Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Защита от перемещения страницы
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Сталь (значения) .
Сюда перенаправляется «сталевар». И другие значения, см. Сталелитейщик (значения) .

Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Фазы
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа
Стальной трос из шахты обмотки башни

Сталь представляет собой сплав из железа с типично несколько процентов от углерода , чтобы улучшить ее прочность и сопротивление разрушению по сравнению с железом. Могут присутствовать или добавляться многие другие элементы. Для нержавеющих сталей, устойчивых к коррозии и окислению, обычно требуется дополнительно 11% хрома . Из-за своей высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь используется в зданиях , инфраструктуре , инструментах , кораблях , поездах , автомобилях , машинах ,электрические приборы и оружие . Железо - это основной металл стали. В зависимости от температуры он может принимать две кристаллические формы (аллотропные формы): объемноцентрированную 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 за другом, поэтому чистое железо довольно пластично или мягко и легко формируется. В стали небольшие количества углерода, других элементов и включений в железе действуют как упрочняющие агенты, предотвращающие движение дислокаций .

Углерод в типичных стальных сплавах может составлять до 2,14% от его веса [ необходима цитата ] . Изменение количества углерода и многих других легирующих элементов, а также контроль их химического и физического состава в готовой стали (либо в виде растворенных элементов, либо в виде осажденных фаз) замедляет движение тех дислокаций, которые делают чистое железо пластичным, и, таким образом, контролирует и улучшает его качества. Эти качества включают твердость , характеристики закалки , необходимость в отжиге , поведение при отпуске , предел текучести и предел прочности.полученной стали. Повышение прочности стали по сравнению с чистым железом возможно только за счет снижения пластичности железа.

Сталь производилась в шаровидных печах в течение тысяч лет, но ее широкомасштабное промышленное использование началось только после того, как в 17 веке были разработаны более эффективные методы производства, с внедрением доменной печи и производства тигельной стали . За этим последовала мартеновская печь, а затем - Бессемеровский процесс в Англии в середине 19 века. С изобретением бессемеровского процесса началась новая эра массового производства стали. Мягкая сталь заменила кованое железо . В 19 веке немецкие государства добились большого успеха в Европе благодаря дешевому экспорту стали. [1]

Дальнейшие усовершенствования процесса, такие как производство стали в кислородном кислороде (BOS), в значительной степени вытеснили прежние методы за счет дальнейшего снижения стоимости производства и повышения качества конечного продукта. Сегодня сталь является одним из самых распространенных в мире материалов, производимых руками человека, ежегодно ее производится более 1,6 миллиарда тонн. Современная сталь обычно идентифицируется различными марками, определенными различными организациями по стандартизации .

Определения и связанные материалы [ править ]

Смотрите также: Марки стали

Существительное « сталь» происходит от протогерманского прилагательного stahliją или stakhlijan «сделанный из стали», которое связано с stahlaz или stahliją «постоянная стойкость ». [2]

Содержание углерода в стали составляет от 0,002% до 2,14% по массе для обычной углеродистой стали ( железо - углерод сплавов ). Слишком малое содержание углерода делает (чистое) железо довольно мягким, пластичным и непрочным. Более высокое содержание углерода, чем в стали, позволяет получить хрупкий сплав, обычно называемый чугунным чугуном . Легированная сталь - это сталь, в которую намеренно добавлены другие легирующие элементы, чтобы изменить характеристики стали. Общие легирующие элементы включают: марганец , никель , хром , молибден , бор , титан , ванадий , вольфрам ,кобальт и ниобий . [3] Напротив, чугун подвергается эвтектической реакции. Дополнительные элементы, которые чаще всего считаются нежелательными, также важны в стали: фосфор , сера , кремний и следы кислорода , азота и меди .

Простые сплавы углерод-железо с содержанием углерода более 2,1% известны как чугун . С помощью современных технологий производства стали , таких как формовка металла порошком, можно изготавливать стали с очень высоким содержанием углерода (и из других легированных материалов), но это не является распространенным явлением. Чугун не является ковким даже в горячем состоянии, но его можно формовать путем литья, поскольку он имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и хорошие литейные свойства. [3] Определенные составы чугуна, сохраняя при этом экономию плавления и литья, могут быть подвергнуты термообработке после литья для изготовления изделий из ковкого чугуна или ковкого чугуна . Сталь отличить от кованого железа(в настоящее время в значительной степени устаревшие), которые могут содержать небольшое количество углерода, но большое количество шлака .

Свойства материала [ править ]

Фазовая диаграмма железо-углерод , показывающая условия, необходимые для образования различных фаз

Происхождение и производство [ править ]

Железо обычно находится в земной коре в виде руды , обычно оксида железа, такого как магнетит или гематит . Железо извлекается из железной руды путем удаления кислорода посредством его комбинации с предпочтительным химическим партнером, таким как углерод, который затем теряется в атмосферу в виде диоксида углерода. Этот процесс, известный как плавка , впервые был применен к металлам с более низкими температурами плавления , таким как олово , которое плавится примерно при 250 ° C (482 ° F), и медь., которая плавится при температуре около 1100 ° C (2010 ° F), и комбинация бронзы с температурой плавления ниже 1083 ° C (1981 ° F). Для сравнения, чугун плавится при температуре около 1375 ° C (2507 ° F). [4] Небольшие количества железа выплавляли в древние времена в твердом состоянии, нагревая руду на древесном угле, а затем сваривая куски вместе с помощью молотка и в процессе выдавливая примеси. Осторожно, содержание углерода можно 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 с помощью древних методов, используемых с бронзового века . Поскольку скорость окисления железа быстро увеличивается за пределы 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 его можно было назвать сталью. [4] 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 железо-углерод более стабильной, хром увеличивает твердость и температуру плавления, а ванадий также увеличивает твердость, делая его менее склонным к усталости металла . [5]

