Сталь (сплав железа с углеродом)

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 промышленности. Масштабы производства С. в значительной степени характеризуют технико-экономический 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 которого 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 начала 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 современных схем производства С.). 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 С. не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса (см. Мартеновское производство), а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой С. В конце 19 в. начала применяться выплавка С. в электрических печах (см. Электросталеплавильное производство). До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства С. занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 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 производства С. развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь), вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка (см. Плазменная металлургия).

Структура и свойства стали. К С. как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок С., отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент С. ‒ железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и С. 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 др. компоненты и примеси С. меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. 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 С. (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в С. всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение ‒ карбид железа Fe3C, или цементит. Т. о., при комнатной температуре структура С. 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 (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 главным образом 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 которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. С., в которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая С. служит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если С. содержит около 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 a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать С. требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Классификация сталей. В современной металлургии С. выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) С. называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; С. при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская С.).

По химическому 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 ‒ S и Р; эти элементы попадают в С. в связи с технологией её изготовления (главным образом 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.), которые намеренно вводят в С. для улучшения её технологических и эксплуатационных 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. с. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5‒10%) и высоколегированные (более 10%) С. Легированные С. часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению С. делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и С. с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных 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 (основные легирующие элементы ‒ Cr и Ni). Название конструкционной С. может отражать её непосредственное 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 мерительного инструмента. С. этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8‒1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных С. широкое распространение получила быстрорежущая сталь. К С. с особыми физическим и химическим 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), качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений. Так, в некоторых С. обыкновенного качества допускается содержание S до 0,055‒0,06% и Р до 0,05‒0,07% (исключение составляет автоматная сталь, содержащая до 0,3% S и до 0,16% Р), 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 механические свойства С., является причиной красноломкости, т. е. хрупкости в горячем состоянии, фосфор усиливает хладноломкость ‒ хрупкость при пониженных температурах.

По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую С. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из С. кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной С. в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода ‒ С. как бы «кипит». Полуспокойная С. занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей С. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки С. определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей. Единой мировой системы маркировки С. не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок С., что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой С. обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые С. маркируются двузначными числами, показывающими среднее 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 (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке С. указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные С. маркируются буквой А (А12, А30 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 среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения химического состава С.: алюминий ‒ Ю, бор ‒ Р, ванадий ‒ Ф, вольфрам ‒ В, кобальт ‒ К, кремний ‒ С, марганец ‒ Г, медь ‒ Д, молибден ‒ М, никель ‒ Н, ниобий ‒ Б, титан ‒ Т, углерод ‒ У, фосфор ‒ П, хром ‒ Х, цирконий ‒ Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных С. и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих С.); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,‒ его среднее содержание. Например, С. марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Cr, С. марки 2X17H2 ‒ 0,2% С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, С. марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что С. является высококачественной, буква Ш ‒ особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных С. включает букву, указывающую на назначение С. (например, ШХ9 ‒ шарикоподшипниковая С. с 0,9‒1,2% Cr; Э3 ‒ электротехническая С. с 3% Si). С., проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь»), ДИ (завод «Днепроспецсталь») или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268). См. также Металлургия, Сталеплавильное производство.

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1‒2, М., 1964; Меськин В. C., Основы легирования стали, 2 изд., М., 1964; Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1‒2, М., 1966; Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.

═ С. И. Венецкий.

Сталь в искусстве. В средние века славились арабское оружие и доспехи из С. с плоскими узорами и надписями, выполненными гравированием или насечкой. Эти приёмы декорировки оружейники средневековой Европы дополнили чеканкой, наводкой и полировкой. С 16 в. в отделке часов, научных приборов и инструментов появляется устойчивая к коррозии зеркальная полировка, использование которой послужило стимулом для выпуска бытовых изделий из С. В 18 ‒ начале 19 вв. эстетические свойства С. наиболее ярко раскрылись в изделиях мастеров Тульского оружейного завода (мебель, зеркала, самовары, каминные экраны и т.п.). Как вид народного творчества известна с середины 19 в. златоустовская гравюра на С. В советском искусстве С. нашла применение в облицовке интерьеров, а также в скульптуре (В. И. Мухина, «Рабочий и колхозница», см. илл.).

Лит.: Тульские «златокузнецы». [Альбом], Л., 1974.