Сталь — это железоуглеродистый сплав, основным компонентом которого является железо, а углерод (С) является основным легирующим элементом. В зависимости от содержания углерода и других легирующих элементов, свойства стали могут существенно варьироваться. Для того чтобы понять, какие железоуглеродистые сплавы называются сталями, необходимо рассмотреть несколько ключевых факторов.
1. Основные характеристики стали
Железо и углерод: В стале содержание углерода обычно колеблется в пределах от 0,02% до 2,14% по массе. Это очень важный параметр, так как содержание углерода существенно влияет на механические свойства материала, такие как прочность, твердость и пластичность.
Атомная структура: В стали углерод растворяется в решетке железа, образуя так называемые твердые растворы, и может находиться в различных фазах, таких как феррит (решетка с низким содержанием углерода) и аустенит (высокоуглеродная фаза). Перелив углерода из одной фазы в другую во время охлаждения стали приводит к образованию различных структур, таких как мартенсит, перлит, сорбит и другие, что, в свою очередь, влияет на механические свойства стали.
2. Классификация сталей
Существует несколько классификаций сталей, основанных на их составе и свойствах:
а) По содержанию углерода
Низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода):
Эти стали обладают хорошей пластичностью и сварочной способностью, но имеют низкую прочность. Используются в строительстве, производстве труб, автомобильной промышленности.
Среднеуглеродистые стали (0,25–0,6% углерода):
В этих сталях уже достигается хороший баланс между прочностью и пластичностью, что позволяет применять их в машиностроении, для изготовления деталей, которые работают на сдвиг или в условиях умеренных нагрузок.
Высокоуглеродистые стали (0,6–2% углерода):
Эти стали характеризуются высокой твердостью и прочностью, но имеют низкую пластичность. Применяются для производства инструментов, пружин, резцов, а также для изготовления деталей, которые должны выдерживать значительные нагрузки.
б) По назначению
Конструкционные стали:
Эти стали используются в строительстве, машиностроении, а также в других отраслях, где важны прочность, ковкость и устойчивость к внешним воздействиям. Примером может служить сталь марки 20 (углеродистая сталь с содержанием углерода 0,20%).
Инструментальные стали:
Применяются для изготовления инструментов, которые должны выдерживать большие механические нагрузки и высокие температуры. Инструментальная сталь часто содержит не только углерод, но и другие легирующие элементы (например, хром, ванадий, молибден), что улучшает её свойства.
Коррозионно-стойкие стали:
В этих сталях помимо углерода присутствуют элементы, такие как хром, никель, которые придают стали стойкость к коррозии.
в) По наличию легирующих элементов
Углеродистые стали: Это стали, содержащие только железо и углерод. Они могут быть низкоуглеродистыми, среднеуглеродистыми или высокоуглеродистыми в зависимости от содержания углерода.
Легированные стали: Содержат помимо углерода другие элементы, такие как хром, никель, молибден, ванадий, марганец и другие. Легирование позволяет улучшить определённые свойства стали, такие как коррозионная стойкость, жаропрочность, износостойкость.
3. Механизм образования структуры стали
При охлаждении расплавленного железа углерод может образовывать различные фазы, которые в значительной степени определяют механические свойства стали:
Феррит: Это мягкая, пластичная фаза с низким содержанием углерода (до 0,02%). Стали, состоящие в основном из феррита, обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью.
Аустенит: Это фаза, стабильная при высоких температурах, которая образуется при содержании углерода в пределах 0,8% и выше. Аустенит имеет хорошую пластичность, но для его стабилизации при комнатной температуре требуется легирование (например, никелем).
Мартенсит: Это фазовое состояние, которое получается при быстром охлаждении стали (закалке). Мартенсит очень твердый, но хрупкий. Образуется в сталях с высоким содержанием углерода.
Перлит: Это структура, образующаяся при медленном охлаждении стали, состоящая из чередующихся слоев феррита и цементита (Fe₃C). Перлит обладает хорошими механическими свойствами, сочетая прочность и пластичность.
4. Влияние легирующих элементов на свойства стали
Легирующие элементы существенно влияют на конечные свойства стали. Рассмотрим влияние некоторых из них:
Марганец (Mn): Увеличивает прочность и износостойкость стали, улучшает её обработку и предотвращает образование серого чугуна.
Хром (Cr): Повышает коррозионную стойкость, износостойкость и жаропрочность стали. Применяется в производстве нержавеющих сталей.
Никель (Ni): Повышает стойкость стали к воздействию низких температур и улучшает её коррозионную стойкость.
Молибден (Mo): Повышает жаропрочность и износостойкость сталей.
Ванадий (V): Улучшает прочность и износостойкость.
5. Основные виды сталей
Углеродистые стали: Стали, в которых углерод — основной легирующий элемент. Эти стали могут быть использованы для широкого спектра применений в зависимости от содержания углерода.
Нержавеющие стали: Содержат не менее 10,5% хрома, что обеспечивает им стойкость к коррозии.
Никелевые стали: Содержат никель, что повышает их устойчивость к низким температурам и улучшает прочностные характеристики.
Порошковые стали: Производятся методом порошковой металлургии, часто используются в специфических отраслях, таких как аэрокосмическая индустрия.
Заключение
Сталями называются железоуглеродистые сплавы, в которых углерод является основным легирующим элементом, и их содержание углерода составляет от 0,02% до 2,14%. В зависимости от содержания углерода, а также добавок других легирующих элементов, можно получить стали с различными свойствами — от мягких и пластичных до твердых и прочных. Основные категории сталей включают углеродистые и легированные стали, каждый из которых предназначен для специфических применений в промышленности и машиностроении.