Для предотвращения коррозии в сталь добавляется не менее 11% хрома, так что на поверхности металла образуется твердый оксид ; это известно как нержавеющая сталь . Вольфрам замедляет образование цементита , удерживая углерод в матрице железа и позволяя мартенситу формироваться преимущественно при более медленных скоростях закалки, что приводит к получению быстрорежущей стали . С другой стороны, сера, азот и фосфор считаются загрязнителями, которые делают сталь более хрупкой и удаляются из расплава стали во время обработки. [5]

Свойства [ править ]

Плотность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов , но обычно находится в диапазоне между 7750 и 8050 кг / м 3 (484 и 503 фунт / куб футов), или 7,75 и 8,05 г / см 3 (4,48 и 4,65 унций / куб в). [6]

Даже в узком диапазоне концентраций смесей углерода и железа, из которых производится сталь, могут образовываться несколько различных металлургических структур с очень разными свойствами. Понимание таких свойств необходимо для изготовления качественной стали. При комнатной температуре наиболее стабильной формой чистого железа является объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура, называемая альфа-железом или альфа-железом. Это довольно мягкий металл, способный растворять лишь небольшую концентрацию углерода, не более 0,005% при 0 ° C (32 ° F) и 0,021% масс. При 723 ° C (1333 ° F). Включение углерода в альфа-железо называется ферритом . При 910 ° C чистое железо превращается в гранецентрированную кубическую форму.(FCC) структура, называемая гамма-железом или γ-железом. Включение углерода в гамма-железо называется аустенитом. Более открытая структура ГЦК аустенита может растворять значительно больше углерода, до 2,1% [7] (в 38 раз больше, чем у феррита) углерода при 1148 ° C (2098 ° F), что отражает верхнее содержание углерода в стали, за пределами которого чугун. [8] Когда углерод вместе с железом выходит из раствора, он образует очень твердый, но хрупкий материал, называемый цементитом (Fe 3 C).

Когда стали с 0,8% углерода (известные как эвтектоидная сталь) охлаждаются, аустенитная фаза (FCC) смеси пытается вернуться в ферритную фазу (BCC). Углерод больше не входит в структуру аустенита FCC, что приводит к его избытку. Один из способов выхода углерода из аустенита - это выпадение его в осадок из раствора в виде цементита , оставляющего после себя окружающую фазу ОЦК-железа, называемую ферритом, с небольшим процентом углерода в растворе. Оба, феррит и цементит, одновременно осаждаются, образуя слоистую структуру, называемую перлит , названную так из-за его сходства с перламутром.. В заэвтектоидном составе (более 0,8% углерода) углерод сначала будет выпадать в осадок в виде крупных включений цементита на границах зерен аустенита, пока процентное содержание углерода в зернах не снизится до эвтектоидного состава (0,8% углерода), при котором точечно формируется перлитная структура. Для сталей с содержанием углерода менее 0,8% (доэвтектоид) феррит сначала образуется внутри зерен, пока оставшийся состав не возрастет до 0,8% углерода, после чего сформируется перлитная структура. На границах в гипоэвктоидной стали не образуются крупные включения цементита. [9] Изложенное выше предполагает, что процесс охлаждения идет очень медленно, что дает углю достаточно времени для миграции.

По мере увеличения скорости охлаждения у углерода будет меньше времени для миграции с образованием карбида на границах зерен, но внутри зерен будет все больше и больше перлита с более тонкой структурой; следовательно, карбид более широко рассредоточен и предотвращает проскальзывание дефектов внутри этих зерен, что приводит к упрочнению стали. При очень высоких скоростях охлаждения, получаемых при закалке, углерод не успевает мигрировать, а блокируется внутри гранецентрированного аустенита и образует мартенсит . Мартенсит - это сильно деформированная и напряженная, пересыщенная форма углерода и железа, чрезвычайно твердая, но хрупкая. В зависимости от содержания углерода мартенситная фаза принимает разные формы. Ниже 0,2% углерода он принимает кристаллическую форму феррита BCC, но при более высоком содержании углерода требуетсяобъемно-центрированная тетрагональная (BCT) структура. Энергия термической активации превращения аустенита в мартенсит отсутствует. [ требуется пояснение ] Более того, нет никаких изменений в составе, поэтому атомы обычно сохраняют своих соседей. [10]

Мартенсит имеет более низкую плотность (он расширяется при охлаждении), чем аустенит, поэтому превращение между ними приводит к изменению объема. В этом случае происходит расширение. Внутренние напряжения от этого расширения обычно принимают форму сжатия на кристаллах мартенсита и растяжения на оставшемся феррите с достаточным сдвигом для обоих компонентов. 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 в воде обычно образуются трещины при закалке, хотя они не всегда видны. [11]

Термическая обработка [ править ]

Фазовая диаграмма Fe-C для углеродистых сталей; показаны критические температуры A 0 , A 1 , A 2 и A 3 для термообработки.
Основная статья: Термическая обработка

Есть много типов процессов термообработки стали. Наиболее распространены отжиг , закалка и отпуск . Термическая обработка эффективна для композиций, превышающих эвтектоидный состав (заэвтектоид) с 0,8% углерода. Доэвтектоидная сталь не подвергается термической обработке.

