Стали - Steel

Для использования в других целях см. Сталь (значения).
Сюда перенаправляется «сталевар». Для использования в других целях см. Сталелитейщик (значения).

Стали и другие фазы сплава железо-углерод
FagerstaRAÄ2.jpg
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа
В стальной трос из шахта извилистая башня

Стали является сплав из утюг обычно несколько процентов углерод улучшить его сила и сопротивление разрушению по сравнению с железом. Могут присутствовать или добавляться многие другие дополнительные элементы. Нержавеющие стали, коррозия и стойкость к окислению обычно требует дополнительных 11% хром. Из-за высокого предел прочности и низкая стоимость, сталь используется в здания, инфраструктура, инструменты, корабли, поезда, легковые автомобили, машины, электроприборы, и оружие. Железо - это основной металл из стали и может принимать две кристаллические формы (аллотропные формы): объемно-центрированная кубическая и гранецентрированная кубическая. Эти формы зависят от температуры. В объемно-центрированном кубическом расположении атом железа находится в центре и восемь атомов в вершинах каждой кубической элементарной ячейки; в гранецентрированной кубике имеется по одному атому в центре каждой из шести граней элементарной кубической ячейки и восемь атомов в ее вершинах. Это взаимодействие аллотропы железа с легирующими элементами, в первую очередь углеродом, что дает сталь и чугун их спектр уникальных свойств.

В чистом железе Кристальная структура имеет относительно небольшое сопротивление проскальзывающим друг другу атомам железа, поэтому чистое железо вполне пластичный, или мягкие и легко формируемые. В стали небольшие количества углерода, других элементов и включений в железе действуют как упрочняющие агенты, препятствующие перемещению металла. вывихи.

Углерод в типичных стальных сплавах может составлять до 2,14% от его веса.[нужна 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, гасящее поведение, нужно для отжиг, сдерживающее поведение, 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 цветущий печи в течение тысяч лет, но его крупномасштабное промышленное использование началось только после того, как в 17 веке были разработаны более эффективные методы производства, с введением доменная печь и производство тигельная сталь. Затем последовал мартеновская печь а затем Бессемеровский процесс в Англия в середине 19 века. С изобретением процесса Бессемера наступила новая эра массовое производство стали. Замена низкоуглеродистой стали кованое железо. Германские государства в 19 ​​веке сталелитейное производство в Европе завоевало популярность благодаря дешевому экспорту.[1]

Дальнейшие усовершенствования в процессе, такие как кислородное производство стали (BOS), в значительной степени заменили более ранние методы, еще больше снизив стоимость производства и повысив качество конечного продукта. Сегодня сталь является одним из самых распространенных искусственных материалов в мире: ежегодно производится более 1,6 миллиарда тонн. Современная сталь обычно идентифицируется различными марками, определяемыми организации по стандартизации.

Определения и сопутствующие материалы

Существительное стали происходит из Прото-германский прилагательное Stahliją или же стахлиджан (изготовлена ​​из стали), что связано с Stahlaz или же Stahliją (постоянная фирма).[2]

Содержание углерода в стали составляет от 0,002% до 2,14% по весу для простой углеродистой стали (утюг –углерод сплавы ).[3] Слишком малое содержание углерода делает (чистое) железо довольно мягким, пластичным и непрочным. Содержание углерода выше, чем в стали, делает хрупкий сплав, обычно называемый чугун. Легированная сталь представляет собой сталь, в которую намеренно добавлены другие легирующие элементы для изменения характеристик стали. Общие легирующие элементы включают: марганец, никель, хром, молибден, бор, титан, ванадий, вольфрам, кобальт, и ниобий.[4] В отличие, чугун подвергается эвтектической реакции. В стали также важны дополнительные элементы, которые чаще всего считаются нежелательными: фосфор, сера, кремний, и следы кислород, азот, и медь.

Простые сплавы углерод-железо с содержанием углерода более 2,1% известны как чугун. С современными сталеплавильное производство Такие методы, как формовка металлическим порошком, позволяют изготавливать стали с очень высоким содержанием углерода (и из других легированных материалов), но такие не распространены. Чугун не является ковким даже в горячем состоянии, но он может образовываться Кастинг поскольку у него более низкий температура плавления чем сталь и хорошо литье характеристики.[4] Некоторые составы чугуна, сохраняя при этом экономию плавления и литья, могут подвергаться термообработке после литья для получения ковкое железо или же ковкий чугун объекты. Сталь отличить от кованое железо (в настоящее время в значительной степени устаревшие), которые могут содержать небольшое количество углерода, но большое количество шлак.

