности. Быстрорежущая сталь ценится за превосходную твердость и стойкость к истиранию.
Свойства стали
Стали могут проявлять ряд свойств в зависимости от марки. В таблице 1 ниже показаны некоторые свойства стали:
| Свойство | Описание | Примеры сталей | Преимущества | Приложения |
|---|---|---|---|---|
|
Сила
|
Выдерживает высокие нагрузки
|
Высокопрочная низколегированная (HSLA) сталь
|
Сила
|
Структурные балки
|
|
Пластичность
|
Гибкость
|
HD50 (высокая пластичность)
|
Легко принимает различные формы
|
Корпуса кораблей
|
|
Устойчивость к коррозии
|
Стойкость к коррозии в различных средах
|
Нержавеющие стали, такие как 304 и 316
|
Совместимость с широким спектром жидкостей и сред
|
Производство продуктов питания и напитков, кислая среда
|
Физические свойства стали
Сталь широко известна своими физическими свойствами, такими как твердость и прочность. В таблице 2 ниже перечислены некоторые физические свойства стали:
| Свойство | Описание | Примеры сталей | Типичный диапазон значений | Единицы |
|---|---|---|---|---|
|
твердость
|
Стойкость к деформации поверхности
|
Инструментальная сталь (D2)
|
200 — 1180
|
Число твердости по Бринеллю (кг/мм2)
|
|
Предел прочности
|
Способность выдерживать растягивающие нагрузки
|
Хромованадиевая сталь (6150)
|
250 — 600
|
МПа
|
|
Теплопроводность
|
Передача тепла
|
Углеродистая сталь (марка C1010)
|
15 — 45
|
Вт/(м•К)
|
|
Тепловое расширение
|
Изменение объема с температурой
|
Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316)
|
10 — 17
|
106м/(м•°С)
|
Химические свойства стали
Химические свойства стали различаются в зависимости от сплава. В таблице 3 ниже перечислены некоторые химические свойства стали:
| Тип стали | Устойчивость к коррозии | Окисление | Реактивность | Магнитные свойства | Стабильность |
|---|---|---|---|---|---|
|
Углеродистая сталь
|
Ограниченное
|
Значительно, особенно во влажной среде
|
Реагирует с кислородом
|
Магнитный
|
Хороший
|
|
Инструментальная сталь
|
Хороший
|
Значительно, особенно во влажной среде
|
Реагирует с кислородом
|
Магнитный
|
Хороший
|
|
Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316)
|
Отличный
|
Минимальный, образует пассивную пленку
|
Обычно нереактивный (инертный)
|
Немагнитный
|
Отличный
|
|
Мартенситная нержавеющая сталь (410, 420)
|
Отличный
|
Минимальный, образует пассивную пленку
|
Обычно нереактивный (инертный)
|
Магнитный
|
Отличный
|
Области применения стали
Сталь невероятно универсальный металл и имеет большое разнообразие типов и марок. Ниже перечислены некоторые из его приложений:
Транспорт
Сталь используется в транспорте несколькими способами. Инфраструктура, такая как мосты и рельсы, построена из стали. Он также образует каркасы вагонов поездов, автомобилей и больших кораблей. Именно невероятная прочность стали делает ее подходящей для этих применений.
Строительство
Сталь широко применяется в строительстве, прежде всего в виде конструкционных, несущих элементов. Это связано с его высокой прочностью и жесткостью.
Производство
В обрабатывающей промышленности используется много стали, особенно для компонентов машин и инструментов. Его прочность делает его популярным выбором для тяжелых условий эксплуатации.
Упаковка
Сталь используется в банках для пищевых продуктов и напитков. Он может быть идеальным, потому что он долговечен и пригоден для вторичной переработки.
Медицинское оборудование
Нержавеющие стали широко используются в медицинском оборудовании, поскольку они устойчивы к коррозии.
Они естественным образом не способствуют росту микробов и могут быть легко очищены и даже подвергнуты тепловой стерилизации. Хирургические инструменты и медицинские инструменты обычно изготавливаются из нержавеющей стали.
Спортивное оборудование
Сталь используется для спортивного инвентаря, такого как велосипеды и клюшки для гольфа. Он появляется в предметах, испытывающих большие нагрузки, поэтому его прочность и долговечность ценны.