Отжиг - это процесс нагрева стали до достаточно высокой температуры для снятия локальных внутренних напряжений. Он не вызывает общего размягчения продукта, а только локально снимает напряжения и напряжения, заключенные внутри материала. Отжиг проходит в три фазы: восстановление , рекристаллизация и рост зерен . Температура, необходимая для отжига конкретной стали, зависит от типа отжига, который необходимо достичь, и легирующих компонентов. [12]

Закалка включает нагрев стали для образования аустенитной фазы, а затем ее закалку в воде или масле . Это быстрое охлаждение приводит к твердой, но хрупкой мартенситной структуре. [10] Затем сталь закаляется, что является просто специальным методом отжига, чтобы уменьшить хрупкость. В этом случае процесс отжига (отпуска) преобразует часть мартенсита в цементит или сфероидит и, следовательно, снижает внутренние напряжения и дефекты. В результате получается сталь более пластичная и устойчивая к излому. [13]

Производство стали [ править ]

Основная статья: Производство стали
Смотрите также: Список стран по производству стали
Окатыши железорудные для производства стали

Когда железо выплавляется из руды, оно содержит больше углерода, чем желательно. Чтобы стать сталью, ее необходимо переработать, чтобы уменьшить углерод до нужного количества, после чего можно добавить другие элементы. В прошлом сталелитейные предприятия разливали необработанный стальной продукт в слитки, которые хранили до использования в дальнейших процессах рафинирования, в результате которых получался готовый продукт. На современных предприятиях исходный продукт близок к конечному составу и непрерывно разливается в длинные слябы, разрезается и формируется в стержни и профили и подвергается термообработке для получения конечного продукта. Сегодня около 96% стали непрерывно разливается, в то время как только 4% производится в виде слитков. [14]

Затем слитки нагревают в яме для выдержки и подвергают горячей прокатке в слябы, заготовки или блюмы . Слябы подвергаются горячей или холодной прокатке в листы или листы. Заготовки подвергаются горячей или холодной прокатке в пруток, пруток 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 , когда руда поступает, а готовая стальная продукция выходит. [15] Иногда после окончательной прокатки сталь подвергают термообработке для повышения прочности; однако это относительно редко. [16]

История сталеплавильного производства [ править ]

Основные статьи: История черной металлургии и История черной металлургии (1850–1970).
Цветочная плавка в средние века

Древняя сталь [ править ]

Сталь была известна в древности и был произведен в bloomeries и тиглей . [17] [18]

Самое раннее известное производство стали наблюдается в изделиях из железа, раскопанных на археологическом участке в Анатолии ( Каман-Калехойюк ), возрастом почти 4000 лет, датируемым 1800 годом до нашей эры. [19] [20] Гораций определяет стальное оружие, такое как фальката на Пиренейском полуострове , в то время как норическая сталь использовалась римскими военными . [21]

Репутация чугуна Seric из Южной Индии (сталь wootz) значительно выросла в остальном мире. [18] На предприятиях по производству металлов в Шри-Ланке использовались ветряные печи, приводимые в движение муссонными ветрами, которые позволяли производить высокоуглеродистую сталь. Крупномасштабное производство стали Wootz в Индии с использованием тиглей и источников углерода, таких как завод Avāram, произошло к шестому веку до нашей эры, что стало первым предшественником современного производства стали и металлургии. [17] [18]

В китайский этого периода Воюющих (403-221 г. до н.э.) имел закалочной закаленные стали, [22] в то время как китайский из династии Хань (202 г. до н.э. - 220 н.э.) создал стали путем плавления вместе кованого железа с чугуном, таким образом производя углерод - промежуточная сталь к I веку нашей эры. [23] [24]

Есть свидетельства того, что углеродистая сталь была изготовлена ​​в Западной Танзании предками народа хая еще 2000 лет назад с помощью сложного процесса «предварительного нагрева», позволяющего температуре внутри печи достигать 1300–1400 ° C. [25] [26] [27] [28] [29] [30]

Сталь Wootz и дамасская сталь [ править ]

Основные статьи: сталь Wootz и дамасская сталь

Свидетельства самого раннего производства высокоуглеродистой стали в Индии обнаружены в Кодуманале в Тамил Наду , районе Голконды в Андхра-Прадеш и Карнатаке , а также в районах Саманалавава в Шри-Ланке . [31] Эта сталь стала известна как сталь Wootz , ее производили в Южной Индии примерно в шестом веке до нашей эры и экспортировали по всему миру. [32] [33] Технология производства стали существовала в регионе до 326 г. до н.э., поскольку они упоминаются в литературе на сангамском тамильском языке., Арабский и латинский языки как лучшая сталь в мире экспортировалась в то время в римский, египетский, китайский и арабский миры - то, что они называли Seric Iron . [34] 200 до н.э. Тамил торговая гильдия в Тиссамахараме , на юго - востоке Шри - Ланки, принесли с собой некоторые из самых старых железных и стальных артефактов и производственных процессов на остров от классического периода . [35] [36] [37] Китайцы и местные жители в Анурадхапуре , Шри-Ланка, также переняли методы производства стали Wootz у тамилов династии Чера в Южной Индии к 5 веку нашей эры. [38] [39]В Шри-Ланке в этом раннем методе производства стали использовалась уникальная ветряная печь, управляемая муссонными ветрами, способная производить высокоуглеродистую сталь. [40] [41] Так как технология была приобретена у тамильцев из Южной Индии, [ необходима цитата ] происхождение технологии производства стали в Индии можно консервативно оценить в 400–500 лет до нашей эры. [32] [41]

Производство того, что впоследствии было названо Wootz, или дамасской сталью , известной своей прочностью и способностью удерживать лезвие, возможно, было взято арабами из Персии, которые взяли ее из Индии. Первоначально он был создан из нескольких различных материалов, включая различные микроэлементы , очевидно, в конечном итоге из писаний Зосима Панополиса . В 327 г. до н. Э. Побежденный царь Порус наградил Александра Великого не золотом или серебром, а 30 фунтами стали. [42] Недавние исследования показали, что углеродные нанотрубкибыли включены в его структуру, что могло бы объяснить некоторые из его легендарных качеств, хотя, учитывая технологии того времени, такие качества были созданы случайно, а не намеренно. [43] Естественный ветер использовался, когда почва, содержащая железо, нагревалась с помощью дерева. Древняя Sinhalese удалась извлечь тонны стали на каждые 2 тонн почвы, [40] замечательный подвиг в то время. Одна такая печь была найдена в Саманалавеве, и археологи смогли производить сталь, как это делали древние. [40] [44]