Свойства материала

Железо-углерод фазовая диаграмма, показывающий условия, необходимые для образования различных фаз

Происхождение и производство

Железо обычно содержится в корка в виде руда, обычно оксид железа, такой как магнетит или же гематит. Железо добывается из железная руда 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 низким таяние точки, такие как банка, который плавится примерно при 250 ° C (482 ° F), и медь, которая плавится при температуре около 1100 ° C (2010 ° F), и комбинация бронзы, которая имеет температуру плавления ниже 1083 ° C (1981 ° F). Для сравнения, чугун плавится при температуре около 1375 ° C (2507 ° F).[5] Небольшие количества железа выплавляли в древние времена в твердом состоянии, нагревая руду в уголь обжигать, а затем сваривать куски молотком и при этом выдавливать загрязнения. 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 Бронзовый век. 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 (чугун ), который сохраняет слишком много углерода, чтобы его можно было назвать сталью.[5] 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 добавить к ее прочности на разрыв и сделать аустенит форма железоуглеродного раствора более устойчива, хром повышает твердость и температуру плавления, ванадий также увеличивает твердость, делая его менее склонным к усталость металла.[6]

Чтобы предотвратить коррозию, в сталь добавляют не менее 11% хрома, чтобы окись образует на поверхности металла; это известно как нержавеющая сталь. Вольфрам замедляет образование цементит, удерживая углерод в матрице железа и позволяя мартенсит предпочтительно образовываться при более медленных скоростях закалки, что приводит к быстрорежущей стали. С другой стороны, сера, азот, и фосфор считаются загрязнителями, которые делают сталь более хрупкой и удаляются из стального расплава во время обработки.[6]

Характеристики

В плотность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов, но обычно составляет от 7750 до 8050 кг / м3 (484 и 503 фунт / куб фут), или 7,75 и 8,05 г / см3 (4,48 и 4,65 унций / куб. Дюйм).[7]

Даже в узком диапазоне концентраций смесей углерода и железа, из которых состоит сталь, может образовываться ряд различных металлургических структур с очень разными свойствами. Понимание таких свойств необходимо для изготовления качественной стали. В комнатная температура, наиболее стабильной формой чистого железа является объемно-центрированный кубический (BCC) 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 феррит. При 910 ° C чистое железо превращается в гранецентрированная кубическая (FCC) структура, называемая гамма-железом или γ-железом. Включение углерода в гамма-железо называется аустенитом. Более открытая ГЦК-структура аустенита может растворять значительно больше углерода, до 2,1%.[8] (В 38 раз больше, чем у феррита) углерод при 1148 ° C (2098 ° F), что отражает верхнее содержание углерода в стали, за пределами которого находится чугун.[9] Когда углерод выходит из раствора вместе с железом, он образует очень твердый, но хрупкий материал, называемый цементитом (Fe3C).

При охлаждении стали с точно 0,8% углерода (известной как эвтектоидная сталь) аустенитный 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 осадок вне решения как цементит, оставляя после себя окружающую фазу ОЦК-железа, называемую ферритом, с небольшим процентным содержанием углерода в растворе. Оба, феррит и цементит, одновременно осаждаются, образуя слоистую структуру, называемую перлит, названный за его сходство с перламутр. В заэвтектоидном составе (более 0,8% углерода) углерод сначала выпадет в осадок в виде крупных включений цементита в аустените. границы зерен пока процент углерода в зерна снизился до эвтектоидного состава (0,8% углерода), при этом образуется перлитная структура. Для сталей, содержащих менее 0,8% углерода (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.[10] Вышесказанное 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 скольжение дефектов внутри этих зерен, что приводит к упрочнению стали. При очень высоких скоростях охлаждения, возникающих при закалке, углерод не успевает мигрировать, но 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 требуется Телоцентрированный тетрагональный (BCT) структура. Нет термического энергия активации для превращения аустенита в мартенсит.[требуется разъяснение ] Более того, нет никакого изменения состава, поэтому атомы обычно сохраняют своих соседей.[11]

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 сжатие на кристаллах мартенсита и напряжение на оставшемся феррите, с изрядным количеством срезать на обоих составляющих. Если закалка выполнена неправильно, внутренние напряжения могут привести к разрушению детали при охлаждении. По крайней мере, они вызывают внутренние упрочнение и другие микроскопические недостатки. При закалке в воде обычно образуются трещины при закалке, хотя они не всегда видны.[12]

Термическая обработка

Фазовая диаграмма Fe-C для углеродистых сталей; показывая А0, А1, А2 и А3 критические температуры для термообработки.
Основная статья: Термическая обработка

Есть много видов термическая обработка процессы, доступные для стали. Наиболее распространены отжиг, закалка, и закалка. 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 способствует общему размягчению продукта, а лишь локально снимает напряжения и напряжения, заключенные внутри материала. Отжиг проходит в три фазы: восстановление, перекристаллизация, и рост зерна. Температура, необходимая для отжига конкретной стали, зависит от типа отжига, который необходимо достичь, и легирующих компонентов.[13]

Закалка включает нагрев стали для образования аустенитной фазы с последующей закалкой в ​​воде или масло. Это быстрое охлаждение приводит к твердой, но хрупкой мартенситной структуре.[11] Затем сталь закаляется, что является просто специальным типом отжига, чтобы уменьшить хрупкость. В этом случае процесс отжига (отпуска) преобразует часть мартенсита в цементит или сфероидит и, следовательно, уменьшает внутренние напряжения и дефекты. В результате получается сталь более пластичная и устойчивая к излому.[14]

