БСЭ. Сталь
Начало Вверх

СТАЛЬ (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. С.- важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей пром-сти. Масштабы произ-ва С. в значит, степени характеризуют технико-экономич. уровень развития государства.

Историческая справка. С. как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения С. в тестообразном состоянии - сыродутный процесс, в основе к-рого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой С. древние мастера применяли тигельную плавку - расплавление мелких кусков С. и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная С. 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 нач. 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 С. является основой и совр. схем произ-ва С.). В кон. 18 в. начало применяться пудлингование, при к-ром, 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 С. не могло. Лишь с появлением во 2-й пол. 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса (см. Мартеновское производство), а затем и томасовского процесса стало возможным массовое произ-во литой С. В кон. 19 в. начала применяться выплавка С. в электрич. печах (см. Электросталеплавилъное производство). До сер. 20 в. главенствующее положение среди способов произ-ва С. занимал мартеновский процесс, на долю к-рого приходилось ок. 80% выплавляемой в мире С. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового произ-ва С. развиваются более дорогие и менее производит, способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь), вакуумная индукц. плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка (см. Плазменная металлургия).  

Структура и свойства стали. К С. как важнейшему материалу совр. техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок С., отличающихся по хим. составу, структуре, свойствам. Осн. компонент С.- железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллич. решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и С. Для чистого железа известны 2 кристаллич. решётки - кубическая объёмноцентрированная ($\alpha$-железо, при более высоких темп-рах $\delta$-железо) и кубическая гранецентрированная ($\gamma$-железо). Темп-ры перехода одной модификации железа в другую (910 0C и 1400 0C) паз. критич. точками. Углерод и др. компоненты и примеси С. меняют положение критич. точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов. Растворимость углерода в $\alpha$-железе весьма мала; этот раствор паз. ферритом. В у-железе, существующем при высоких темп-pax, растворяется практически весь углерод, содержащийся в С. (предел растворимости углерода в $\gamma$-железе 2,01%); образующийся раствор наз. аустенитом. Содержание углерода в С. всегда превышает его растворимость в $\alpha$-железе; избыточный углерод образует с железом хим. соединение - карбид железа РезС, или цементит. T. о., при комнатной темп-ре структура С. состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отд. включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механич. смеси, наз. 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 С. определяется гл. обр. содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств С. Так, С., содержащая ~ 0,1 % С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; С. этого типа используется для изготовления тонких листов, из к-рых штампуют части автомоб. кузовов и др. деталей сложной формы. С., в к-рой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая С. служит, напр., материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если С. содержит ок. 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта С. в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств С. расширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке С. образуется метастабильная фаза мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в $\alpha$-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать С. требуемое сочетание твёрдости и пластичности.  

Классификация сталей. В совр. металлургии С. выплавляют гл. обр. из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрич. дуговая печь) С. наз. кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; С. при этом наз. соответственно основной или кислой (напр., кислая мартеновская С.).

По хим. составу С. 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 - SuP; эти элементы попадают в С. в связи с технологией её изготовления (гл. обр. 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) С. В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Со и др.), к-рые намеренно вводят в С. для улучшения её технологич. и эксплуатац. 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. е. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (более 10% ) С. Легированные С. часто наз. по преобладающим в ней компонентам (напр., вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению С. делят на след. осн. группы: конструкционные, инструментальные и С. с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строит, конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные С. могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (осн. легирующие элементы - Cr и Ni). Название конструкционной С. может отражать её непосредств. 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 мерит, инструмента. С. этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8-1,3% С) или легированными (гл. обр. Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных С. широкое распространение получила быстрорежущая сталь. К С. с особыми физ. и хим. свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, С. для постоянных магнитов и др. Для многих С. этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству С. обычно подразделяют на обыкновенные (рядовые), к ачественные, высококачественные н особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и P) и неметаллических включений. Так, в нек-рых С. обыкновенного качества допускается содержание S до 0,055-0,06% и P до 0,05-0,07% (исключение составляет автоматная сталь, содержащая до 0,3% S и до 0,16% P), 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 механич. свойства С., является причиной красноломкости, т. е. хрупкости в горячем состоянии. Фосфор усиливает хладноломкость - хрупкость при пониженных темп-рах.

По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную н кипящую С. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из С. кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскпслснной С. в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода - С. как бы "кипит". Полуспокойная С. занимает промелсуточное положение между спокойной и кипящей С. Каждый из этих видов металла имеет достоинства н недостатки; выбор технологии раскисления и разливки С. определяется её назначением и тсхннко-экономич. показателями произ-ва.  

Маркировка сталей. Единой мировой системы маркировки С. не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок С., что нашло отражение в гос. стандартах и технич. условиях. Марки углеродистой С. обыкновенного качества обозначаются буквами CT и номером (Ст0, Cт1, Ст2 и т. д.). Качественные углеродистые С. маркируются двузначными числами, показывающими ср. содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т. д. Спокойную С. иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную - пс, кипящую - кп (напр., СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке С. указывает на повышенное содержание Mn (напр., 14Г, 18Г). Автоматные С. маркируются буквой А (А12, АЗО и т. д.), углеродистые инструментальные С.- буквой У (У8, У10, У12 и т. д.- здесь цифры означают содержание С. в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной С. состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их ср. содержание. В СССР приняты единые условные обозначения хим. состава С.: алюминий - Ю, бор - P, ванадий - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - M, никель - H, ниобий - Б, титан - T, углерод - У, фосфор - П, хром - X, цирконий - Ц. Первые цифры марки обозначают ср. содержание С (в сотых долях процента для конструкционных С. и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих С.); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,- его ср. содержание. Напр., С. марки 3X13 содержит 0,3% С и 13% Cr. С. марки 2Х17Н2 - 0,2%С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, С. марки 12ХНЗА содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что С. является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Обозначение марки нек-рых легированных С. включает букву, указывающую на назначение С. (напр., ШХ9 - шарикоподшипниковая С. с 0,9- 1,2% Cr; ЭЗ - электротехнич. С. с У/о Si). С., проходящие пром. испытания, часто маркируют буквами ЭЙ или ЭП (з-д -"Электросталь"), ДИ (з-д "Днепроспецсталь") или ЗИ (Златоустовский з-д) с соответствующим очередным номером (ЭИ268). См. также Металлургия, Сталеплавильное производство.

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. A. M. Самарина, т. 1-2, M., 1964; M е с ь к и н В. С., Основы легирования стали, 2. изд., M., 1964; Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1-2, M., 1966; Д р е г е В , Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., M., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, M., 1975.

С. И. Венецкий.  

Сталь в искусстве. В ср. века славились араб, оружие и доспехи из С. с плоскими узорами и надписями, выполненными гравированием или насечкой. Эти приемы декорировки оружейники ср.-век. Европы дополнили чеканкой, наводкой и полировкой. С 16 в. в отделке часов, науч. приборов и инструментов появляется устойчивая к коррозии зеркальная полировка, использование к-рой послужило стимулом для выпуска бытовых изделий из С. В 18 - нач. 19 вв. эстетич. свойства С. наиболее ярко раскрылись в изделиях мастеров Тульского оружейного з-да (мебель, зеркала, самовары, каминные экраны и т. п.). Как вид нар. творчества известна с сер. 19 в. златоустовская гравюра на С. В сов. иск-ве С. нашла применение в облицовке интерьеров, а также в скульптуре (В. И. Мухина, "Рабочий и колхозница", илл. см. т. 17, табл. XIII, стр. 144).

Лит.: "Тульские "златокузнецы". [Альбом], Л., 1974. 

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2017