Сталь для тигля, образованная путем медленного нагрева и охлаждения чистого железа и углерода (обычно в форме древесного угля) в тигле, была произведена в Мерве в IX-X веках нашей эры. [33] В XI веке есть свидетельства производства стали в Сунском Китае с использованием двух технологий: «берганского» метода, который производил низкокачественную, неоднородную сталь, и предшественника современного бессемеровского процесса, который использовал частичную декарбонизацию путем многократной ковки. под холодным порывом . [45]

Современное производство стали [ править ]

Бессемеровский преобразователь в Шеффилде , Англия

Начиная с 17 века, первым шагом в европейском производстве стали стала выплавка железной руды в чугун в доменной печи . [46] Первоначально с использованием древесного угля, современные методы используют кокс , который оказался более экономичным. [47] [48] [49]

Процессы, начиная с прутка [ править ]

Основные статьи: блистерная сталь и тигельная сталь

В этих процессах чугун очищался (очищался) в кузнице для производства пруткового чугуна , который затем использовался в производстве стали. [46]

Производство стали методом цементации было описано в трактате, опубликованном в Праге в 1574 году и использовавшемся в Нюрнберге с 1601 года. Подобный процесс для упрочнения брони и файлов был описан в книге, опубликованной в Неаполе в 1589 году. завезен в Англию примерно в 1614 году и использовался для производства такой стали сэром Бэзилом Бруком в Колбрукдейле в 1610-х годах. [50]

Сырьем для этого процесса служили слитки железа. В 17 веке стало ясно, что лучшая сталь поступает из рудного железа в регионе к северу от Стокгольма , Швеция. Это было обычным источником сырья в 19 веке, почти до тех пор, пока использовался этот процесс. [51] [52]

Тигельная сталь - это сталь, которая была плавлена ​​в тигле, а не кована , в результате чего она более однородна. Большинство предыдущих печей не могли достичь достаточно высоких температур для плавления стали. Сталелитейная промышленность раннего современного периода возникла в результате изобретения Бенджамина Хантсмана в 1740-х годах. Черновая сталь (сделанная, как указано выше) плавилась в тигле или в печи и отливалась (обычно) в слитки. [52] [53]

Процессы из чугуна [ править ]

Мартеновская печь Siemens-Martin в Бранденбургском промышленном музее.

Современная эра в сталеплавильном началась с введением Генри бессемеровском «s бессемеровского процесса в 1855 году, сырье для которого было чугун. [54] Его метод позволил ему производить сталь в больших количествах по дешевке, поэтому низкоуглеродистая сталь стала использоваться для большинства целей, для которых раньше использовалось кованое железо. [55] Процесс Гилкриста-Томаса (или базовый бессемеровский процесс ) был усовершенствованием бессемеровского процесса, заключающийся в футеровке конвертера основным материалом для удаления фосфора.

Еще одним процессом производства стали XIX века был процесс Сименса-Мартина , который дополнил процесс Бессемера. [52] Он состоял из плавки пруткового чугуна (или стального лома) с чугуном.

Разливка стали раскаленной добела из дуговой электропечи.

Эти методы производства стали устарели из-за процесса Линца-Донавица кислородного производства стали (BOS), разработанного в 1952 г. [56], и других методов производства стали в кислородном режиме. Производство стали с кислородным азотом превосходит предыдущие методы производства стали, потому что кислород, закачиваемый в печь, ограничивал количество примесей, в первую очередь азота, которые ранее поступали из используемого воздуха [57], а также потому, что в мартеновском процессе такое же количество сталь по технологии BOS производится в одну двенадцатую часть времени. [56] Сегодня электродуговые печи (ДСП) являются распространенным методом переработки металлолома.создать новую сталь. Их также можно использовать для преобразования передельного чугуна в сталь, но они потребляют много электроэнергии (около 440 кВтч на метрическую тонну) и, таким образом, обычно экономичны только при наличии обильных поставок дешевой электроэнергии. [58]

Сталелитейная промышленность [ править ]

Смотрите также: История черной металлургии (1850-1970) , Глобальные тенденции в сталелитейной промышленности , производства стали страной , и список производителей стали
Производство стали (в млн. Тонн) по странам в 2007 г.

Сталелитейную промышленность часто считают индикатором экономического прогресса, поскольку сталь играет важную роль в инфраструктурном и общем экономическом развитии . [59] В 1980 году в США было более 500 000 рабочих-металлистов. К 2000 году количество сталеваров упало до 224 000 человек. [60]

Экономический бум в Китае и Индии вызвал значительное увеличение спроса на сталь. С 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года несколько индийских [61] и китайских сталелитейных компаний стали заметными [ по мнению кого? ], таких как Tata Steel (которая купила Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group . Однако по состоянию на 2017 год ArcelorMittal является крупнейшим производителем стали в мире . [62] В 2005 г. Британская геологическая службазаявил, что Китай является ведущим производителем стали, на долю которого приходится около одной трети мировой доли; За ними последовали Япония, Россия и США. [63]

В 2008 году сталь начала торговаться как товар на Лондонской бирже металлов . В конце 2008 года в сталелитейной промышленности произошел резкий спад, который привел к множеству сокращений. [64]

Переработка [ править ]

Основная статья: Переработка черных металлов

Сталь является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире, с уровнем рециркуляции более 60% во всем мире; [65] только в Соединенных Штатах Америки в 2008 году было переработано более 82 000 000 метрических тонн (81 000 000 длинных тонн; 90 000 000 коротких тонн), что составляет 83%. [66]

Поскольку стали производится больше, чем утилизируется, количество переработанного сырья составляет около 40% от общего объема произведенной стали - в 2016 году было произведено 1 628 000 000 тонн (1,602 × 10 9 длинных тонн; 1,795 × 10 9 коротких тонн) сырой стали. производится во всем мире: 630 000 000 тонн (620 000 000 длинных тонн; 690 000 000 коротких тонн) переработано. [67]

Современная сталь [ править ]

Bethlehem Steel (на фото завод в Вифлееме, штат Пенсильвания ) была одним из крупнейших мировых производителей стали до своего закрытия в 2003 году.
Смотрите также: Марки стали

Углеродистые стали [ править ]

Современные стали изготавливаются из различных комбинаций легированных металлов для различных целей. [5] Углеродистая сталь , состоящая просто из железа и углерода, составляет 90% производства стали. [3] Низколегированная сталь легирована другими элементами, обычно молибденом , марганцем, хромом или никелем, в количестве до 10% по весу для улучшения закаливаемости толстых профилей. [3] Высокопрочная низколегированная сталь имеет небольшие добавки (обычно <2% по весу) других элементов, обычно 1,5% марганца, для обеспечения дополнительной прочности при небольшом повышении цены. [68]

Недавние корпоративные правила средней экономии топлива (CAFE) привели к появлению новой разновидности стали, известной как улучшенная высокопрочная сталь (AHSS). Этот материал является одновременно прочным и пластичным, поэтому конструкции транспортных средств могут поддерживать текущий уровень безопасности при использовании меньшего количества материала. Существует несколько коммерчески доступных марок AHSS, таких как двухфазная сталь , которая подвергается термообработке для содержания как ферритной, так и мартенситной микроструктуры для производства формуемой высокопрочной стали. [69] Сталь с индуцированной трансформацией пластичностью (TRIP) включает специальное легирование и термическую обработку для стабилизации количества аустенита при комнатной температуре в низколегированных ферритных сталях, обычно не содержащих аустенита. При приложении деформации аустенит подвергаетсяфазовый переход в мартенсит без добавления тепла. [70] В стали с двойным индуцированием пластичности (TWIP) используется особый тип деформации для повышения эффективности наклепа на сплав. [71]

Углеродистые стали часто оцинковываются горячим способом или гальваникой цинка для защиты от ржавчины. [72]

Легированные стали [ править ]

Нержавеющие стали содержат минимум 11% хрома, часто в сочетании с никелем, чтобы противостоять коррозии . Некоторые нержавеющие стали, такие как ферритные нержавеющие стали, являются магнитными , в то время как другие, такие как аустенитные , являются немагнитными. [73] Коррозионно-стойкие стали сокращенно обозначаются как CRES.

Легированные стали - это углеродистые стали, в которые были 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 на твердый раствор . Это также позволяет использовать дисперсионное твердение и улучшает термостойкость сплава. [3] Инструментальная сталь обычно используется в топорах, сверлах и других устройствах, которым требуется острая и долговечная режущая кромка. К другим сплавам специального назначения относятся погодоустойчивые стали, такие как Cor-ten, которые выдерживают погодные условия, приобретая стабильную ржавую поверхность, и поэтому могут использоваться неокрашенными. [74] Мартенситностареющая сталь легирована никелем и другими элементами, но, в отличие от большинства сталей, содержит мало углерода (0,01%). В результате получается очень прочная, но все же ковкая сталь. [75]

В стали Eglin используется комбинация из более чем дюжины различных элементов в различных количествах для создания относительно недорогой стали для использования в оружии для уничтожения бункеров . Сталь Гадфилда (в честь сэра Роберта Хэдфилда ) или марганцевая сталь содержит 12–14% марганца, который при истирании деформируется и образует очень твердую пленку, стойкую к износу. Примеры включают гусеницы танков , кромки бульдозерных лезвий и режущие лезвия на губах жизни . [76]

Стандарты [ править ]

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. [77] Американское общество по испытанию материалов имеет отдельный набор стандартов, которые определяют сплавы , такие как А36 стали , наиболее часто используемые конструкционные стал в Соединенных Штатах. [78] JIS также определяет ряд марок стали , которые в настоящее время широко используются в Японии, а также в развивающихся странах.

Использует [ редактировать ]

Рулон стальной ваты

Железо и сталь широко используются при строительстве дорог, железных дорог, другой инфраструктуры, бытовой техники и зданий. Большинство крупных современных сооружений, таких как стадионы и небоскребы, мосты и аэропорты, поддерживаются стальным каркасом. Даже в бетонных конструкциях для армирования используется сталь. Кроме того, он широко используется в крупной бытовой технике и автомобилях . Несмотря на рост использования алюминия , он по-прежнему остается основным материалом для кузовов автомобилей. Сталь используется во множестве других строительных материалов, таких как болты, гвозди и шурупы, а также в других бытовых товарах и кухонных принадлежностях. [79]

Другие распространенные приложения включают судостроение , трубопроводы , добычи , оффшорное строительство , аэрокосмическую , предметы домашнего обиход (например , стиральные машины ), тяжелое оборудование , такие как бульдозеры, офисную мебель, стальную вату , инструмент и броней в виде личных бронежилетов или брони транспортного средства (лучше известная как катаная гомогенная броня в этой роли).

Исторический [ править ]

Нож из углеродистой стали

До внедрения процесса Бессемера и других современных производственных технологий сталь была дорогой и использовалась только там, где не было более дешевой альтернативы, особенно для режущих кромок ножей , бритв , мечей и других предметов, где требовалась твердая и острая кромка. Он также использовался для пружин , в том числе используемых в часах . [52]

С появлением более быстрых и экономичных методов производства сталь стало легче получать и она стала намного дешевле. Он заменил кованое железо для множества целей. Однако доступность пластмасс во второй половине 20-го века позволила этим материалам заменить сталь в некоторых областях применения из-за их более низкой стоимости изготовления и веса. [80] Углеродное волокно заменяет сталь в некоторых не требующих больших затрат областях применения, таких как спортивное оборудование и дорогие автомобили.