Производство стали

Основная статья: Сталеплавильное производство
Смотрите также: Список стран по производству стали
Железная руда окатыши для производства стали

Когда железо плавил из своей руды он содержит больше углерода, чем хотелось бы. Чтобы стать сталью, ее необходимо переработать, чтобы уменьшить углерод до нужного количества, после чего можно добавить другие элементы. В прошлом сталелитейные предприятия В ролях сырой стальной продукт в слитки которые будут храниться до использования в дальнейших процессах очистки, в результате которых будет получен готовый продукт. На современных объектах исходный продукт близок к конечному составу и непрерывно лить на длинные плиты, разрезаемые и формованные на стержни и профили и термообработанные для получения конечного продукта. Сегодня около 96% стали непрерывно разливается, в то время как только 4% производится в виде слитков.[15]

Затем слитки нагревают в яме для выдержки и горячекатаный в плиты, заготовки, или же цветет. Плиты горячие или холоднокатаные в листовой металл или тарелки. Заготовки подвергаются горячей или холодной прокатке в пруток, пруток и проволоку. Цветки скручиваются в горячем или холодном виде. конструкционная сталь, Такие как Двутавровые балки и рельсы. На современных сталелитейных заводах эти процессы часто происходят за один сборочная линия, с поступлением руды и выпуском готовой металлопродукции.[16] Иногда после окончательной прокатки сталь подвергают термообработке для повышения прочности; однако это относительно редко.[17]

История сталеплавильного производства

Основные статьи: История черной металлургии и История черной металлургии (1850–1970)
Bloomery плавка во время Средний возраст

Древняя сталь

Сталь была известна в древности и производилась в цветение и тигли.[18][19]

Самое раннее известное производство стали наблюдается в железных изделиях, выкопанных из археологические раскопки в Анатолия (Каман-Калехойюк ) и им почти 4000 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры.[20][21] Гораций определяет стальное оружие, такое как фальката в Пиренейский полуостров, пока Нориковая сталь использовался Римские военные.[22]

Репутация Сериковое железо Южной Индии (Wootz Steel) значительно выросла в остальном мире.[19] Площадки по производству металла в Шри-Ланка использовали ветряные печи, приводимые в движение муссонными ветрами, способные производить высокоуглеродистую сталь. Крупномасштабный Wootz Steel производство в Тамилакам с использованием тиглей и источников углерода, таких как завод Аварам возник в шестом веке до нашей эры, являясь пионером современного производства стали и металлургии.[18][19]

В Китайский из Период воюющих царств (403–221 гг. До н.э.) закаленный стали,[23] в то время как китайцы Династия Хан (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.) создал сталь путем плавления кованого железа с чугуном, таким образом к I веку нашей эры была получена сталь с промежуточным углеродом.[24][25]

Есть свидетельства того, что углеродистая сталь был сделан в западном Танзания предками Люди хая еще 2000 лет назад в результате сложного процесса «предварительного нагрева», позволяющего температурам внутри печи достигать 1300–1400 ° C.[26][27][28][29][30][31]

Сталь Wootz и дамасская сталь

Основные статьи: Wootz Steel и Дамасская сталь

Свидетельства самого раннего производства высокоуглеродистой стали в Индия находятся в Кодуманал в Тамил Наду, то Голконда площадь в Андхра-Прадеш и Карнатака, а в Samanalawewa области Шри-Ланка.[32] Это стало известно как Wootz Steel, произведенный в Южной Индии примерно в шестом веке до нашей эры и экспортированный по всему миру.[33][34] Технология производства стали существовала в регионе до 326 г. до н.э., поскольку они упоминаются в литературе Сангам тамильский, Арабский и латинский языки как лучшая сталь в мире экспортировали в то время в римский, египетский, китайский и арабский миры - то, что они называли Серическое железо.[35] А 200 г. до н.э. Тамильская торговая гильдия в Тиссамахараме, на юго-востоке Шри-Ланки, привезли с собой на остров некоторые из старейших артефактов из железа и стали и производственных процессов. классический период.[36][37][38] Китайцы и местные жители в Анурадхапура Шри-Ланка также приняла производственные методы создания стали Wootz из Династия Чера Тамилы Южной Индии к 5 веку нашей эры.[39][40] В Шри-Ланке в этом раннем методе производства стали использовалась уникальная ветряная печь, управляемая муссонными ветрами, способная производить высокоуглеродистую сталь.[41][42] Поскольку технология была приобретена у Тамильцы из Южной Индии,[нужна цитата ] происхождение технологии производства стали в Индии можно консервативно оценить в 400–500 гг. до н. э.[33][42]

Производство того, что стало называться Wootz, или Дамасская сталь, известный своей прочностью и способностью удерживать преимущество, возможно, был взят арабами из Персии, которые взяли его из Индии. Первоначально он был создан из множества различных материалов, включая различные микроэлементы, очевидно, в конечном итоге из произведений Зосим Панополисский. В 327 г. до н.э. Александр Великий был награжден побежденным королем Porus не с золотом или серебром, а с 30 фунтами стали.[43] Недавние исследования показали, что углеродные нанотрубки были 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.[44] Естественный ветер использовался там, где почва, содержащая железо, нагревалась с помощью дерева. В древний сингальский удалось извлечь тонну стали на каждые 2 тонны почвы,[41] замечательный подвиг в то время. Одна такая печь была найдена в Саманалавеве, и археологи смогли производить сталь, как это делали древние.[41][45]