Производство энергии
Сталь используется в производстве и передаче энергии как из-за ее прочности, так и из-за ее магнитных свойств. Он появляется в генераторах, трансформаторах и двигателях. Он также используется конструктивно в опорах и армированных сталью электрических кабелях.
Преимущества стали
Сталь обладает некоторыми свойствами, которые делают ее очень полезным материалом:
- Прочность: Сталь — прочный и долговечный материал, выдерживающий большие нагрузки и сопротивляющийся деформации. Он идеально подходит для использования в строительных и инфраструктурных проектах.
- Универсальность: сталь можно формовать, формовать, подвергать механической обработке и сваривать. Он может быть сформирован из огромного количества компонентов.
- Размерная стабильность: сталь очень жесткая и хорошо противостоит деформации.
- Пригодность для вторичной переработки: сталь можно бесконечно перерабатывать; металлолом может быть переплавлен и переработан.
- Безопасность: Сталь — негорючий материал, не выделяющий вредных компонентов даже при нагревании. Это делает его безопасным материалом для строительства.
Недостатки стали
Сталь не является идеальным материалом для всех целей. Его недостатки могут ограничивать его полезность, как указано ниже:
- Коррозия. Сталь, особенно углеродистая сталь, подвергается коррозии во влажной среде и может нуждаться в защитных покрытиях (например, краске) и регулярном обслуживании для достижения приемлемого срока службы.
- Вес: Сталь — относительно тяжелый материал. Этот вес может ограничить его ценность в таких секторах, как аэрокосмическая промышленность, где общая масса является серьезной проблемой.
- Потребность в энергии: выплавка стали требует больших затрат энергии. Несмотря на усовершенствования современных технологий, энергетический след стали по-прежнему остается относительно высоким.
- Теплопроводность: сталь хорошо проводит тепло, что может усложнить изоляцию, охлаждение и обогрев больших стальных зданий.
- Стоимость: сталь дороже многих других материалов. Это особенно верно для специальных марок и нержавеющей стали.
Часто задаваемые вопросы о стали
Сталь – невероятно универсальный и прочный материал. Поскольку доступно так много вариантов, существует марка стали, подходящая практически для любого применения.
Прочность стали делает ее идеальной для больших конструкций и требовательных применений. При правильном сорте или покрытии он может даже противостоять коррозии.
Сталь также обладает отличной размерной стабильностью. Она не набухает, не сжимается, не деформируется и не сползает.
Является ли сталь металлом?
Да, сталь это металл. Основным компонентом стали является железо (которое само по себе является металлическим элементом), и, помимо углерода, подавляющее большинство легирующих элементов в сталях являются металлами. Сталь — это блестящий, твердый, ковкий металл, обладающий хорошей тепло- и электропроводностью.
Может ли сталь ржаветь?
Да, сталь может ржаветь. Ржавчина возникает, когда железо в стали реагирует с кислородом воздуха (в присутствии воды) с образованием оксида железа.
Однако нержавеющие стали содержат легирующие элементы, такие как хром и никель, которые предотвращают или сильно замедляют образование оксида железа.
Сталь прочнее железа?
Да, сталь прочнее железа из-за углерода, содержащегося в ее молекулярной структуре. Как правило, прочность стали увеличивается с содержанием углерода.
Есть ли что-нибудь тверже стали?
Да, некоторые материалы тверже стали. Алмаз — самый твердый из известных природных материалов (хотя он и более хрупкий). Карбид кремния — это промышленный материал, который тверже стали. Другие металлы, такие как вольфрам, также тверже стали.
В чем разница между сталью и металлом?
Сталь — это тип металла, но не все металлы являются сталью. Свойства стали отличаются от свойств других металлов. В зависимости от марки стали, она может быть намного прочнее и по-разному корродировать или сопротивляться коррозии.
В чем разница между сталью и алюминием?
Сталь представляет собой металлический сплав элементов железа и углерода, тогда как алюминий представляет собой единый металлический элемент.
Это приводит к очень разным свойствам двух материалов: сталь прочная, но тяжелая, а алюминий менее прочный, но намного легче.
В этой статье представлена сталь, объясняется, что это такое, и обсуждаются ее различные типы и области применения.