Длинная сталь [ править ]

Стальной мост
Стальной пилон, на котором подвешены воздушные линии электропередачи
  • В качестве арматурных стержней и сетки в железобетоне
  • Железнодорожные пути
  • Конструкционная сталь в современных зданиях и мостах
  • Провода
  • Вход для приложений перековки

Плоская углеродистая сталь [ править ]

  • Основные приборы
  • Магнитные сердечники
  • Внутри и снаружи кузова автомобилей, поездов и кораблей.

Погодостойкая сталь (COR-TEN) [ править ]

Основная статья: Погодостойкая сталь
  • Интермодальные контейнеры
  • Уличные скульптуры
  • Архитектура
  • Вагоны Highliner

Нержавеющая сталь [ править ]

Из нержавеющей стали , соусник
Основная статья: нержавеющая сталь
  • Столовые приборы
  • Правители
  • Хирургические инструменты
  • Часы
  • Пушки
  • Железнодорожный пассажирский транспорт
  • Таблетки
  • Урны
  • Украшения для пирсинга
  • Недорогие кольца
  • Компоненты космических аппаратов и космических станций

Низкофоновая сталь [ править ]

Основная статья: Низкофоновая сталь

Сталь , изготовленная после Второй мировой войны стала загрязнен с радионуклидами по ядерному оружию тестирования . Низкофоновая сталь, сталь, произведенная до 1945 года, используется для некоторых чувствительных к радиации приложений, таких как счетчики Гейгера и радиационная защита .

См. Также [ править ]

  • Углеродистая сталь
  • Дамасская сталь
  • Цинкование
  • Мировые тенденции в черной металлургии
  • Железо в фольклоре
  • Нож металлический
  • Обрабатываемость
  • Пеллетирование
  • Прокатка
  • Прокатный стан
  • Пояс из ржавчины
  • Вторая промышленная революция
  • Кремниевая сталь
  • Сталь абразивная
  • Металлургический комбинат
  • Тамахаган , используемый в японских мечах
  • Жесть
  • Wootz Steel

Ссылки [ править ]

  1. ^ Р., Аллен. "(1979). Международный конкурс чугуна и стали, 1850-1913" . JSTOR . Кембриджский университет . Проверено 13 ноября 2020 года .
  2. ^ Харпер, Дуглас. "сталь" . Интернет-словарь этимологии .
  3. ^ a b c d e Эшби, Майкл Ф. и Джонс, Дэвид Р. Х. (1992) [1986]. Технические материалы 2 (с исправлениями под ред.). Оксфорд: Pergamon Press. ISBN 0-08-032532-7.
  4. ^ a b Плавка . Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  5. ^ a b c «Легирование сталей» . Металлургические консультанты. 2006-06-28. Архивировано из оригинала на 2007-02-21 . Проверено 28 февраля 2007 .
  6. ^ Элерт, Гленн. «Плотность стали» . Проверено 23 апреля 2009 .
  7. ^ Источники различаются по этому значению, поэтому оно было округлено до 2,1%, однако точное значение является скорее академическим, поскольку углеродистая сталь с таким содержанием углерода очень редко производится. Видеть:
    • Смит и Хашеми 2006 , стр. 363—2,08%.
    • Дегармо, Black & Kohser 2003 , стр. 75—2,11%.
    • Ashby & Jones, 1992 г. —2,14%.
  8. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 363.
  9. ^ Smith & Хашеми 2006 , стр. 365-372.
  10. ^ Б Smith & Хашеми 2006 , стр. 373-378.
  11. ^ «Закалочное упрочнение стали» . keytometals.com . Архивировано из оригинала на 2009-02-17 . Проверено 19 июля 2009 .
  12. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 249.
  13. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 388.
  14. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 361
  15. Перейти ↑ Smith & Hashemi 2006 , pp. 361–362.
  16. ^ Бугаев, К .; Коновалов, Ю .; Бычков, Ю .; Третьяков, Е .; Савин, Иван В. (2001). Производство чугуна и стали . Группа Минерва, Inc. стр. 225. ISBN 978-0-89499-109-7.
  17. ^ a b Дэвидсон, Хильда Эллис (1998). Меч в англосаксонской Англии: его археология и литература . Boydell & Brewer Ltd. стр. 20. ISBN 0-85115-716-5 . 
  18. ^ a b c Srinivasan, S .; Ранганатан, С. «Wootz Steel: современный материал древнего мира» . Бангалор: Отделение металлургии Индийского научного института. Архивировано из оригинала на 2018-11-19.
  19. ^ Akanuma, H. (2005). «Значение состава раскопанных фрагментов железа, взятых из слоя III на территории Каман-Калехююк, Турция». Анатолийские археологические исследования . Токио: Японский институт анатолийской археологии. 14 : 147–158.
  20. ^ "Металлические изделия, обнаруженные в Турции, считаются самой старой сталью" . Индус . Ченнаи, Индия. 2009-03-26. Архивировано из оригинала на 2009-03-29 . Проверено 27 марта 2009 .
  21. ^ "Noricus ensis", Гораций , Одес, я. 16,9
  22. ^ Вагнер, Дональд Б. (1993). Железо и сталь в Древнем Китае: второе впечатление, с поправками . Лейден: Э. Дж. Брилл. п. 243. ISBN 90-04-09632-9.
  23. ^ Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 3, Гражданское строительство и мореплавание . Тайбэй: Caves Books, Ltd. стр. 563.
  24. ^ Гернет, Жак (1982). История китайской цивилизации . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 69. ISBN 0-521-49781-7 . 
  25. ^ Шмидт, Питер; Эйвери, Дональд (1978). «Комплексная выплавка железа и доисторическая культура в Танзании». Наука . 201 (4361): 1085–1089. Bibcode : 1978Sci ... 201.1085S . DOI : 10.1126 / science.201.4361.1085 . JSTOR 1746308 . PMID 17830304 .  
  26. ^ Шмидт, Питер; Эйвери, Дональд (1983). «Дополнительные доказательства передовой технологии доисторического железа в Африке». Журнал полевой археологии . 10 (4): 421–434. DOI : 10.1179 / 009346983791504228 .
  27. ^ Шмидт, Питер (1978). Историческая археология: структурный подход в африканской культуре . Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press.
  28. ^ Эйвери, Дональд; Шмидт, Питер (1996). «Разогрев: практика или иллюзия». Культура и технология производства африканского железа . Гейнсвилл: Университет Флориды Press. С. 267–276.
  29. ^ Шмидт, Питер (2019). «Наука в Африке: история изобретательности и изобретений в технологии африканского железа». В Воргере, W; Эмблер, C; Ачебе, Н. (ред.). Товарищ по африканской истории . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли Блэквелл. С. 267–288.
  30. ^ Чайлдс, С. Терри (1996). «Технологическая история и культура в западной Танзании». В Schmidt, P. (ed.). Культура и технология производства африканского железа . Гейнсвилл, Флорида: Университет Флориды Press.
  31. ^ Уилфорд, Джон Ноубл (1996-02-06). «Древняя плавильная печь использовала ветер для производства высококачественной стали» . Нью-Йорк Таймс .
  32. ^ а б Шринивасан, Шарада; Ранганатан, Шриниваса (2004). Легендарная индийская сталь Wootz: усовершенствованный материал древнего мира . Национальный институт перспективных исследований. OCLC 82439861 . Архивировано из оригинала на 2019-02-11 . Проверено 5 декабря 2014 . 
  33. ^ a b Фейербах, Анна (2005). «Исследование разнообразных технологий, найденных в мечах, саблях и клинках с Северного Кавказа России» (PDF) . IAMS . 25 : 27–43 (стр. 29). Архивировано из оригинального (PDF) 30 апреля 2011 года.
  34. ↑ Шринивасан, Шарада (1994). «Тигельная сталь Wootz: недавно открытая производственная площадка в Южной Индии» . Материалы Института археологии . 5 : 49–59. DOI : 10,5334 / pia.60 .
  35. ↑ Хобби - Том 68, выпуск 5 - стр. 45. Lightner Publishing Company (1963).
  36. ^ Mahathevan, Iravatham (24 июня 2010). «Эпиграфический взгляд на древность тамилов» . Индус . Проверено 31 октября 2010 года .
  37. ^ Ragupathy, P (28 июня 2010). «Глиняный черепок Тиссамахарамы свидетельствует об обычных ранних тамилах среди населения» . Тамилнет . Тамилнет . Проверено 31 октября 2010 года .
  38. ^ Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 1, Гражданское строительство и мореплавание (PDF) . Тайбэй: Caves Books, Ltd. стр. 282. ISBN.  0-521-05802-3. Архивировано из оригинального (PDF) 3 июля 2017 года . Проверено 4 августа 2017 .
  39. ^ Мэннинг, Шарлотта Спейр. Древняя и средневековая Индия. Том 2 . ISBN 978-0-543-92943-3.
  40. ^ a b c Джулеф, Г. (1996). «Древняя ветровая технология выплавки чугуна в Шри-Ланке». Природа . 379 (3): 60–63. Bibcode : 1996Natur.379 ... 60J . DOI : 10.1038 / 379060a0 .
  41. ^ а б Коглан, Герберт Хенери. (1977). Заметки о доисторическом и раннем железе Старого Света . Oxprint. стр. 99–100
  42. ^ История цивилизации, наше восточное наследие . Саймон и Шустер. 1935. с. 539 . ISBN 0-671-54800-X. Проверено 4 марта 2017 года .
  43. ^ Сандерсон, Кэтрин (2006-11-15). «Острый вырез из меча из нанотрубок». Новости природы . DOI : 10.1038 / news061113-11 .
  44. ^ Wayman, ML & Juleff, G. (1999). «Тигельное производство стали в Шри-Ланке». Историческая металлургия . 33 (1): 26.
  45. ^ Хартвелл, Роберт (1966). "Рынки, технологии и структура предприятий в развитии черной металлургии Китая в XI веке". Журнал экономической истории . 26 : 53–54. DOI : 10.1017 / S0022050700061842 .
  46. ^ a b Тайлекот, РФ (1992) История металлургии 2-е изд., Институт материалов, Лондон. С. 95–99 и 102–105. ISBN 0-901462-88-8 . 
  47. ^ Raistrick, A. (1953) Династия основателей железа.
  48. ^ Хайд, CK (1977) Технологические изменения и британская металлургия . Принстон
  49. ^ Триндер, Б. (2000) Промышленная революция в Шропшире . Чичестер.
  50. ^ Barraclough, KC (1984) стали до того бессемеровском: I блистерной стали: рождение промышленности . Общество металлов, Лондон. С. 48–52.
  51. Перейти ↑ King, PW (2003). «Картель в железной руде: торговля сырьем для стали в восемнадцатом веке». Журнал промышленной истории . 6 (1): 25–49.
  52. ^ a b c d "Черная металлургия". Британника . Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  53. ^ Barraclough, KC (1984) стали до того бессемеровском: II Crucible Steel: рост технологии . Общество металлов, Лондон.
  54. ^ Суонк, Джеймс Мур (1892). История производства железа во все века . ISBN 0-8337-3463-6.
  55. ^ Бессемеровский процесс . 2 . Encyclopdia Britannica. 2005. с. 168.
  56. ^ a b Шерман, Зандер (4 сентября 2019 г.). «Как росла и падала стальная империя Дофаско моего прадеда, а вместе с ней и его потомки» . Globe and Mail Inc.
  57. ^ Основной кислородный процесс . Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  58. ^ Джонс, JAT; Боуман, Б. и Лефранк, Пенсильвания (1998) "Производство стали в электропечи", в "Производство, формование и обработка стали" , стр. 525–660. RJ Fruehan (редактор). Фонд AISE Steel: Питтсбург. ISBN 0-930767-03-9 . 
  59. ^ «Сталелитейная промышленность» . Архивировано из оригинала на 2009-06-18 . Проверено 12 июля 2009 .
  60. ^ " Запись Конгресса V. 148, Pt. 4, 11 апреля 2002 г. по 24 апреля 2002 г. ". Типография правительства США .
  61. ^ Чопра, Ануй (12 февраля 2007). «Сталелитейная промышленность Индии выходит на мировую арену» . Cristian Science Monitor . Проверено 12 июля 2009 .
  62. ^ «Ведущие производители стали в 2017 году» (PDF) . Всемирная ассоциация производителей стали. Архивировано из оригинального (PDF) 23 августа 2018 года . Проверено 22 августа 2018 года .
  63. ^ «Долгосрочное планирование необходимо для удовлетворения спроса на сталь» . Новости . 2008-03-01. Архивировано из оригинала на 2010-11-02 . Проверено 2 ноября 2010 .
  64. ^ Ушителль Луи (2009-01-01). «Сталелитейная промышленность переживает спад, надеясь на федеральные стимулы» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 19 июля 2009 .
  65. ^ Хартман, Рой А. (2009). «Переработка» . Encarta . Архивировано из оригинала на 2008-04-14.
  66. Перейти ↑ Fenton, Michael D (2008). «Лом черных металлов». В Геологической службе США (ред.). Ежегодник полезных ископаемых, 2008 г., том 1: Металлы и минералы . Государственная типография . ISBN 978-1-4113-3015-3.
  67. ^ Всемирная ассоциация стали (2018-03-01). «Сталь и сырье» (PDF) .
  68. ^ «Высокопрочные низколегированные стали» . Schoolscience.co.uk . Проверено 14 августа 2007 .
  69. ^ "Двухфазная сталь" . Службы экспертных знаний Intota. Архивировано из оригинала на 2011-05-25 . Проверено 1 марта 2007 .
  70. ^ Вернер, Эвальд. «Вызванная трансформацией пластичность низколегированных TRIP-сталей и реакция микроструктуры на сложную историю напряжений» . Архивировано из оригинала 23 декабря 2007 года . Проверено 1 марта 2007 .
  71. ^ Мирко, Сенти; Saliceti Stefano. «Пластичность, вызванная преобразованием (TRIP), пластичность, индуцированная двойникованием (TWIP), и двухфазная (DP) стали» . Технологический университет Тампере. Архивировано из оригинала на 2008-03-07 . Проверено 1 марта 2007 .
  72. ^ Гальваническая защита . Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  73. ^ "Стальной глоссарий" . Американский институт чугуна и стали (AISI) . Проверено 30 июля 2006 .
  74. ^ "Стальная развязка" . Американский институт стальных конструкций Inc. (AISC). Архивировано из оригинала на 2007-12-22 . Проверено 28 февраля 2007 .
  75. ^ "Свойства мартенситностареющих сталей" . Архивировано из оригинала на 2009-02-25 . Проверено 19 июля 2009 .
  76. ^ Марганцовистая сталь Гадфилда . Answers.com. Словарь научных и технических терминов McGraw-Hill, McGraw-Hill Companies, Inc., 2003. Проверено 28 февраля 2007 г.
  77. ^ Брингас, Джон Э. (2004). Справочник сравнительных мировых стандартов стали: третье издание (PDF) (3-е изд.). ASTM International. п. 14. ISBN  0-8031-3362-6. Архивировано из оригинального (PDF) 27 января 2007 года.
  78. ^ Руководство по стальной конструкции, 8-е издание, второе пересмотренное издание, Американский институт стальных конструкций, 1986, гл. 1 стр. 1–5
  79. ^ Ochshorn, Джонатан (2002-06-11). «Сталь в архитектуре ХХ века» . Энциклопедия архитектуры двадцатого века . Проверено 26 апреля 2010 .
  80. ^ Венейблс, Джон Д .; Girifalco, Louis A .; Patel, C. Kumar N .; McCullough, RL; Марчант, Роджер Эрик; Кукич, Дайан С. (2007). Материаловедение . Encyclopdia Britannica.

Библиография [ править ]

  • Эшби, Майкл Ф .; Джонс, Дэвид Райнер Ханкин (1992). Введение в микроструктуры, обработку и дизайн . Баттерворт-Хайнеманн.
  • Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-65653-4.
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Сталь - Справочник по исследованиям и разработке материалов, том 1: основы . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1992, 737 p. ISBN 3-540-52968-3 , 3-514-00377-7 . 
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Сталь - Справочник по исследованиям и разработке материалов, Том 2: Приложения . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1993, 839 страниц, ISBN 3-540-54075-X , 3-514-00378-5 . 
  • Смит, Уильям Ф .; Хашеми, Джавад (2006). Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-295358-6.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Марк Ройтер, Производство стали: Воробьиные точки и подъем и крах американской промышленной мощи . Издательство Иллинойского университета, 2005 г.
  • Дункан Берн, Экономическая история сталеплавильного производства, 1867–1939: исследование конкуренции . Издательство Кембриджского университета, 1961.
  • Харукию Хасэгава, Стальная промышленность Японии: сравнение с Великобританией . Рутледж, 1996.
  • Дж. К. Карр и В. Тэплин, История британской сталелитейной промышленности . Издательство Гарвардского университета, 1962.
  • Х. Ли Скамхорн, Mill & Mine: Cf & I в двадцатом веке . University of Nebraska Press, 1992.
  • Уоррен, Кеннет, Big Steel: The First Century of the United States Steel Corporation, 1901–2001 . Университет Питтсбурга, 2001.

Внешние ссылки [ править ]

  • Официальный веб - сайт из Всемирной ассоциации производителей стали (Worldsteel)
    • steeluniversity.org : Интернет-ресурсы по обучению стали, инициатива Всемирной ассоциации производителей стали.
  • Металлургия для неметаллургов от Американского общества металлов.
  • База данных MATDAT свойств нелегированных, низколегированных и высоколегированных сталей - получена из опубликованных результатов испытаний материалов