Тигельная сталь, образованный путем медленного нагрева и охлаждения чистого железа и углерода (обычно в форме древесного угля) в тигле, был получен в Мерв к 9-10 векам нашей эры.[34] В 11 веке есть свидетельства производства стали в Песня Китай с использованием двух методов: «берганского» метода производства низкокачественной неоднородной стали и предшественника современной Бессемеровский процесс который использовал частичную декарбонизацию путем многократной ковки под холодный взрыв.[46]

Современное сталеплавильное производство

Бессемеровский преобразователь в Шеффилд, Англия

С 17 века первым шагом в европейском производстве стали было выплавление железной руды в чугун в доменная печь.[47] Первоначально использовав древесный уголь, современные методы используют кокс, который оказался более экономичным.[48][49][50]

Процессы, начиная с пруткового железа

Основные статьи: Блистерная сталь и Тигельная сталь

В этих процессах передельный чугун очищался (очищался) в нарядная кузница производить пруток, который затем использовался в сталеплавильном производстве.[47]

Производство стали процесс цементирования был описан в трактате, опубликованном в Праге в 1574 г., и использовался в Нюрнберг с 1601. Аналогичный процесс для упрочнение доспехи и файлы были описаны в книге, опубликованной в Неаполь в 1589 году. Процесс был введен в Англию примерно в 1614 году и использовался для производства такой стали сэром Бэзил Брук в Coalbrookdale в течение 1610-х гг.[51]

Сырьем для этого процесса служили слитки железа. В 17 веке стало ясно, что лучшая сталь производится из руда железа региона к северу от Стокгольм, Швеция. Это было обычным источником сырья в 19 веке, почти до тех пор, пока использовался этот процесс.[52][53]

Тигельная сталь - это сталь, выплавленная в тигель вместо того, чтобы быть кованый, в результате чего он более однородный. Большинство предыдущих печей не могли достичь достаточно высоких температур для плавления стали. Тигельная сталелитейная промышленность начала Нового времени возникла в результате изобретения Бенджамин Хантсман в 1740-х гг. Черновая сталь (сделанная, как указано выше) плавилась в тигле или в печи и отливалась (обычно) в слитки.[53][54]

Процессы из чугуна

Сименс-Мартин мартеновская печь в Бранденбург Музей промышленности.


Современная эпоха в сталеплавильное производство началось с введения Генри Бессемер с Бессемеровский процесс в 1855 г. сырьем для производства был чугун.[55] Его метод позволял ему производить сталь в больших количествах по дешевке, таким образом мягкая сталь стали использоваться для большинства целей, для которых раньше использовалось кованое железо.[56] Процесс Гилкриста-Томаса (или базовый бессемеровский процесс) был усовершенствованием бессемеровского процесса, сделанным путем футеровки конвертера базовый материал для удаления фосфора.

Еще одним процессом производства стали XIX века был Процесс Сименс-Мартин, который дополнил процесс Бессемера.[53] Он состоял из плавки пруткового чугуна (или стального лома) с чугуном.

Разливка стали раскаленной добела из дуговой электропечи.

Эти методы производства стали устарели благодаря процессу Линца-Донавица. кислородное производство стали (BOS), разработанный в 1952 г.,[57] и другие кислородные методы производства стали. Производство стали с использованием основного кислорода превосходит предыдущие методы производства стали, поскольку кислород, закачиваемый в печь, ограничивает количество примесей, в первую очередь азота, которые ранее поступали из используемого воздуха,[58] и потому что, что касается мартеновского процесса, то же количество стали, полученной в процессе BOS, производится в двенадцатую часть времени.[57] Сегодня, электродуговые печи (EAF) - это распространенный метод переработки металлолом 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.[59]

Стальная промышленность

Смотрите также: История черной металлургии (1850–1970), Мировые тенденции в черной металлургии, Производство стали по странам, и Список производителей стали
Производство стали (в млн. Тонн) по странам в 2007 г.

