Сталь — это сплав железа и углерода с улучшенной прочностью и устойчивостью к разрушению по сравнению с другими формами железа. Благодаря своей высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь является одним из наиболее распространенных материалов в мире. Сталь используется в зданиях, в качестве арматурных стержней для бетона, в мостах, инфраструктуре, инструментах, кораблях, поездах, автомобилях, велосипедах, станках, электроприборах, мебели и оружии.
Железо всегда является основным элементом в стали, но могут присутствовать или добавляться многие другие элементы. Нержавеющие стали, устойчивые к коррозии и окислению, обычно требуют дополнительных 11% хрома.
Железо является основным металлом стали. В зависимости от температуры оно может принимать две кристаллические формы (аллотропные формы): объемно-центрированную кубическую и гранецентрированную кубическую. Взаимодействие аллотропов железа с легирующими элементами, в первую очередь углеродом, придает стали и чугуну ряд уникальных свойств. В чистом железе кристаллическая структура имеет относительно небольшое сопротивление проскальзыванию атомов железа друг мимо друга, поэтому чистое железо довольно пластичное, или мягкое, и легко формуется. В стали небольшие количества углерода, других элементов и включений в железе действуют как упрочняющие агенты, которые предотвращают движение дислокаций.
Углерод в типичных стальных сплавах может составлять до 2,14% от его веса. Изменение количества углерода и многих других легирующих элементов, а также контроль их химического и физического состава в конечной стали (либо как растворенных элементов, либо как выделенных фаз) препятствует движению дислокаций, которые делают чистое железо пластичным, и, таким образом, контролирует и улучшает его качества. Эти качества включают твердость, поведение при закалке, необходимость отжига, поведение при отпуске, предел текучести и прочность на растяжение получаемой стали. Увеличение прочности стали по сравнению с чистым железом возможно только за счет снижения пластичности железа.
Сталь производилась в кричных печах в течение тысяч лет, но ее крупномасштабное промышленное использование началось только после того, как в 17 веке были изобретены более эффективные методы производства, с введением доменной печи и производством тигельной стали. За этим последовал бессемеровский процесс в Англии в середине 19 века, а затем мартеновская печь. С изобретением бессемеровского процесса началась новая эра массового производства стали. Мягкая сталь заменила кованое железо. Немецкие государства были основными производителями стали в Европе в 19 веке. Американское производство стали было сосредоточено в Питтсбурге, Вифлееме, Пенсильвании и Кливленде до конца 20 века.
Дальнейшие усовершенствования в процессе, такие как кислородно-конвертерное производство стали (BOS), в значительной степени заменили более ранние методы, еще больше снизив себестоимость производства и повысив качество конечного продукта. Сегодня ежегодно производится более 1,6 млрд тонн стали. Современная сталь обычно идентифицируется различными марками, определенными различными организациями по стандартизации. Современная сталелитейная промышленность является одной из крупнейших обрабатывающих отраслей в мире, но также одной из самых энергоемких и интенсивных по выбросам парниковых газов отраслей, на долю которой приходится 8% мировых выбросов. Однако сталь также очень пригодна для повторного использования: это один из самых перерабатываемых материалов в мире, с уровнем переработки более 60% во всем мире.
Определения и сопутствующие материалы
Существительное сталь происходит от протогерманского прилагательного **stahliją или **stakhlijan ‘сделанный из стали’, которое связано со словами **stahlaz или **stahliją ‘стойкий, устойчивый’.
Содержание углерода в стали составляет от 0,02% до 2,14% по весу для обычной углеродистой стали (сплавы железа с углеродом). Слишком малое содержание углерода делает (чистое) железо довольно мягким, пластичным и слабым. Содержание углерода выше, чем в стали, делает сплав хрупким, обычно называемым чугуном. Легированная сталь — это сталь, в которую намеренно добавлены другие легирующие элементы для изменения характеристик стали. Обычные легирующие элементы включают: марганец, никель, хром, молибден, бор, титан, ванадий, вольфрам, кобальт и ниобий. Дополнительные элементы, которые чаще всего считаются нежелательными, также важны в стали: фосфор, сера, кремний и следы кислорода, азота и меди.
Простые сплавы углерода и железа с содержанием углерода более 2,1% известны как чугун. Современные методы производства стали, такие как порошковая формовка металла, позволяют производить стали с очень высоким содержанием углерода (и других легированных материалов), но они не распространены. Чугун нековок даже в горячем состоянии, но его можно формовать литьем, поскольку он имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и хорошие литейные свойства. Некоторые составы чугуна, сохраняя экономичность плавления и литья, могут быть подвергнуты термической обработке после литья для изготовления изделий из ковкого железа или ковкого железа. Сталь отличается от кованого железа (сейчас в значительной степени устаревшего), которое может содержать небольшое количество углерода, но большое количество шлака.
Свойства материала
Происхождение и производство
Железо обычно встречается в земной коре в виде руды, обычно оксида железа, такого как магнетит или гематит. Железо извлекается из железной руды путем удаления кислорода посредством его соединения с предпочтительным химическим партнером, таким как углерод, который затем теряется в атмосфере в виде углекислого газа. Этот процесс, известный как плавка, был впервые применен к металлам с более низкими температурами плавления, таким как олово, которое плавится при температуре около 250 °C (482 °F), и медь, которая плавится при температуре около 1100 °C (2010 °F), и их комбинация, бронза, которая имеет температуру плавления ниже 1083 °C (1981 °F). Для сравнения, чугун плавится при температуре около 1375 °C (2507 °F). Небольшие количества железа выплавлялись в древние времена в твердом состоянии путем нагрева руды в угольном огне, а затем сварки комков вместе молотком и в процессе выдавливания примесей. При осторожности содержание углерода можно было контролировать, перемещая его в огне. В отличие от меди и олова, жидкое или твердое железо довольно легко растворяет углерод.
Все эти температуры могли быть достигнуты древними методами, используемыми со времен Бронзового века. Поскольку скорость окисления железа быстро увеличивается после 800 °C (1470 °F), важно, чтобы плавка происходила в среде с низким содержанием кислорода. Плавка с использованием углерода для восстановления оксидов железа приводит к получению сплава (чугуна), который сохраняет слишком много углерода, чтобы называться сталью. Избыточный углерод и другие примеси удаляются на следующем этапе.
В смесь железа и углерода часто добавляют другие материалы для получения стали с желаемыми свойствами. Никель и марганец в стали повышают ее прочность на разрыв и делают аустенитную форму раствора железа и углерода более стабильной, хром повышает твердость и температуру плавления, а ванадий также повышает твердость, делая ее менее подверженной усталости металла.
Для предотвращения коррозии в сталь можно добавить не менее 11% хрома, чтобы на поверхности металла образовался твердый оксид; это известно как нержавеющая сталь. Вольфрам замедляет образование цементита, удерживая углерод в железной матрице и позволяя мартенситу преимущественно образовываться при более медленных скоростях закалки, что приводит к получению быстрорежущей стали. Добавление свинца и серы уменьшает размер зерна, тем самым делая сталь более легкой для точения, но также более хрупкой и подверженной коррозии. Такие сплавы, тем не менее, часто используются для таких компонентов, как гайки, болты и шайбы, в приложениях, где прочность и коррозионная стойкость не являются первостепенными. Однако в большинстве случаев элементы p-блока, такие как сера, азот, фосфор и свинец, считаются загрязняющими веществами, которые делают сталь более хрупкой, и поэтому удаляются из стали во время процесса плавки.
Характеристики
Плотность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов, но обычно составляет от 7750 до 8050 кг/м3 (от 484 до 503 фунтов/куб. фут) или от 7,75 до 8,05 г/см3 (от 4,48 до 4,65 унций/куб. дюйм).
Даже в узком диапазоне концентраций смесей углерода и железа, из которых делают сталь, могут образовываться несколько различных металлургических структур с очень разными свойствами. Понимание таких свойств необходимо для производства качественной стали. При комнатной температуре наиболее стабильной формой чистого железа является объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура, называемая альфа-железом или α-железом. Это довольно мягкий металл, который может растворять только небольшую концентрацию углерода, не более 0,005% при 0 °C (32 °F) и 0,021% по весу при 723 °C (1333 °F). Включение углерода в альфа-железо называется ферритом. При 910 °C чистое железо превращается в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую гамма-железом или γ-железом. Включение углерода в гамма-железо называется аустенитом. Более открытая структура FCC аустенита может растворять значительно больше углерода, до 2,1% (в 38 раз больше, чем у феррита) при 1148 °C (2098 °F), что отражает верхнее содержание углерода в стали, за которым следует чугун. Когда углерод выходит из раствора с железом, он образует очень твердый, но хрупкий материал, называемый цементитом (Fe3C).
Когда стали с содержанием углерода ровно 0,8% (известные как эвтектоидные стали) охлаждаются, аустенитная фаза (ГЦК) смеси пытается вернуться в ферритную фазу (ОЦК). Углерод больше не вписывается в структуру ГЦК аустенита, что приводит к избытку углерода. Один из способов выхода углерода из аустенита — это его осаждение из раствора в виде цементита, оставляя после себя окружающую фазу ОЦК железа, называемую ферритом, с небольшим процентом углерода в растворе. Оба, феррит и цементит, осаждаются одновременно, образуя слоистую структуру, называемую перлитом, названную так из-за ее сходства с перламутром. В гиперэвтектоидном составе (более 0,8% углерода) углерод сначала будет выделяться в виде крупных включений цементита на границах зерен аустенита, пока процент углерода в зернах не снизится до эвтектоидного состава (0,8% углерода), после чего образуется перлитная структура. Для сталей, содержащих менее 0,8% углерода (доэвтектоидных), феррит сначала будет формироваться внутри зерен, пока остаточный состав не увеличится до 0,8% углерода, после чего сформируется перлитная структура. В доэвтектоидной стали на границах не образуются крупные включения цементита. Вышеизложенное предполагает, что процесс охлаждения происходит очень медленно, что дает достаточно времени для миграции углерода.
По мере увеличения скорости охлаждения у углерода будет меньше времени на миграцию с образованием карбида на границах зерен, но внутри зерен будет содержаться все большее количество перлита все более и более тонкой структуры; следовательно, карбид распределяется более широко и предотвращает скольжение дефектов внутри этих зерен, что приводит к упрочнению стали. При очень высоких скоростях охлаждения, вызванных закалкой, углерод не успевает мигрировать, а блокируется внутри гранецентрированного аустенита и образует мартенсит. Мартенсит представляет собой сильно деформированную и перенасыщенную форму углерода и железа, чрезвычайно твердую, но хрупкую. В зависимости от содержания углерода мартенситная фаза принимает различные формы. При содержании углерода ниже 0,2% он принимает кристаллическую форму феррита BCC, но при более высоком содержании углерода он принимает объемно-центрированную тетрагональную (BCT) структуру. Для превращения аустенита в мартенсит не существует энергии термической активации. [необходимы пояснения] Нет изменений в составе, поэтому атомы обычно сохраняют своих соседей.
Мартенсит имеет меньшую плотность (он расширяется во время охлаждения), чем аустенит, поэтому превращение между ними приводит к изменению объема. В этом случае происходит расширение. Внутренние напряжения от этого расширения обычно принимают форму сжатия кристаллов мартенсита и растяжения оставшегося феррита с изрядным количеством сдвига на обоих компонентах. Если закалка выполнена неправильно, внутренние напряжения могут привести к разрушению детали при охлаждении. По крайней мере, они вызывают внутреннее упрочнение и другие микроскопические дефекты. При закалке стали в воде часто образуются закалочные трещины, хотя они не всегда могут быть видны.
Термическая обработка
Существует много типов процессов термической обработки стали. Наиболее распространенными являются отжиг, закалка и отпуск.
Отжиг — это процесс нагрева стали до достаточно высокой температуры, позволяющей снять местные внутренние напряжения. Он не вызывает общего размягчения изделия, а лишь локально снимает напряжения и напряжения, запертые в материале. Отжиг проходит три фазы: восстановление, рекристаллизация и рост зерна. Температура, необходимая для отжига конкретной стали, зависит от типа отжига, который необходимо достичь, и легирующих компонентов.
Закалка включает нагрев стали для создания фазы аустенита, а затем закалку ее в воде или масле. Это быстрое охлаждение приводит к образованию твердой, но хрупкой мартенситной структуры. Затем сталь закаливают, что является просто специализированным типом отжига, для снижения хрупкости. В этом случае процесс отжига (отпуска) преобразует часть мартенсита в цементит или сфероидит и, следовательно, снижает внутренние напряжения и дефекты. Результатом является более пластичная и устойчивая к трещинам сталь.
Производство
Когда железо выплавляется из руды, оно содержит больше углерода, чем желательно. Чтобы стать сталью, ее необходимо переработать, чтобы уменьшить содержание углерода до нужного количества, после чего можно будет добавлять другие элементы. В прошлом сталелитейные заводы отливали сырой стальной продукт в слитки, которые хранились до использования в дальнейших процессах очистки, приводящих к получению готового продукта. На современных заводах исходный продукт близок к конечному составу и непрерывно отливается в длинные слябы, режется и формуется в прутки и профили и подвергается термической обработке для получения конечного продукта. Сегодня около 96% стали непрерывно отливается, в то время как только 4% производится в виде слитков.
Затем слитки нагревают в нагревательной яме и подвергают горячей прокатке в слябы, заготовки или блюмы. Слябы подвергаются горячей или холодной прокатке в листовой металл или пластины. Заготовки подвергаются горячей или холодной прокатке в прутки, стержни и проволоку. Блюмы подвергаются горячей или холодной прокатке в конструкционную сталь, такую как двутавровые балки и рельсы. На современных сталелитейных заводах эти процессы часто происходят на одной сборочной линии, с поступлением руды и выходом готовой стальной продукции. Иногда после окончательной прокатки стали ее подвергают термической обработке для прочности; однако это происходит относительно редко.
История
Древний
Сталь была известна еще в древности и производилась в плавильных цехах и тиглях.
Самые ранние известные свидетельства производства стали зафиксированы в железных изделиях, найденных при раскопках археологических раскопок в Анатолии (Каман-Калехёюк), которым почти 4000 лет, и которые датируются 1800 годом до нашей эры.
Сталь вутц была разработана в Южной Индии и на Шри-Ланке в 1-м тысячелетии до н. э. На предприятиях по производству металла в Шри-Ланке использовались ветровые печи, приводимые в движение муссонными ветрами, способные производить высокоуглеродистую сталь. Крупномасштабное производство стали вутц в Индии с использованием тиглей началось к шестому веку до н. э., став предшественником современного производства стали и металлургии.
Высокоуглеродистая сталь производилась в Британии с 490 по 375 гг. до н. э., а сверхвысокоуглеродистая сталь производилась в Нидерландах со 2 по 4 вв. н. э. Римский автор Гораций идентифицирует стальное оружие, такое как фальката, на Пиренейском полуострове, в то время как норикская сталь использовалась римской армией.
У китайцев периода Сражающихся царств (403–221 гг. до н. э.) была закаленная сталь, в то время как китайцы династии Хань (202 г. до н. э. — 220 г. н. э.) создавали сталь путем сплавления кованого железа с чугуном, таким образом получая к I веку н. э. сталь с промежуточным содержанием углерода.
Имеются данные, что углеродистая сталь производилась в Западной Танзании предками народа хайя еще 2000 лет назад с помощью сложного процесса «предварительного нагрева», позволяющего температуре внутри печи достигать 1300–1400 °C.
Вутц и Дамаск
Доказательства самого раннего производства высокоуглеродистой стали в Южной Азии обнаружены в Кодуманале в Тамил Наду, районе Голконда в Андхра-Прадеш и Карнатаке, регионах Индии, а также в Саманалавеве и Дехигаха Алаканда, регионах Шри-Ланки. Это стало известно как сталь вутц, производившаяся в Южной Индии примерно в шестом веке до нашей эры и экспортировавшаяся по всему миру. Технология производства стали существовала до 326 года до нашей эры в регионе, поскольку они упоминаются в литературе Сангам на тамильском, арабском и латинском языках как лучшая сталь в мире, экспортируемая в римлян, египтян, китайский и арабский миры в то время – то, что они называли серийным железом. Тамильская торговая гильдия 200 г. до н. э. в Тиссамахараме, на юго-востоке Шри-Ланки, привезла с собой некоторые из старейших железных и стальных артефактов и производственных процессов на остров из классического периода. Китайцы и местные жители Анурадхапуры, Шри-Ланка, также переняли методы производства стали вутц у тамилов династии Чера из Южной Индии к V веку н. э. На Шри-Ланке этот ранний метод производства стали использовал уникальную ветровую печь, приводимую в движение муссонными ветрами, способную производить высокоуглеродистую сталь. Поскольку технология была получена от тамилов из Южной Индии, возникновение технологии производства стали в Индии можно консервативно оценить в 400–500 гг. до н. э.
Изготовление стали вуц и дамасской стали, известной своей прочностью и способностью держать заточку, возможно, было заимствовано арабами из Персии, которые, в свою очередь, заимствовали ее из Индии. Изначально она была создана из нескольких различных материалов, включая различные микроэлементы, по-видимому, в конечном итоге из трудов Зосимы из Панополиса. В 327 году до нашей эры Александр Македонский был вознагражден побежденным царем Порусом не золотом или серебром, а 30 фунтами стали. Недавнее исследование предположило, что в ее структуру были включены углеродные нанотрубки, что могло бы объяснить некоторые из ее легендарных качеств, хотя, учитывая технологии того времени, такие качества были получены случайно, а не намеренно. Природный ветер использовался там, где почва, содержащая железо, нагревалась с помощью древесины. Древние сингальцы умудрялись извлекать тонну стали из каждых 2 тонн почвы, что было выдающимся достижением в то время. Одна такая печь была найдена в Саманалавеве, и археологи смогли производить сталь так же, как это делали древние.
Тигельная сталь, образованная путем медленного нагрева и охлаждения чистого железа и углерода (обычно в виде древесного угля) в тигле, производилась в Мерве в IX-X вв. н. э. В XI в. имеются свидетельства производства стали в Китае династии Сун с использованием двух технологий: «берганского» метода, который производил низкокачественную, неоднородную сталь, и предшественника современного бессемеровского процесса, который использовал частичное обезуглероживание посредством многократной ковки под холодным дутьем.
Современный
С 17-го века первым шагом в производстве стали в Европе была переплавка железной руды в чугун в доменной печи. [нужна страница] Первоначально при использовании древесного угля, в современных методах используется кокс, который оказался более экономичным. [нужна страница] [необходима страница][необходима страница]
Процессы, начинающиеся с пруткового железа
В ходе этих процессов чугун, полученный из сырой железной руды, очищался (очищался) в кузнечном горне для получения сортового железа, которое затем использовалось в сталеплавильном производстве.
Производство стали методом цементации было описано в трактате, опубликованном в Праге в 1574 году, и применялось в Нюрнберге с 1601 года. Похожий процесс цементации доспехов и напильников был описан в книге, опубликованной в Неаполе в 1589 году. Этот процесс был внедрен в Англию около 1614 года и использовался для производства такой стали сэром Бэзилом Бруком в Коулбрукдейле в 1610-х годах.
Сырьем для этого процесса служили железные слитки. В 17 веке стало понятно, что лучшая сталь добывается из железных рудников региона к северу от Стокгольма, Швеция. Это все еще был обычный источник сырья в 19 веке, почти до тех пор, пока использовался этот процесс.
Тигельная сталь — это сталь, которая была расплавлена в тигле, а не выкована, в результате чего она более однородна. Большинство предыдущих печей не могли достичь достаточно высоких температур, чтобы расплавить сталь. Ранняя современная тигельная сталелитейная промышленность возникла в результате изобретения Бенджамина Хантсмена в 1740-х годах. Черновая сталь (изготовленная, как указано выше) плавилась в тигле или в печи и отливалась (обычно) в слитки.[страница нужна]
Процессы, начинающиеся с чугуна
Современная эра в сталеплавильном производстве началась с внедрения процесса Генри Бессемера в 1855 году, сырьем для которого служил чугун. Его метод позволил ему производить сталь в больших количествах и дешево, поэтому мягкая сталь стала использоваться для большинства целей, для которых раньше использовалось кованое железо. Процесс Гилкриста-Томаса (или базовый процесс Бессемера) был усовершенствованием процесса Бессемера, выполненным путем футеровки конвертера основным материалом для удаления фосфора.
Еще одним процессом производства стали 19-го века был процесс Сименса-Мартена, который дополнил процесс Бессемера. Он состоял из сплава пруткового железа (или стального лома) с чугуном.
Эти методы производства стали устарели из-за процесса Линц-Донавиц для производства стали в кислородном конвертере (BOS), разработанного в 1952 году, и других методов производства стали в кислородном конвертере. Производство стали в кислородном конвертере превосходит предыдущие методы производства стали, поскольку кислород, закачиваемый в печь, ограничивает примеси, в первую очередь азот, которые ранее попадали из используемого воздуха, и поскольку, по сравнению с мартеновским процессом, то же количество стали в процессе BOS производится в двенадцать раз быстрее. Сегодня электродуговые печи (EAF) являются распространенным методом переработки металлолома для создания новой стали. Их также можно использовать для преобразования чугуна в сталь, но они потребляют много электроэнергии (около 440 кВт·ч на метрическую тонну) и, таким образом, как правило, экономичны только при наличии обильного запаса дешевой электроэнергии.
Промышленность
Сталелитейная промышленность часто считается индикатором экономического прогресса из-за важнейшей роли, которую сталь играет в инфраструктурном и общем экономическом развитии. В 1980 году в США было более 500 000 сталелитейщиков. К 2000 году число сталелитейщиков сократилось до 224 000.
Экономический бум в Китае и Индии вызвал огромный рост спроса на сталь. В период с 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года несколько индийских и китайских сталелитейных компаний расширились, чтобы удовлетворить спрос, например, Tata Steel (которая купила Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group. Однако по состоянию на 2017 год [обновление] ArcelorMittal является крупнейшим в мире производителем стали.
В 2005 году Британская геологическая служба заявила, что Китай является крупнейшим производителем стали с долей в мире около одной трети; Япония, Россия и США были вторым, третьим и четвертым местами соответственно, согласно исследованию. Большие производственные мощности стали также приводят к значительному количеству выбросов углекислого газа, присущих основному маршруту производства.
В конце 2008 года сталелитейная промышленность столкнулась с резким спадом, который привел к многочисленным сокращениям.
В 2021 году было подсчитано, что около 7% мировых выбросов парниковых газов приходится на сталелитейную промышленность. Ожидается, что сокращение этих выбросов будет достигнуто за счет изменения основного производственного маршрута с использованием кокса, большей переработки стали и применения технологий улавливания и хранения углерода или улавливания и утилизации углерода.
Переработка
Сталь является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире, ее уровень переработки составляет более 60% во всем мире; только в Соединенных Штатах в 2008 году было переработано более 82 000 000 метрических тонн (81 000 000 длинных тонн; 90 000 000 коротких тонн), что соответствует общему уровню переработки 83%.
Поскольку стали производится больше, чем перерабатывается, объем переработанного сырья составляет около 40% от общего объема произведенной стали — в 2016 году во всем мире было произведено 1 628 000 000 тонн (1,602×109 длинных тонн; 1,795×109 коротких тонн) нерафинированной стали, из которых 630 000 000 тонн (620 000 000 длинных тонн; 690 000 000 коротких тонн) было переработано.
Современный
Углерод
Современные стали изготавливаются с различными комбинациями легированных металлов для выполнения многих задач. Углеродистая сталь, состоящая просто из железа и углерода, составляет 90% производства стали. Низколегированная сталь легируется другими элементами, обычно молибденом, марганцем, хромом или никелем, в количестве до 10% по весу для улучшения прокаливаемости толстых секций. Высокопрочная низколегированная сталь имеет небольшие добавки (обычно < 2% по весу) других элементов, как правило, 1,5% марганца, для обеспечения дополнительной прочности за скромное увеличение цены.
Недавние корпоративные правила средней экономии топлива (CAFE) привели к появлению новой разновидности стали, известной как улучшенная высокопрочная сталь (AHSS). Этот материал одновременно прочен и пластичен, поэтому конструкции транспортных средств могут сохранять текущий уровень безопасности, используя при этом меньше материала. Существует несколько коммерчески доступных марок AHSS, например, двухфазная сталь, которая подвергается термической обработке для содержания как ферритной, так и мартенситной микроструктуры для получения формуемой высокопрочной стали. Сталь, индуцированная трансформацией (TRIP), включает в себя специальное легирование и термическую обработку для стабилизации количества аустенита при комнатной температуре в низколегированных ферритных сталях, обычно не содержащих аустенита. При приложении деформации аустенит претерпевает фазовый переход в мартенсит без подвода тепла. В стали, индуцированной двойниковой пластичностью (TWIP), используется определенный тип деформации для повышения эффективности наклепа сплава.
Углеродистая сталь часто подвергается гальванизации путем горячего или гальванического цинкования для защиты от ржавчины.
