Что такое сталь: свойства, виды, состав и применение

Что такое сталь?

Сталь — сплав железа с обычно несколькими десятыми процента углерода для повышения прочности и стойкости к разрушению по сравнению с другими формами железа. Могут присутствовать или добавляться другие элементы. Нержавеющие стали, стойкие к коррозии и окислению, обычно требуют дополнительных 11% хрома.

Благодаря высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь применяется в зданиях, инфраструктуре, инструментах, кораблях, поездах, автомобилях, станках, электроприборах, оружии. Железо — базовый металл стали.

В зависимости от температуры сталь может принимать две кристаллические формы (аллотропные): кубическую объемно-центрированную и кубическую гранецентрированную. Взаимодействие аллотропов железа с легирующими элементами, преимущественно углеродом, дает стали и чугуну их уникальные свойства.

В чистом железе кристаллическая структура мало сопротивляется смещению атомов, поэтому чистое железо довольно пластично — мягкое и легко формируемое. В стали небольшие количества углерода, других элементов и включений действуют как закаляющие агенты, препятствуя движению дислокаций.

Когда изобретена сталь?

Ранней известной производстве стали датируют фрагменты железных изделий с археологического памятника в Анатолии (Каман-Каляхёйук) — почти 4000 лет, 1800 г. до н.э. Гораций упоминает стальные оружия (фальката) на Пиренейском полуострове, норическая сталь использовалась римским военным.

Является ли сталь металлом?

Так как сталь — сплав, она не чистый элемент и, как следствие, не является металлом. Это вариант металла. Хотя сталь состоит из железа — металла, неметаллический углерод в её составе означает, что это не чистый металл, поэтому его нельзя отнести к металлам.

Итак: Сталь — не металл.

Состав стали

Сталь — сплав железа и углерода с содержанием углерода до 2% (при большем содержании материал определяется как чугун). Наиболее широко используемый материал для мировой инфраструктуры и промышленности, изготавливают всё — от швейных игл до танкеров. Инструменты для их производства тоже из стали.

Сталь — сплав железа и углерода с <2% углерода, 1% марганца и малыми количествами кремния, фосфора, серы, кислорода. Сталь — самый важный инженерно-строительный материал мира.

Применяется во всех аспектах жизни: авто и строительные изделия, холодильники и стиральные машины, грузовые корабли, хирургические скальпели.

Свойства стали

Сталь обладает рядом свойств: твердость, вязкость, прочность на разрыв, предел текучести, удлинение, устойчивость к усталости, коррозия, пластичность, ковкость, ползучесть.

Наиболее важные для износостойкой и абразивностойкой стали:

• ТВЕРДОСТЬ — способность материала выдерживать трение и абразивный износ. В бытовой речи может означать то же, что прочность и вязкость, но в контексте свойств металлов это принципиально другое.
• ВЯЗКОСТЬ — трудно определить, но в целом это способность поглощать энергию без разрушения. Также определяется как сопротивление материала трещинобразованию под нагрузкой. Измеряется в фут-фунт/дюйм² или Дж/см². Важно отличать от твердости: материал, сильно деформирующийся без разрыва, может быть очень вязким, но не твердым.
• ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ — сила, необходимая для начала деформации (сгибания, искривления).
• ПРОЧНОСТЬ НА РАЗРЫВ — сила, необходимая для разрыва материала.
• УДЛИНЕНИЕ (или пластичность) — степень, до которой материал можно растянуть или сжать до разрыва. Выражается в процентах от длины образца и находится между прочностью на разрыв и пределом текучести (какой процент изгибается перед разрывом).

Базовые физические свойства стали

Плотность стали 7850 кг/м³ — в 7,85 раза плотнее воды. Температура плавления 1510 °C выше большинства металлов. Для сравнения: бронза 1040 °C, медь 1083 °C, чугун 1300 °C, никель 1453 °C. Вольфрам плавятся при 3410 °C — неудивительно, используется в нитях ламп накаливания.

Коэффициент линейного расширения стали при 20 °C — 11,1 мкм/(м·°C), что делает её более устойчивой к изменению размеров при температурных колебаниях, чем медь (16,7), олово (21,4), свинец (29,1).

Из чего состоит сталь?

Сталь делается из сплава железа и углерода с содержанием углерода до 2% (при большем — чугун).