Сталелитейную промышленность часто считают индикатором экономического прогресса из-за решающей роли стали в инфраструктуре и в целом. экономическое развитие.[60] В 1980 году в США было более 500 000 рабочих-металлистов. К 2000 году количество сталеваров упало до 224 000 человек.[61]

В экономический бум в Китае и Индии вызвал резкий рост спроса на сталь. С 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 г. несколько индийских[62] и китайские сталелитейные компании стали известными,[согласно кому? ] Такие как Тата Стил (который купил Corus Group в 2007), Baosteel Group и Shagang Group. По состоянию на 2017 год, хотя, АрселорМиттал это мир крупнейший производитель стали.[63] В 2005 г. Британская геологическая служба заявил, что Китай является ведущим производителем стали, на долю которого приходится около одной трети мировой доли; За ними последовали Япония, Россия и США.[64]

В 2008 году стали торговля как товар на Лондонская биржа металлов. В конце 2008 года в сталелитейной промышленности произошел резкий спад, который привел к множеству сокращений.[65]

Переработка отходов

Основная статья: Переработка черных металлов

Сталь - один из наиболее перерабатываемых материалов в мире, с уровнем рециркуляции более 60% во всем мире;[66] только в США в 2008 году было переработано более 82 000 000 метрических тонн (81 000 000 длинных тонн; 90 000 000 коротких тонн), что составляет 83%.[67]

Поскольку производится больше стали, чем утилизируется, количество переработанного сырья составляет около 40% от общего объема произведенной стали - в 2016 году 1 628 000 000 тонн (1,602×109 длинные тонны; 1,795×109 коротких тонн) сырой стали было произведено во всем мире, из которых было переработано 630 000 000 тонн (620 000 000 длинных тонн; 690 000 000 коротких тонн).[68]

Современная сталь

Вифлеемская сталь (Вифлеем, Пенсильвания предприятие) было одним из крупнейших в мире производителей стали до закрытия в 2003 г.
Смотрите также: Марки стали

Углеродистые стали

Современные стали изготавливаются из различных комбинаций легированных металлов для различных целей.[6] Углеродистая сталь, состоящая просто из железа и углерода, составляет 90% производства стали.[4] Низколегированная сталь легируется другими элементами, обычно молибден, марганец, хром или никель в количестве до 10% по массе для улучшения закаливаемости толстых профилей.[4] Высокопрочная низколегированная сталь имеет небольшие добавки (обычно <2% по весу) других элементов, обычно 1,5% марганца, чтобы обеспечить дополнительную прочность при небольшом повышении цены.[69]

Недавний Средняя корпоративная экономия топлива (CAFE) правила 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, который подвергается термообработке, чтобы содержать как ферритную, так и мартенситную микроструктуру для производства формуемой высокопрочной стали.[70] Сталь с индуцированной трансформацией пластичностью (TRIP) включает специальное легирование и термообработку для стабилизации количества аустенит при комнатной температуре в низколегированных ферритных сталях, не содержащих аустенита. При приложении деформации аустенит подвергается фаза перехода до мартенсита без добавления тепла.[71] В стали с двойным индуцированием пластичности (TWIP) используется особый тип деформации для повышения эффективности наклепа на сплав.[72]

Углеродистые стали часто оцинкованный, путем горячего погружения или гальваники в цинк для защиты от ржавчины.[73]

Легированные стали

Нержавеющие стали содержат минимум 11% хрома, часто в сочетании с никелем, чтобы противостоять коррозия. Некоторые нержавеющие стали, такие как ферритный нержавеющие стали магнитный, в то время как другие, такие как аустенитный, немагнитны.[74] Коррозионно-стойкие стали обозначаются сокращенно CRES.

Некоторые более современные стали включают инструментальные стали, которые легированы большим количеством вольфрама и кобальт или другие элементы, чтобы максимизировать твердение раствора. Это также позволяет использовать осадочное твердение и улучшает термостойкость сплава.[4] Инструментальная сталь обычно используется в топорах, сверлах и других устройствах, которым нужна острая и долговечная режущая кромка. К другим сплавам специального назначения относятся: погодоустойчивые стали такие как Cor-ten, который выдерживает погодные условия, приобретая устойчивую ржавую поверхность, и поэтому может использоваться неокрашенным.[75] Мартенситностареющая сталь легирован никелем и другими элементами, но в отличие от большинства сталей содержит мало углерода (0,01%). Это создает очень сильный, но все же податливый стали.[76]

Эглин сталь использует комбинацию из более чем дюжины различных элементов в различных количествах для создания относительно недорогой стали для использования в бункеровщик оружие. Hadfield Steel (в честь сэра Роберт Хэдфилд ) или марганцевая сталь содержит 12–14% марганца, который при абразивном истирании деформируется и образует очень твердую пленку, стойкую к износу. Примеры включают гусеницы танка, бульдозерный отвал кромки и режущие лезвия на челюсти жизни.[77]

Стандарты

Большинство наиболее часто используемых стальных сплавов классифицируются организациями по стандартизации на различные марки. Например, Общество Автомобильных Инженеров имеет серию оценки определение многих типов стали.[78] В Американское общество испытаний и материалов имеет отдельный набор стандартов, которые определяют сплавы, такие как Сталь А36, наиболее часто используемая конструкционная сталь в США.[79] В JIS также определяют ряд марок стали, которые широко используются в Японии, а также в развивающихся странах.

