Сталь сообщение по химии

Обновлено: 04.07.2024

Разновидности стали

Сплавляя разные металлы и неметаллические минеральные вещества, можно получать материалы с новыми свойствами, которыми не обладает ни один из входящих в них элементов. Мягкие металлы становятся твердыми, непрочные превращаются в очень крепкие, легко расплавляемые приобретают возможность выдерживать высокую температуру. Даже небольшие добавки других веществ в расплавленный металл резко изменяют его свойства. Такие добавки называются легирующими элементами, а металл — легированным.

Например, нержавеющая сталь легирована никелем и хромом, а сталь легированная вольфрамом и хромом становится быстрорежущей (разновидность инструментальной). Резцы этой стали могут накаляться при работе до красного цвета, сохраняя свою твердость.

В зависимости от типа производства сталь бывает мартеновской, кислородно-конвертерной (важнейший способ производства на сегодняшний день), кислой, основной или электросталью.

По назначению изделий выделяются группы: конструкционные (строительные конструкции, машины, суда, вагоны, паровые котлы) и инструментальные (ударно-штамповые, режущие и мерительные инструменты).

По качеству (количеству вредных примесей) стали подразделяют на обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По характеру застывания различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.

Применение стали

Этот сплав уже несколько веков верно служит человечеству в самых разных областях. На его долю приходится более 90 % всех изделий из металла. Более того, это основной элемент черной металлургической промышленности и главный материал для любого производства. Из сплавов изготавливаются инструменты, детали машин, бытовые вещи, мосты, скульптуры и т.д.

На сегодняшний день во всем мире производится около полутора миллиардов тонн стали. Около половины мирового производства приходится на долю Китая. Россия в этом списке находится на 15 месте.

Категория: Ископаемые

Сталь и изделия из неё настолько прочно вошли в жизнь и быт современного человека, что существование без металлических предметов трудно представить. Когда это касается посуды, мелких инструментов, бытовой техники и оборудования совсем не обязательно знать марку, классификацию сплавов, области их применения.

Что такое сталь, и её отличие от чугуна

Железоуглеродистый сплав — это и есть всем известная сталь. Обычно доля углерода в сплаве варьируется от 0,1 до 2,14%. Увеличение концентрации углерода делает сталь хрупкой. Кроме основных компонентов в сплаве содержатся и небольшие количества магния, марганца и кремния, а так же вредных серных и фосфорных примесей.

По основным свойствам сталь и чугун очень схожи. Несмотря на это между ними существуют значительные различия:

сталь более прочный и твёрдый материал, нежели чугун;
чугун, несмотря на обманчивую массивность чугунных изделий, более лёгкий материал;
поскольку в составе стали ничтожно малый процент углерода, её легче обрабатывать. Для чугуна более предпочтительна отливка;
изделия из чугуна лучше сохраняют тепло, благодаря тому, что его теплопроводность значительно ниже чем у стали;
закалка металла, повышающая прочность материала, невозможна в отношении чугуна.

Достоинства и несовершенства стальных сплавов

Поскольку марок стали огромное количество, а изделий из неё ещё больше, то говорить о плюсах и минусах стали бессмысленно. Тем более, что свойства металла во многом зависят от технологий изготовления и обработки.

Вследствие этого можно только выделить несколько общих преимущественных особенностей стали, таких как:

прочность и твёрдость;
вязкость и упругость, то есть способность не деформироваться и выдерживать ударные, статические и динамические нагрузки;
доступность для разных способов обработки;
долговечность и повышенная износоустойчивость в сравнении с другими металлами;
доступность сырьевой базы, экономичность производственных технологий.

К сожалению, стали свойственны и некоторые минусы:

неустойчивость к коррозии, в том числе высокий уровень электрохимической коррозии;
сталь — тяжёлый металл;
изготовление изделий из стали производится в несколько этапов, нарушение технологии на любом из них приводит к снижению качества.

Разновидности и классификации стальных сплавов

Сегодня сложно определить количество производимых и используемых стальных сплавов. Так же не просто их классифицировать, поскольку их свойства зависят от множества параметров, таких как состав, характер и количество добавок, способы изготовления и обработки, назначения и многих других.

По качеству принято различать обычные, качественные, высококачественные и особовысококачественные стали. Доля вредных примесей является основным критерием для определения качества сплава. Для обыкновенных сталей характерны более высокие значения доли примесей, чем для особовысококачественных сплавов.

Химический состав стали. В основу производства сплавов из железа положена его способность формировать различные структурные фазы при разных температурах, так называемый полиморфизм. Благодаря этой способности, растворённые в железе примеси, образуют сплавы различных составов. Принято делить стальные сплавы на углеродистые и легированные.

Сталь по определению является сплавом железа с углеродом, от концентрации которого зависят его свойства: твёрдость, прочность, пластичность, вязкость. В составе углеродистой стали практически не содержится дополнительных добавок.

Базовые примеси — марганец, магний, и кремний содержатся в минимальных количествах, и не ухудшают её свойств и качеств. Кремний и марганец оказывают на сплав раскисляющее действие, повышают упругость, износоустойчивость, жаростойкость. Но, в случае увеличения доли являются легирующими элементами. Стали с большим содержанием марганца теряют магнитные свойства.

Значительно более вредные для обоих видов сталей примеси серы и фосфора. Сера, соединяясь с железом, способствует повышению хрупкости при обработке высокими температурами (прокат, ковка), увеличению усталости, уменьшению устойчивости к коррозии.

Фосфор, особенно при большой доле углерода в сплаве, повышает его хрупкость в обычных температурных условиях. Кроме этого, существует целая группа скрытых, неудаляющихся во время плавки вредных примесей. Эти неметаллические включения в виде азота, водорода и кислорода при горячей обработке делают металл более рыхлым.

Виды углеродистой стали

Углеродистые стали делятся на виды, которые характеризуются долей содержания углерода:

к высокоуглеродистым относятся сплавы с долей более 0,6 %;
в среднеуглеродистых сплавах концентрация углерода находится в пределах от 0,25 до 0,6 %;
допустимые значения, характерные для низкоуглеродистых сталей — не более 0,25 % .

Легированные стали подразделяются на:

— низколегированные, с долей легирующих добавок не более 2,5 %;

— среднелегированные, с долей дополнительных элементов до 10%;

— высоколегированные, в которых доля легирующих элементов составляет более 10%.

Легированные стали отличаются низкой концентрацией углерода и наличием различных легирующих добавок.

В соответствии с назначением стали делят на группы конструкционных, инструментальных и сталей особого назначения.

Каждая группа делится на подгруппы и виды, которые конкретизируют свойства, особенности и области применения сплавов.

К конструкционным сталям относятся:

Строительные, их основное свойство — хорошая свариваемость, это низколегированные сплавы обычного качества.
Для холодной штамповки используют прокат из низкоуглеродистых сплавов обычного качества.
Цементуемые, применяются в изготовлении деталей с поверхностным истиранием.
Высокопрочные характеризуются двойным порогом прочности относительно других конструктивных видов.
Рессорно-пружинные стали с добавлением ванадия, брома, кремния, хрома и марганца, рассчитаны на длительное сохранение упругости.
Шарикоподшипниковые стали с большой долей углерода и добавлением хрома, которым свойственны особая износоустойчивость, прочность и выносливость.
Автоматные, в их составе присутствуют примеси серы, свинца, теллура и селена, облегчающие обработку металла станками — автоматами, на которых осуществляется производство массовых деталей
Нержавеющие, к ним относятся сплавы с высоким содержанием хрома и никеля. Концентрация углерода в таких сплавах минимальна.

Виды инструментальной стали

Стали инструментального назначения имеют несколько разновидностей:

Используемые в производстве режущих инструментов, к ним относятся некоторые виды углеродистой, легированной и быстрорежущей стали.
Измерительные инструменты производятся из достаточно твёрдых сплавов, обладающих износоустойчивостью и способностью к сохранению постоянных размеров, чаще всего для этого используют закалённую и цементированную сталь.
Для штамповой стали характерны твёрдость, термоустойчивость и прокаливаемость. Этот вид делится на подвиды, к которым относят валковые сплавы и стали для разнотемпературной обработки.

К сталям особого назначения относят марки сталей, которые применяются в конкретных производственных областях:

электротехнические стали — из них производят магнитные провода;
суперинвары — используют в производстве высокоточных приборов;
жаростойкие — работают при температурах более 900 °C;
жаропрочные — могут работать при высоких температурах в нагруженных состояниях.

Структура стали

Концентрация углерода в сплаве определяет не только свойства металла, но и его внутреннюю структуру. К примеру, мало- и среднеуглеродистые сплавы имеют структуру, состоящую из феррита и перлита. При увеличении доли углерода начинается формирование вторичного цементита. Легирование стали тоже меняет структуру сплава.

По структуре стали могут быть:

перлитными — с низким содержанием легирующих добавок;
мартенситными — стали, имеющие пониженную критическую скорость закалки и средний уровень содержания легирующих примесей;
аустенитными — высоколегированные сплавы, применяемые в агрессивных средах.

Отожженные стали делятся на:

доэвтектоидную сталь, с концентрацией углерода менее 0,8%;
заэвтектоидную сталь, состоящую из перлита и цементита, применяют как инструментальную;
карбидную (ледебуритную) — к ней относятся быстрорежущие стали;
ферритную — высоколегированную сталь с низким содержанием углерода.

Способы изготовления стали и технологии

От технологии изготовления стали зависят структура этого сплава, его состав и свойства. Обычные стали производятся в мартеновских печах или конвертерах. Как правило, они насыщены значительным количеством неметаллических примесей.

Высококачественные сплавы производят с использованием электропечей. Особовысококачественные легированные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей, производятся в процессе электрошлаковой переплавки.

При производстве сталей используют процесс раскисления, направленный на выведение кислорода из структуры сплава. От количества удалённого кислорода зависит, какие получаются стали: малораскисленные, совершенно раскисленные или полураскисленные. Их классифицируют, как кипящие, спокойные и полуспокойные.

Марки стали

Несмотря на то, что сталь однозначно признаётся самым востребованным сплавом железа, единая система маркировки её видов по настоящее время не сложилась. Наиболее проста и популярна буквенно-численная маркировка.

Литеры используются и в маркировке легированных сталей. Они указывают на основной элемент, применяемый для легирования. Идущая следом цифра показывает концентрацию данного элемента в составе стали. Перед литерой ставят цифру, соответствующую доле углерода в металле в сотых %.

Буквенно-числовая маркировка, пожалуй, одна из самых простых и понятных для потребителя. Другие, более сложные, доступны только для специалистов.

Сталь является одним из самых эффективных современных строительных материалов. Она обладает самым высоким отношением предела прочности к массе среди традиционных материалов, а также очень износоустойчива. В настоящее время используется свыше 20 млрд тонн стали в виде самых разнообразных изделий. Сталь может бесконечно подвергаться повторной переработке, позволяя создавать новую продукцию из старой без какой-либо потери прочности, пластичности или любых других эксплуатационных характеристик. Именно поэтому во всем мире сталь остается наиболее предпочтительным материалом для строительства и промышленности.

Новые химические составы высокотехнологичных сталей позволяют авто производителям изготавливать более прочные и легкие транспортные средства, потребляющие меньше энергии. Сталь имеет значительные преимущества для строительства башен ветровых турбин вследствие ее прочности и долговечности. Воздействие на окружающую среду сведено к минимуму, так как сталь может повторно перерабатываться без ограничений. Прочность стали также позволяет разработчикам использовать меньше материала без ущерба для конструктивных характеристик сооружений. Сталь также является частью инновационных технологий, позволяющих снизить энергопотребление в зданиях.

Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.

Что такое сталь

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.

Но сталь – это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу – повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.

Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.

Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Классификация сталей по качеству

Все стали по качеству подразделяют на:

- сталь обыкновенного качества;

- сталь повышенного качества;

Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества – для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные – в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.

Читайте также: