Все что есть про сталь

Сталь: классификация, характеристики и описание типов сплавов

Сталь – самый известный в мире сплав железа. По сути, когда мы говорим о железных конструкциях и предметах, речь идет об изделиях (или их производстве) из той или иной стали. 99% сплава классифицируется как конструкционная сталь, поэтому инструментов и оборудования, где она используется, практически нет.

В этой статье мы постараемся осветить такие темы, как классификация марок, цена стали, ее свойства и применение в строительстве.

Что такое сталь?

Сталь представляет собой сплав железа и углерода. В обычных случаях доля углерода колеблется от 0,1 до 2,14%. Однако, поскольку легированные стали могут содержать много других добавок, сегодня под сталью понимают сплав, в котором доля железа составляет не менее 45%.

В этом видео объясняется, что такое сталь и как она производится:

Понятия и свойства

Главное привлекательное характеристики стали — высокая прочность, доступность сырья и относительно простой способ производства. Именно эта комбинация ставит сплавы железа на первое место. Сегодня просто нет такой области народного хозяйства, где сталь не занимала бы положение конструкционного материала.

• Базовыми компонентами сплава являются железо и углерод. Из них железо обеспечивает пластичность и ударную вязкость, поэтому сталь относят к ковкому и ковкому сплаву. А углерод – это твердость и прочность, ведь твердость всегда сочетается с хрупкостью. Добавление углерода невелико и даже в специализированных составах не превышает 3,4%.
• Также из-за способа производства сталь всегда содержит определенное количество марганца до 1% и кремния до 0,4%. Эти примеси мало влияют на свойства композиции, пока они не превышают определенного уровня. По тем же причинам в составе присутствуют и вредные примеси: несвязанный фосфор, сера, азот и кислород. В процессе плавки и легирования от этих добавок стараются избавиться, так как они снижают прочность и пластичность сплавов.
• В сплав искусственно добавляют другие добавки, которые изменяют качество материала. Поэтому добавки хрома придают стали жаростойкость, а никеля — коррозионную стойкость и ударную вязкость.
• Чрезвычайно полезным свойством сплавов железа является то, что очень небольшие добавки к весу других веществ вызывают изменение свойств. Это дает возможность значительно разнообразить качество материала. Кроме того, на свойства сплава большое влияние оказывает способ производства самих изделий: холодная деформация, горячая деформация, закалка и др.

Отношение к чугуну

Чугун по своим свойствам и составу наиболее близок к стали. Часть материала и изготовлена ​​из новейшего литейного производства. На практике, однако, очень заметны различия в характеристиках:

• сталь прочнее и тверже чугуна;
• Чугун на самом деле легче стали и имеет более низкую температуру плавления. Массивность изделий из чугуна производит обманчивое впечатление, поскольку менее прочна;
• Сталь легче обрабатывать из-за низкого содержания углерода. Чугун предпочтительнее чугуна;
• чугун имеет меньшую теплоемкость теплопроводность, то есть изделия из него аккумулируют тепло лучше, чем из стали;
• Чугун нельзя подвергать такому процессу, как закалка. И это может значительно увеличить прочность материала.

Далее рассмотрим преимущества и недостатки стали.

Преимущества и недостатки

Достаточно сложно описать плюсы и минусы материала . На практике это изделия из стали и сплавов различного качества и, следовательно, свойств. И одно из свойств материала как раз и заключается в том, что на его свойства влияет и способ производства изделия. Качество сварной трубы не идет ни в какое сравнение с трубой из холоднокатаной стали.

В целом можно говорить о следующих преимуществах стали:

• высокая прочность и твердость – характерна для всех видов;
• широкий спектр свойств за счет разного состава и разных способов обработки;
• достаточная вязкость и эластичность для использования во всех областях, где требуется устойчивость к ударным, статическим и динамическим нагрузкам без остаточной деформации;
• простота механической обработки — сварки, резки, гибки;
• очень высокая износостойкость по сравнению с другими конструкционными материалами и, как следствие, долговечность;
• Преимущество сырья и рентабельный метод производства, что приводит к доступной стоимости сплава.

К недостаткам относятся следующие:

• Самым большим недостатком материала является отсутствие коррозионной стойкости. Чтобы избежать повреждений, выпускают специальные виды стальных металлов – нержавеющую сталь, но цена их значительно выше. Чаще всего проблему решают путем покрытия стальных изделий защитным слоем из металла или полимера;
• Сплав накапливает электричество, что значительно увеличивает электрохимическую коррозию. Любые громоздкие конструкции – корпуса машин, трубопроводы требуют специальной защиты;
• Сплав не легкий, стальные конструкции тяжелые и заметно утяжеляют предметы;
• Производство металлопродукции представляет собой многостадийный процесс. Недостатки и ошибки на любом из этапов приводят к значительному падению качества.

Будет рассмотрена маркировка и классификация сталей по качеству, назначению, составу и другим свойствам.

Разновидности металлов

Рассчитать количество известных и применяемых сегодня сплавов является очень сложной задачей. Их классификация не менее сложна: свойства материала зависят от состава, способа получения, природы добавок, способа обработки и т. д.

Наиболее часто используемые классификации:

• в зависимости от химического состава стали — углеродистой и легированной;
• по структурному составу: аустенитные, ферритные и др.;
• по содержанию примесей: нормальное качество, высокое качество и т.д.;
• в зависимости от способа обработки — термическая закалка — отжиг, термомеханическая — ковка, химико-термическая — азотирование;
• по назначению: инструментальные, конструкционные, специальные стали и др.

Нержавеющая сталь в этом видео:

Химический состав

Сплав представляет собой твердый раствор. Кроме того, компонент в твердом основном материале растворяется в соответствии с иные законы, чем в жидкости. В основе получения всех сплавов железа лежит способность железа к полиморфизму, т. е. к образованию различных структурных фаз при различных температурах. По этой причине углерод и другие элементы, растворенные в железе при высоких температурах, не выпадают в осадок при понижении температуры, как в обычных жидкостях, а образуют общую структуру.

По составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углерод

Углерод: основной, т. е. определяющий свойства компонент сплава – углерод. Существует 3 типа:

• с низким содержанием углерода : менее 0,3%. Сплавы пластичны и устойчивы к динамическим нагрузкам;
• средний углерод : доля углерода колеблется от 0,3 до 0,7%;
• высокое содержание углерода содержит более 0,7% углерода. Они отличаются повышенной прочностью и твердостью.

Это деление связано с превращениями, происходящими в сплавах. До содержания углерода 0,8 % сплав сохраняет доэвтектоидную структуру, т. е. имеет ферритно-перлитную структуру. С увеличением содержания углерода структура изменяется на эвтектоидную и заэвтектоидную, что соответствует перлиту и цементиту. Соотношение фаз во многом определяет прочностные свойства.

Пользователь столкнется не столько с высоко- или низкоуглеродистой сталью, сколько с составом конкретной марки. Марка определяется по соотношению нескольких критериев, а не только по содержанию углерода.

Различают 3 группы по назначению:

• А — Нормируются механические свойства . Группа разделена на 3 категории и 6 брендов. Марка Ст указывается от 0 до 6. Ст0 – бракованная сталь для некоторых калибров, используемая в незначительных конструкциях. Ст6 – наиболее соответствует понятию качественная сталь;
• Б — нормированный по химическому составу, подразделяется на 2 категории и 6 марок, обозначаемых БСТ от 0 до 6. По мере увеличения числа повышается прочность и текучесть материала;
• Группа Б нормируется как по механическим параметрам, так и по составу. Он разделен на 5 брендов, называемых Vst.

Легированные

Легированными сталями называются стали, в которые специально добавляются другие добавки для придания композиции другого качества. Классификация основана на общем объеме всех легирующих добавок, а не на примесях марганца. или фосфор.

Бывает 3-х видов:

• низколегированная — с общим количеством добавок до 2,5%;
• средний сплав : содержит от 2,5 до 10% примесей;
• в высоколегированных доля добавок превышает 10%.

Сплав значительно усложняет структуру твердого раствора, что приводит к возникновению сложнейшей классификации по структурному составу. Классы указываются по составу: должна быть указана доля углерода. И далее в порядке убывания перечислены соотношения легирующих элементов. Если доля примесей менее 1%, то вещество не указывается.

В качестве добавок используются неметаллы и металлы.

• Марганец — повышает прочность и твердость материала, улучшает режущие свойства. Но в то же время способствует увеличению зерна, что снижает устойчивость к ударным нагрузкам.
• Хром : Улучшает устойчивость к ударам и статическому заряду, а также повышает устойчивость к теплу. При большой доле хрома материал становится нержавеющим.
• Никель — повышает эластичность сплава. При значительном содержании он придает стали устойчивость к коррозии и нагреву.
• Молибден : Увеличивает твердость сплава, но в то же время снижает хрупкость.

Фазовый и структурный состав

Получение стали сложный и неоднозначный процесс. Его особенность заключается в том, что при плавлении в сплаве происходят фазовые превращения, определяющие сочетание прочности и гибкости.

Легирование углеродом происходит в 2 стадии. На первом этапе при нагревании до 725°С железо соединяется с углеродом с образованием карбида, то есть химического соединения, называемого цементитом. При нормальных температурах сталь содержит смесь цементита и феррита. При температуре выше 725 С цементит растворяется в железе и образует другую фазу — аустенит.

Эта характеристика связана с классификацией сплава по структурному составу в стандартизированном виде:

• перлитные — преимущественно малоуглеродистые и низколегированные стали;
• мартенситные – с повышенным содержанием добавок;
• Аутентичный — высоколегированный.

В отожженном состоянии различают следующие структурные классы:

• доэвтектоидный,
• заэвтектоидный,
• ледебурит,
• феррит,
• аустенит.

Каково значение такого разделения? Дело в том, что легирующие элементы по-разному влияют на разные стальные конструкции. Таким образом, растворение легирующих элементов в феррите приводит к увеличению предела прочности, за исключением марганца и кремния, упрочняющих сплав. При легировании аустенита предел текучести падает до относительно высокой прочности. Благодаря этому материал легко и быстро твердеет при деформации — клепке.

Классификация по раскислителю

При плавке металлов частой проблемой является растворенный в них газ: кислород, азот, водород , для его удаления прибегают к раскислению. в зависимости от целостности выделяют 3 типа процессов:

• спокойный — металл не содержит оксида железа. Сплав полностью безгазовый, поэтому его свойства наиболее стабильны и однородны. Применяется для ответственных конструкций из-за дороговизны технологии его производства;
• полуспокойный — застывает без кипения, но сопровождается выделением газов. Некоторые газы остаются, но их можно удалить путем прокатки сплава. Как правило, полуспокойная сталь используется в качестве конструкционной стали;
• кипящая – содержит растворенные газы. Это сказывается на свойствах: материал склонен к растрескиванию, например, при сварке, но поскольку производство низкоуглеродистой стали наиболее дешевое, такой сплав выпускается даже для многих простых конструкций.

Классификация по назначению

Достаточно условное деление сталей по сортаменту стали.

• Конструкция — сплавы обыкновенного и низколегированного качества, предназначенные для высоких статических, а в некоторых случаях и динамических нагрузок. Основное требование к ним – хорошая свариваемость. На самом деле, в зависимости от характера строительного объекта, используются материалы самого разного качества.
• Инструмент — обычно высокоуглеродистый и высоколегированный, используемый в инструментальном производстве. Существуют прессованные сплавы, режущие сплавы и калибровочные инструментальные стали. Режущие инструменты твердые и термостойкие, материал измерительных инструментов отличается высокой износостойкостью.
• Структурная — низкое содержание марганца. Это цементируемые, высокопрочные, автоматические, шариковые, износостойкие и др., применяемые для изготовления самых разнообразных узлов и конструкций. Этот широкий спектр свойств достигается путем легирования.
• Иногда выделяют специальные стали — жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные, но по сути это разновидность конструкционной стали.