Использует

Рулон стальной ваты

Железо и сталь широко используются при строительстве дорог, железных дорог, другой инфраструктуры, бытовой техники и зданий. Самые большие современные постройки, такие как стадионы а небоскребы, мосты и аэропорты поддерживаются стальным каркасом. Даже в бетонных конструкциях для армирования используется сталь. Кроме того, он широко используется в основные приборы и легковые автомобили. Несмотря на рост использования алюминий, это по-прежнему основной материал для кузовов автомобилей. Сталь используется во множестве других строительных материалов, таких как болты, гвозди и винты и другие товары для дома и кухонная утварь.[80]

Другие распространенные приложения включают судостроение, трубопроводы, добыча полезных ископаемых, морское строительство, аэрокосмический, бытовая техника (например. стиральные машины ), тяжелое оборудование такие как бульдозеры, офисная мебель, стальная вата, инструмент и броня в виде личных жилетов или броня автомобиля (более известный как катаная гомогенная броня в этой роли).

Исторический

Нож из углеродистой стали

Перед введением Бессемеровский процесс и других современных производственных технологий, сталь была дорогой и использовалась только там, где не было более дешевой альтернативы, особенно для передовых ножи, бритвы, мечи, и другие предметы, для которых требовалась твердая, острая кромка. Он также использовался для пружины, в том числе используемые в часы и часы.[53]

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.[81] Углеродное волокно заменяет сталь в некоторых не требующих больших затрат приложениях, таких как спортивное оборудование и автомобили высокого класса.

Длинная сталь

Стальной мост
Подвешивание стального пилона воздушные линии электропередачи

Плоская углеродистая сталь

Погодостойкая сталь (COR-TEN)

Основная статья: Погодостойкая сталь

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь соусник
Основная статья: Нержавеющая сталь