Сплав
Нержавеющие стали содержат минимум 11% хрома, часто в сочетании с никелем, для сопротивления коррозии. Некоторые нержавеющие стали, такие как ферритные нержавеющие стали, являются магнитными, в то время как другие, такие как аустенитные, являются немагнитными. Коррозионно-стойкие стали обозначаются аббревиатурой CRES.
Легированные стали — это простые углеродистые стали, в которые добавлены небольшие количества легирующих элементов, таких как хром и ванадий. Некоторые более современные стали включают инструментальные стали, которые легированы большим количеством вольфрама и кобальта или других элементов для максимального упрочнения раствора. Это также позволяет использовать дисперсионное упрочнение и улучшает температурную стойкость сплава. Инструментальная сталь обычно используется в топорах, сверлах и других устройствах, которым нужна острая, долговечная режущая кромка. Другие специальные сплавы включают атмосферостойкие стали, такие как Cor-ten, которые атмосферостойки, приобретая стабильную, ржавую поверхность, и поэтому могут использоваться неокрашенными. Мартенситно-стареющая сталь легируется никелем и другими элементами, но в отличие от большинства сталей содержит мало углерода (0,01%). Это создает очень прочную, но все еще ковкую сталь.
Сталь Eglin использует комбинацию из более чем дюжины различных элементов в разных количествах для создания относительно недорогой стали для использования в оружии для уничтожения бункеров, а сталь Hadfield (в честь сэра Роберта Hadfield) или марганцевая сталь содержит 12–14% марганца, который при истирании упрочняется деформацией, образуя очень твердую оболочку, которая устойчива к износу. Этот конкретный сплав используется в гусеницах танков, кромках лезвий бульдозеров и режущих лезвиях на челюстях жизни.
Стандарты
Большинство наиболее часто используемых стальных сплавов классифицируются организациями по стандартизации на различные марки. Например, Общество инженеров автомобильной промышленности имеет ряд марок, определяющих многие типы стали. Американское общество по испытаниям и материалам имеет отдельный набор стандартов, которые определяют такие сплавы, как сталь A36, наиболее часто используемая конструкционная сталь в Соединенных Штатах. JIS также определяет ряд марок стали, которые широко используются в Японии, а также в развивающихся странах.
Использует
Железо и сталь широко используются при строительстве дорог, железных дорог, другой инфраструктуры, приборов и зданий. Большинство крупных современных сооружений, таких как стадионы и небоскребы, мосты и аэропорты, поддерживаются стальным скелетом. Даже те, у которых бетонная конструкция, используют сталь для армирования. Она широко используется в крупных приборах и автомобилях. Несмотря на рост использования алюминия, сталь по-прежнему является основным материалом для кузовов автомобилей. Сталь используется в различных других строительных материалах, таких как болты, гвозди и шурупы, а также в других бытовых изделиях и кухонных принадлежностях.
Другие распространенные области применения включают судостроение, трубопроводы, горнодобывающую промышленность, морское строительство, аэрокосмическую промышленность, бытовую технику (например, стиральные машины), тяжелое оборудование, такое как бульдозеры, офисную мебель, стальную вату, инструменты и броню в виде индивидуальных жилетов или броню для транспортных средств (в этой роли более известную как рулонная гомогенная броня).
Исторический
До внедрения бессемеровского процесса и других современных методов производства сталь была дорогой и использовалась только там, где не было более дешевой альтернативы, в частности, для режущей кромки ножей, бритв, мечей и других предметов, где требовалась твердая, острая кромка. Она также использовалась для пружин, в том числе используемых в часах.
С появлением более быстрых и дешевых методов производства сталь стало легче добывать и она стала намного дешевле. Она заменила кованое железо для множества целей. Однако доступность пластика во второй половине 20-го века позволила этим материалам заменить сталь в некоторых областях применения из-за их более низкой стоимости изготовления и веса. Углеродное волокно заменяет сталь в некоторых нечувствительных к стоимости областях применения, таких как спортивное оборудование и автомобили высокого класса.
Длинный
Плоский углерод
Выветривание (COR-TEN)
Нержавеющая сталь
Низкий фоновый уровень
Сталь, произведенная после Второй мировой войны, была загрязнена радионуклидами в результате испытаний ядерного оружия. Низкофоновая сталь, сталь, изготовленная до 1945 года, используется для некоторых чувствительных к радиации устройств, таких как счетчики Гейгера и радиационная защита.