Сталь (от польского “stal”, от немецкого “Stahl”) – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Сталь является важнейшим продуктом чёрной металлургии, а также – материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

Историческая справка

Сталь как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения стали в тестообразном состоянии – сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой стали древние мастера применяли тигельную плавку – расплавление мелких кусков стали и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная сталь славилась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность - дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой.

В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в так называемом кричном горне (двухстадийный процесс с получением чугуна и последующим переделом его в сталь является основой и современных схем производства стали).

В конце 18 в. начало применяться пудлингование, при котором, 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 стали не могло.

Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса, а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой стали.

В конце 19 в. начала применяться выплавка стали в электрических печах. До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире стали.

В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства стали развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка, вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка.

Структура и свойства стали

К стали как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обуславливает большое число видов стали, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент стали – железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки – кубическая объёмноцентрированная (a-железо, при более высоких температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная (g-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 ?С и 1400 ?С) называются критическими точками. Углерод и другие компоненты и примеси стали меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию так называемых твёрдых растворов. Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом. В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в стали (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в стали всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение - карбид железа Fe₃C, или цементит. Таким образом при комнатной температуре структура стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом. Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, перлита и аустенита) даёт диаграмма состояния сплавов Fe - С.

Сталь, в которой содержится ~0,6% углерода, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая сталь служит, например, материалом для железно-дорожных рельсов, колёс, осей. Если сталь содержит около 1% углерода, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта сталь 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 a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью.

Список литературы:

1. Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1-2, М., 1964;

2. Меськин В. C., Основы легирования стали, 2 изд., М., 1964;

3. Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1-2, М., 1966;

4. Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967;

5. Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.

- 3 -