Низкофоновая сталь

Основная статья: Низкофоновая сталь

Сталь, произведенная после Второй мировой войны, стала загрязненный с радионуклиды к испытания ядерного оружия. Низкофоновая сталь, сталь, произведенная до 1945 года, используется для некоторых чувствительных к радиации приложений, таких как Счетчики Гейгера и радиационная защита.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Р., Аллен. "(1979). Международный конкурс чугуна и стали, 1850-1913 гг.". JSTOR. Кембриджский университет. Получено 13 ноября, 2020.
  2. ^ Харпер, Дуглас. "стали". Интернет-словарь этимологии.
  3. ^ «Почему сталь по-прежнему является самым предпочтительным материалом для металлических зданий». Дома. 2019-06-07. Получено 2020-08-27.
  4. ^ а б c d е Эшби, Майкл Ф. и Джонс, Дэвид Р. Х. (1992) [1986]. Инженерные материалы 2 (с исправлениями под ред.). Оксфорд: Pergamon Press. ISBN  0-08-032532-7.
  5. ^ а б Плавка. Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  6. ^ а б c «Легирование сталей». Металлургические консультанты. 2006-06-28. Архивировано из оригинал 21.02.2007. Получено 2007-02-28.
  7. ^ Элерт, Гленн. «Плотность стали». Получено 2009-04-23.
  8. ^ Источники различаются по этому значению, поэтому оно было округлено до 2,1%, однако точное значение является скорее теоретическим, поскольку углеродистая сталь с таким содержанием углерода очень редко производится. Видеть:
  9. ^ Смит и Хашеми, 2006 г., п. 363.
  10. ^ Смит и Хашеми, 2006 г. С. 365–372.
  11. ^ а б Смит и Хашеми, 2006 г. С. 373–378.
  12. ^ «Закалочное упрочнение стали». keytometals.com. Архивировано из оригинал на 2009-02-17. Получено 2009-07-19.
  13. ^ Смит и Хашеми, 2006 г., п. 249.
  14. ^ Смит и Хашеми, 2006 г., п. 388.
  15. ^ Смит и Хашеми, 2006 г., п. 361
  16. ^ Смит и Хашеми, 2006 г. С. 361–362.
  17. ^ 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.
  18. ^ а б Дэвидсон, Хильда Эллис (1998). Меч в англосаксонской Англии: его археология и литература. Boydell & Brewer Ltd. стр. 20. ISBN  0-85115-716-5.
  19. ^ а б c Srinivasan, S .; Ранганатан, С. «Wootz Steel: передовой материал древнего мира». Бангалор: Отделение металлургии Индийского научного института. Архивировано из оригинал в 2018-11-19.
  20. ^ Аканума, Х. (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.
  21. ^ "Металлические изделия, обнаруженные в Турции, считаются старейшей сталью". Индуистский. Ченнаи, Индия. 2009-03-26. Архивировано из оригинал на 2009-03-29. Получено 2009-03-27.
  22. ^ "Noricus ensis", Гораций, Одессы, и. 16,9
  23. ^ 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.
  24. ^ Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 3, Гражданское строительство и мореплавание. Тайбэй: Caves Books, Ltd. стр. 563.
  25. ^ Герне, Жак (1982). История китайской цивилизации. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 69. ISBN  0-521-49781-7.
  26. ^ Шмидт, Питер; Эйвери, Дональд (1978). «Комплексная выплавка железа и доисторическая культура в Танзании». Наука. 201 (4361): 1085–1089. Bibcode:1978Научный ... 201.1085С. Дои:10.1126 / science.201.4361.1085. JSTOR  1746308. PMID  17830304.
  27. ^ Шмидт, Питер; Эйвери, Дональд (1983). «Дополнительные доказательства передовой технологии доисторического железа в Африке». Журнал полевой археологии. 10 (4): 421–434. Дои:10.1179/009346983791504228.
  28. ^ Шмидт, Питер (1978). Историческая археология: структурный подход в африканской культуре. Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press.
  29. ^ Эйвери, Дональд; Шмидт, Питер (1996). «Разогрев: практика или иллюзия». Культура и технология производства африканского железа. Гейнсвилл: Университет Флориды Press. С. 267–276.
  30. ^ Шмидт, Питер (2019). «Наука в Африке: история изобретательности и изобретений в технологии африканского железа». В Воргере, W; Эмблер, C; Ачебе, Н. (ред.). Товарищ по истории Африки. Хобокен, Нью-Джерси: Уайли Блэквелл. С. 267–288.
  31. ^ 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.
  32. ^ Уилфорд, Джон Ноубл (1996-02-06). «Древняя плавильная печь использовала ветер для производства высококачественной стали». Нью-Йорк Таймс.
  33. ^ а б Шринивасан, Шарада; Ранганатан, Шриниваса (2004). Легендарная индийская сталь Wootz: усовершенствованный материал древнего мира. Национальный институт перспективных исследований. OCLC  82439861. Архивировано из оригинал на 2019-02-11. Получено 2014-12-05.
  34. ^ а б Фейербах, Анна (2005). «Исследование разнообразных технологий, найденных в мечах, саблях и клинках с российского Северного Кавказа» (PDF). IAMS. 25: 27–43 (стр. 29). Архивировано из оригинал (PDF) на 30.04.2011.
  35. ^ Шринивасан, Шарада (1994). «Тигельная сталь Wootz: недавно открытая производственная площадка в Южной Индии». Материалы Института археологии. 5: 49–59. Дои:10,5334 / pia.60.
  36. ^ Хобби - Том 68, Выпуск 5 - с. 45. Lightner Publishing Company (1963).
  37. ^ Махатеван, Ираватам (24 июня 2010 г.). «Эпиграфический взгляд на древность тамилов». Индуистский. Получено 31 октября 2010.
  38. ^ Рагупати, П. (28 июня 2010 г.). «Глиняный черепок Тиссамахарамы свидетельствует об обычных ранних тамилах среди населения». Тамилнет. Тамилнет. Получено 31 октября 2010.
  39. ^ 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 оригинал (PDF) на 2017-07-03. Получено 2017-08-04.
  40. ^ Мэннинг, Шарлотта Спир. Древняя и средневековая Индия. Том 2. ISBN  978-0-543-92943-3.
  41. ^ а б c Джулеф, Г. (1996). «Древняя ветровая технология выплавки чугуна в Шри-Ланке». Природа. 379 (3): 60–63. Bibcode:1996 Натур 379 ... 60 Дж. Дои:10.1038 / 379060a0.CS1 maint: ref = harv (связь)
  42. ^ а б Коглан, Герберт Хенери. (1977). Заметки о доисторическом и раннем железе в Старом Свете. Oxprint. стр. 99–100
  43. ^ История цивилизации, наше восточное наследие. Саймон и Шустер. 1935. с.539. ISBN  0-671-54800-X. Получено 4 марта 2017.
  44. ^ Сандерсон, Кэтрин (15 ноября 2006 г.). «Острый вырез из меча из нанотрубок». Новости природы. Дои:10.1038 / news061113-11.CS1 maint: ref = harv (связь)
  45. ^ Уэйман, М. И Джулефф, Г. (1999). «Тигельное производство стали в Шри-Ланке». Историческая металлургия. 33 (1): 26.CS1 maint: ref = harv (связь)
  46. ^ Хартвелл, Роберт (1966). "Рынки, технологии и структура предприятий в развитии черной металлургии Китая в XI веке". Журнал экономической истории. 26: 53–54. Дои:10.1017 / S0022050700061842.CS1 maint: ref = harv (связь)
  47. ^ а б Тайлекот, Р.Ф. (1992) История металлургии 2-е изд., Институт материалов, Лондон. С. 95–99 и 102–105. ISBN  0-901462-88-8.
  48. ^ Рейстрик, А. (1953) Династия основателей железа.
  49. ^ Хайд, К. (1977) Технологические изменения и британская металлургическая промышленность. Принстон
  50. ^ Триндер, Б. (2000) Промышленная революция в Шропшире. Чичестер.
  51. ^ Барраклаф, К. (1984) Сталь до Бессемера: I Blister Steel: зарождение индустрии. Общество металлов, Лондон. С. 48–52.
  52. ^ Кинг, П. (2003). «Картель в железной руде: торговля сырьем для стали в восемнадцатом веке». Журнал промышленной истории. 6 (1): 25–49.CS1 maint: ref = harv (связь)
  53. ^ а б c d «Черная металлургия». Британика. Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  54. ^ Барраклаф, К. (1984) Сталь до Бессемера: II Crucible Steel: развитие технологий. Общество металлов, Лондон.
  55. ^ Суонк, Джеймс Мур (1892). История производства железа во все века. ISBN  0-8337-3463-6.
  56. ^ Бессемеровский процесс. 2. Encyclopdia Britannica. 2005. с. 168.
  57. ^ а б 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.
  58. ^ Основной кислородный процесс. Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  59. ^ Джонс, J.A.T .; Боуман, Б., Лефранк, П.А. (1998) «Электропечное сталеплавильное производство», в Производство, формовка и обработка сталиС. 525–660. Р.Дж. Fruehan (ред.). Фонд AISE Steel: Питтсбург. ISBN  0-930767-03-9.
  60. ^ "Стальная промышленность". Архивировано из оригинал на 2009-06-18. Получено 2009-07-12.
  61. ^ "Отчет Конгресса V. 148, Pt. 4, 11 апреля 2002 г. - 24 апреля 2002 г. ". Государственная типография США.
  62. ^ Чопра, Анудж (12 февраля 2007 г.). «Сталелитейная промышленность Индии выходит на мировую арену». Cristian Science Monitor. Получено 2009-07-12.
  63. ^ «Лучшие производители стали в 2017 году» (PDF). Всемирная ассоциация производителей стали. Архивировано из оригинал (PDF) 23 августа 2018 г.. Получено 22 августа, 2018.
  64. ^ «Для удовлетворения спроса на сталь необходимо долгосрочное планирование». Новости. 2008-03-01. Архивировано из оригинал на 2010-11-02. Получено 2010-11-02.
  65. ^ Учитель, Луи (2009-01-01). «Сталелитейная промышленность переживает спад, надеясь на федеральные стимулы». Нью-Йорк Таймс. Получено 2009-07-19.
  66. ^ Хартман, Рой А. (2009). "Переработка отходов". Encarta. Архивировано из оригинал на 2008-04-14.
  67. ^ Фентон, Майкл Д. (2008). «Лом черных металлов». В Геологическая служба США (ред.). Ежегодник полезных ископаемых, 2008 г., том 1: Металлы и минералы. Государственная типография. ISBN  978-1-4113-3015-3.
  68. ^ Всемирная ассоциация производителей стали (1 марта 2018 г.). «Сталь и сырье» (PDF).
  69. ^ «Высокопрочные низколегированные стали». Schoolscience.co.uk. Получено 2007-08-14.
  70. ^ «Двухфазная сталь». Службы экспертных знаний Intota. Архивировано из оригинал на 2011-05-25. Получено 2007-03-01.
  71. ^ Вернер, Эвальд. «Вызванная трансформацией пластичность низколегированных TRIP-сталей и реакция микроструктуры на сложную историю напряжений». Архивировано из оригинал 23 декабря 2007 г.. Получено 2007-03-01.
  72. ^ Мирко, Ченти; Saliceti Stefano. «Пластичность, вызванная трансформацией (TRIP), пластичность, индуцированная двойникованием (TWIP), и двухфазная (DP) стали». Технологический университет Тампере. Архивировано из оригинал на 2008-03-07. Получено 2007-03-01.
  73. ^ Гальваническая защита. Encyclopdia Britannica. 2007 г.
  74. ^ «Стальной глоссарий». Американский институт железа и стали (AISI). Получено 2006-07-30.
  75. ^ «Стальная развязка». Американский институт стальных конструкций Inc. (AISC). Архивировано из оригинал на 2007-12-22. Получено 2007-02-28.
  76. ^ «Свойства мартенситностареющих сталей». Архивировано из оригинал на 2009-02-25. Получено 2009-07-19.
  77. ^ Марганцовистая сталь Гадфилда. Answers.com. Словарь научных и технических терминов McGraw-Hill, McGraw-Hill Companies, Inc., 2003. Проверено 28 февраля 2007 г.
  78. ^ Брингас, Джон Э. (2004). Справочник сравнительных мировых стандартов на сталь: третье издание (PDF) (3-е изд.). ASTM International. п. 14. ISBN  0-8031-3362-6. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-01-27.
  79. ^ Руководство по стальным конструкциям, 8-е издание, второе пересмотренное издание, Американский институт стальных конструкций, 1986, гл. 1 стр. 1–5
  80. ^ Очшорн, Джонатан (11.06.2002). «Сталь в архитектуре ХХ века». Энциклопедия архитектуры двадцатого века. Получено 2010-04-26.
  81. ^ Венейблс, Джон Д .; Girifalco, Louis A .; Patel, C. Kumar N .; McCullough, R.L .; Марчант, Роджер Эрик; Кукич, Дайан С. (2007). Материаловедение. Encyclopdia Britannica.

Библиография

  • Эшби, Майкл Ф.; Джонс, Дэвид Райнер Ханкин (1992). Введение в микроструктуры, обработку и дизайн. Баттерворт-Хайнеманн.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Вайли. ISBN  0-471-65653-4.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • 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-Х, 3-514-00378-5.
  • Смит, Уильям Ф .; Хашеми, Джавад (2006). Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN  0-07-295358-6.CS1 maint: ref = harv (связь)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка