Главная > База знаний > Большая советская энциклопедия > СТАЛЬ

СТАЛЬ

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-ройсодержится
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,цифры марки обозначают ср. содержание С (в сотых долях процента для конструкционных
С. и в десятых долях процента для инструмент-альных 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.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я