Железо, главный элемент стали, — один из самых распространенных элементов в земной коре. Все стальные сплавы в основном железо и 0,002–2,1% углерода по массе. В этом диапазоне углерод связывается с железом, создавая прочную молекулярную структуру. Полученная решетчатая микроструктура обеспечивает нужные свойства: прочность на разрыв и твердость.

Хотя вся сталь состоит из железа и углерода, разные типы содержат разные проценты каждого. Сталь может включать никель, молибден, марганец, титан, бор, кобальт, ванадий. Добавление разных элементов в «рецепт» влияет на свойства. Способ производства и обработка дальше улучшают их.

Выделенная группа стальных сплавов содержит хром. Все такие сплавы известны как нержавеющая сталь.

Температура плавления стали

Температура плавления стали 2500–2800 °F или 1371–1540 °C. Почему диапазон? Потому что сталь — сплав, а не чистый металл.

Зависит от марки стали. Термин «сплав» часто неверно используют, особенно велосипедисты — под сплавом понимают алюминий. На самом деле сплав — смесь металлов, любых. Почти весь современный металл — смесь, то есть сплав.

Большинству стали добавляют другие металлы для настройки свойств: прочность, коррозионная стойкость, технологичность. Сталь — просто железо, обработанное для контроля углерода. Железо из недр плавится при ~1510 °C (2750 °F). Сталь часто плавится при ~1370 °C (2500 °F).

Температура плавления углеродистой стали

Диапазон 2500–2800 °F или 1371–1540 °C. Почему не одна точка? Чистые металлы имеют точную температуру плавления. Сплавы включают элементы с разными температурами плавления, поэтому не плавятся и не застывают при фиксированной температуре.

Сталь — сплав железа и углерода. Нержавейка также включает хром, обычно никель и другие элементы. Добавление каждого нового элемента снижает общую температуру плавления. Это называется депрессией температуры плавления.

Температура плавления нержавеющей стали

Температура плавления нержавеющей стали 2550–2790 °F или 1400–1530 °C.

Точная температура зависит от химического состава. Основные элементы: железо, хром, никель.

Чистое железо плавится при 1535 °C, хром — 1890 °C, никель — 1453 °C. Сравните с диапазоном 1400–1530 °C для нержавейки.

Каждая марка нержавейки имеет немного другой состав. Поэтому точное значение варьируется.

Как меняется температура плавления по маркам?

Нержавеющая сталь делится на пять семейств и более 150 марок. Только 15 марок широко используются.

Две самые популярные — 304 и 316. Обе — аустенитные нержавеющие стали (~2/3 производства). Аустенитная структура — гранецентрированная кубическая, постоянная от криогенных температур до плавления.

Температуры плавления нержавейки: от 1375 °C для марки 316 до 1510 °C для марки 430. Наиболее распространенная марка 304 — 1400–1450 °C.

Основные типы стали

Четыре главных типа стали:

1. Углеродистая сталь
2. Легированная сталь
3. Нержавеющая сталь
4. Инструментальная сталь

1. Углеродистая сталь

Углеродистая сталь выглядит тускло, матово, уязвима к коррозии. Три подтипа: низко-, средне- и высокоуглеродистая, с ~0,30%, 0,60%, 1,5% углерода соответственно.

Название от того, что содержат очень мало других легирующих элементов. Исключительно прочны, поэтому для ножей, высоковольтных проводов, автозапчастей и подобного.

• Сталь с углеродом до 2%
• Сталь без стандартных количеств элементов, классифицирующих её как «легированную сталь» (кобальт, никель, вольфрам, молибден, титан, цирконий, ванадий, хром и др.)

Термин «углеродистая сталь» также применяют к сталям с <0,4% меди или определенным соотношением магния к меди, но определения спорны. Здесь используем первые два определения.

Виды углеродистой стали

Три классификации — низкая, средняя, высокая:

• Низкоуглеродистая сталь. До 0,30% углерода. Самый распространенный тип на рынке. Дешевая, легко формируется, идеальна там, где прочность на разрыв не критична — строительные балки.
• Среднеуглеродистая сталь. 0,31–0,60% углерода и 0,31–1,60% магния. Главное преимущество — прочность. Компромисс: низкая пластичность и вязкость, труднее формировать и сварщивать.
• Высокоуглеродистая сталь. 0,61–1,50% углерода и 0,31–0,90% магния. По твердости и вязкости лучшая среди углеродистых. Но очень трудно сварщивать, резать, формировать.

2. Легированная сталь

Легированная сталь — углеродистая сталь с различными легирующими элементами для уникальных свойств. Невероятно широкий спектр, но частые: хром, кобальт, молибден, никель, вольфрам, ванадий.

Благодаря разнообразию можно создавать стали почти со любыми свойствами. Некоторые относительно дорогие.

Более стойки к коррозии, privilegируются для автозапчастей, трубопроводов, корпусов кораблей, механических проектов. Прочность зависит от концентрации элементов.

3. Инструментальная сталь

Инструментальная сталь славится твердостью, тепло- и абразивностойкостью. Название от частого использования для металлорежущего инструмента (молотки).

Стали для инструментальных операций (сверление). Состав: молибден, ванадий, вольфрам, кобальт. Жаропрочные, долговечные, прочные.

6 марок инструментальной стали:

• Воздухо-закаляемая
• Водо-закаляемая
• Типа D
• Для горячей обработки
• Ударностойкие
• Масло-закаляемая

4. Нержавеющая сталь

Нержавеющие стали, пожалуй, самые известны. Блестящие, обычно 10–20% хрома — главный легирующий элемент.

Эта комбинация дает коррозионную стойкость и легкую формовку в разные формы. Благодаря легкой обработке, гибкости, качеству — в хирургическом инструменте, бытовых приборах, столовой посуде, даже как внешнее облицование коммерческих/промышленных зданий.

БОЛЬШЕ: Что такое нержавеющая сталь?

Применение стали

Железо и сталь широко используются в строительстве дорог, железных дорог, инфраструктуры, приборов, зданий. Крупные современные сооружения — стадионы, небоскребы, мосты, аэропорты — держатся на стальном каркасе. Даже бетонные структуры используют сталь для армирования.

Некоторые сферы применения стали:

1. Сталь экологична и устойчива. Обладает большой долговечностью.
2. По сравнению с другими материалами, сталь требует мало энергии для производства легких стальных конструкций.
3. Сталь — самый перерабатываемый материал в мире, легко утилизируется. Уникальные магнитные свойства делают её легко извлекаемой из потока для переработки.
4. Сталь можно проектировать в различные формы. Дает лучшую форму и край, чем железо для оружия.
5. Инженерные стали для общего машиностроения и производства.
6. Сталь широко в автопроме. Разные типы в кузове, дверях, двигателе, подвеске, салоне. Средний автомобиль на 50% из стали.
7. Сталь снижает выбросы CO₂.
8. Все энергетические секторы требуют сталь для инфраструктуры и добычи ресурсов.
9. Нержавеющие стали для морских платформ и трубопроводов.
10. Стали для упаковки и защиты товаров от воды, воздуха, света.
11. Большинство бытовых приборов (холодильник, ТВ, духовка, раковины) — из стали.
12. Стали для промышленных товаров: сельхозтехника, станки.
13. Нержавейка — материал столовой посуды.
14. Благодаря легкой сварке и привлекательной отделке сталь — выдающаяся черта современной архитектуры.
15. Нержавейка создает гигиеничную среду. Поэтому для хирургических имплантов.
16. Сталь имеет широкий температурный диапазон для производства больших листов.
17. Возобновляемая энергетика (солнечная, гидро, ветровая) использует нержавейку.
18. Мягкая сталь для строительств. Также популярный материал для каркасов зданий.

Часто задаваемые вопросы

Что такое сталь?

Сталь — сплав железа с обычно небольшим процентом углерода для повышения прочности и стойкости к разрушению по сравнению с железом. Могут присутствовать или добавляться другие элементы. Нержавеющие стали, стойкие к коррозии и окислению, обычно требуют дополнительных 11% хрома.

Из чего состоит сталь?

Сталь — сплав железа и углерода с содержанием углерода до 2% (при большем — чугун).

Какая температура плавления стали?

Диапазон 2500–2800 °F или 1371–1540 °C. Диапазон, а не точка, потому что сталь — сплав, а не чистый металл.

Состав стали?

Сталь — сплав железа и углерода с <2% углерода, 1% марганца и малыми количествами кремния, фосфора, серы, кислорода. Сталь — самый важный инженерно-строительный материал мира.

Свойства стали?

Твердость, вязкость, прочность на разрыв, предел текучести, удлинение, устойчивость к усталости, коррозия, пластичность, ковкость, ползучесть.

Виды стали?

Четыре основных типа:

1. Углеродистая сталь. Тусклая, матовая, уязвима к коррозии.
2. Легированная сталь. Смесь разных металлов: никель, медь, алюминий.
3. Инструментальная сталь.
4. Нержавеющая сталь.