Содержание примесей

Сталь может содержать полезные примеси, т.е. легирующие элементы, и вредные примеси. По содержанию вредных веществ различают 4 группы:

• обыкновенный — или обыкновенного качества, с содержанием серы не более 0,06% и фосфора не более 0,07%;
• высокое качество — допускается не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора. Процесс производства дороже, но механические свойства сталей лучше;
• высокое качество — доля серы не превышает 0,025% и фосфора — 0,025%. Сплавы получают в основном в электропечах для достижения высокой чистоты;
• особо высокого качества — отливают в электропечах специальными методами. Таким способом получают только высоколегированные стали с содержанием серы до 0,015 % и фосфора — 0,025 %.

Далее рассмотрим технологию и процесс производства стали, его этапы и виды.

Производство сплавов

Процесс производства сплавов сводится к обработке чугуна, в которую вводятся избыточные примеси и легирующие элементы. Для этого используются различные методы.

• Мартен : расплавленное или твердое железо с рудой плавится в мартеновской печи при 2000 C для выжигания избыточного углерода. Добавки добавляются в конце плавки. Сталь разливается в ковши и транспортируется на прокатный стан.
• Преобразователь кислорода более эффективен. Через расплавленный чугун в печи продувается воздух или смесь воздуха и кислорода, что приводит к более быстрому и полному отжигу.
• Электромуфта : Плавка производится в закрытой печи при температуре 2200 С, что предотвращает проникновение газов в сплав. Дорогостоящий метод, позволяющий получать только качественные соединения.
• Прямой способ — в шахтной печи окатыши, полученные из железной руды, продуваются продуктами сгорания природного газа — смесью кислорода, окиси углерода, аммиака, при температуре 1000 С

Автор процесс выплавки стали не заканчивается. В тех случаях, когда необходимо получить наиболее прочный материал, прибегают к дополнительной обработке.

Термический метод

К термическим методам относятся: медленный нагрев и охлаждение разных видов и с разной скоростью;

закалка: нагрев выше критической температуры, вызывающий более быструю рекристаллизацию и охлаждение сплава;

отпуск — процедура, выполняемая после закалки с целью снижения напряжения металла;

нормализация: тот же отжиг, но не в печи, а на воздухе.

Видео-гайд: Все что есть про сталь

---

Термомеханический метод

Термомеханические методы сочетают механическое и термическое воздействие:

• Высокотемпературный ТМО — закалка — закалка, Длительность закалки место сразу после нагрева, при этом сплав сохраняет свою аустенитную структуру. Изменение за счет пластической деформации при прокатке или прессовании сохраняется на 70 %, а сталь становится прочнее после охлаждения;
• низкотемпературная ТМТ — холоднокатаная сталь. Сплав нагревают до аустенитного состояния, охлаждают ниже точек рекристаллизации до появления мартенситной фазы, в пределах 400-600 С. После этого проводят закалку: закалку, прокатку. После охлаждения эффект полностью сохраняется.

Термохимическая обработка

Термохимическая обработка заключается в нагреве сплавов и выдержке их в определенных химических средах. Среди наиболее известных методов:

• Науглероживание: насыщение поверхности сплава углеродом. Таким образом получается износостойкий верхний слой;
• азотирование — науглероживание стали азотом. Цель та же: получить более износостойкий слой, но по сравнению с науглероживанием азотирование обеспечивает большую коррозионную стойкость;
• нитроцементация и цианирование: насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом. Это обеспечивает более высокую скорость процесса и производительность.

Стоимость материала

Стоимость материала изменяется не меньше, чем количество баллов. Условная стоимость стали на Лондонской бирже металлов в декабре 2016 года составляет 325 долларов за тонну. Затраты на нержавеющую сталь значительно выше: стоимость холоднокатаной нержавеющей стали марки 304 в декабре варьировалась от 1890 до 1925 долларов за тонну.

Сталь является наиболее востребованным металлическим сплавом и наиболее широко используется в мире. Когда мы говорим о роли железа в народном хозяйстве, то имеют в виду различные стальные сплавы.

Посмотрите следующее видео о выплавке стали:

Источник