Для чего используется сталь?

Сталь — самый важный инженерно-строительный материал мира. В каждой сфере жизни: авто, стройматериалы, холодильники, стиральные машины, грузовые корабли, хирургические скальпели. Можно перерабатывать бесконечно без потери свойств.

Является ли сталь металлом?

Как сплав, сталь не чистый элемент, поэтому не металл. Это вариант металла. Хотя состоит из железа (металла), неметаллический углерод в составе делает её не чистым металлом, поэтому не классифицируется как металл.

Почему называется сталь?

Существительное «steel» от прагерманского прилагательного stakhlijan — «сделанный из стали», связано с stakhla — «стоять твердо». Корень stak — «стоять, размещать, быть твердым».

Кто изобрел сталь?

Генри Бессемер, один из главных изобретателей Второй промышленной революции, сделал более 100 изобретений в области железа, стекла и стали.

Является ли сталь минералом?

Сталь не минерал, так как сплав, произведенный людьми. «Неорганическое» значит не созданное организмом.

Почему сталь так важна?

Стальная отрасль критична для экономики. Сталь — материал выбора для производства, строительства, транспорта, товаров потребления. Традиционно ценятся за прочность, стала самым перерабатываемым материалом.

Важность стали в повседневной жизни?

Сталь оказала огромное влияние: машины, в которых ездим, здания, где работаем, дома, где живем и бесчисленные другие аспекты. Сталь в опорах ЛЭП, газопроводах, станках, военном оружии — список бесконечен.

Хороший ли материал сталь?

Сталь негорюча, устойчива к изгибам и деформациям — идеальна для сейсмоопасных зон. Будучи المصنченной, в отличие от дерева, имеет единое качество и прочность. Дальнейшие достижения держат сталь впереди других стройматериалов по стандартной прочности.

Сталь лучше или железо?

Сталь прочнее железа (предел текучести и прочность на разрыв) и вязче многих типов железа (часто измеряется как вязкость на разрыв). Наиболее распространенные типы стали имеют добавки <0,5% углерода по массе.

Разница между железом и сталью?

Главное отличие: железо — металл, сталь — сплав. Железо — природный металлический элемент. Сталь — искусственный сплав, смесь железа и углерода.

Насколько прочна сталь?

Средние прочность на разрыв и предел текучести углеродистой стали сильно варьируют в зависимости от содержания углерода и технологических факторов. Сталь AISI 1020 (низкоуглеродистая мягкая) имеет предел текучести 47 900 psi и прочность на разрыв 65 300 psi.

Какая страна изобрела сталь?

Индия произвела первую настоящую сталь. Около 400 г. до н.э. индийские металлурги изобрели метод плавления, связывавший идеальное количество углерода с железом. Ключ — глиняный сосуд для расплава: тигель.

Где находится сталь?

В основе сталь делается смешением углерода и железа при очень высоких температурах (>2600 °F). Первичное сталеплавление создает сталь из «чугуна». Чугун — выплавленное железо из руды, содержащее больше углерода, чем нужно для стали.

Является ли сталь породой?

Все руды — минералы, но не все минералы — руды. Руды железа — гематит, магнетит. Удаляя примеси из руды, получаем сталь. Так как сталь — сплав железа и углерода и часто других элементов, стальные сплавы не существуют в природных породах.

Как сталь образуется в природе?

Сталь производят из чугуна удалением части углерода в конвертере с основным кислородом и добавлением легирующих элементов: марганец, хром, медь, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий. Сталь также делают переработкой феррус-лома в дуговой печи.

Что уникального в стали?

Сталь примерно в 1000 раз прочнее железа в чистейшей форме и может перерабатываться без потери прочности. Сталь — основной материал для возобновляемой энергетики: солнечной, гидро, ветровой.

Как сталеплавление благодеет обществу?

Низкие выбросы. Энергоэффективность означает, что сталь активно способствует низкоуглеродному будущему, снижая общие выбросы CO₂. Будет центральна в построении сильного, устойчивого общества. «Зеление» имеет бизнес-стимулы: хороший PR, налоговые льготы.

Почему сталь — лучшая?

Больше температурная стойкость: сталь выдерживает шире диапазон температур по сравнению с большинством коммерческих пластиков. Выдерживает быстрые или циклические температурные колебания лучше пластиков. Больше коррозионная стойкость: нержавейка стойка в атмосфере и чистой воде.