Сталь — это сплав железа и углерода с улучшенной прочностью и устойчивостью к разрушению по сравнению с другими формами железа. Благодаря своей высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь является одним из наиболее распространенных материалов в мире . Сталь используется в зданиях, в качестве арматурных стержней для бетона, в мостах, инфраструктуре, инструментах, кораблях, поездах, автомобилях, велосипедах, станках, электроприборах, мебели и оружии.
Железо всегда является основным элементом в стали, но могут присутствовать или добавляться многие другие элементы. Нержавеющие стали , устойчивые к коррозии и окислению , обычно требуют дополнительных 11% хрома .
Железо является основным металлом стали. В зависимости от температуры оно может принимать две кристаллические формы (аллотропные формы): объемно-центрированную 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 мимо друга, и поэтому чистое железо довольно пластичное или мягкое и легко формуется. В стали небольшие количества углерода, других элементов и включений в железе действуют как упрочняющие агенты, которые предотвращают движение дислокаций .
Углерод в типичных стальных сплавах может составлять до 2,14% от его веса. Изменение количества углерода и многих других легирующих элементов, а также контроль их химического и физического состава в конечной стали (либо как растворенных элементов, либо как выделенных фаз) препятствует движению дислокаций, которые делают чистое железо пластичным, и, таким образом, контролирует и улучшает его качества. Эти качества включают твердость , поведение при закалке , необходимость отжига , поведение при отпуске , предел текучести и прочность на растяжение получаемой стали. Увеличение прочности стали по сравнению с чистым железом возможно только за счет снижения пластичности железа.
Сталь производилась в кричных печах в течение тысяч лет, но ее крупномасштабное промышленное использование началось только после того, как в 17 веке были разработаны более эффективные методы производства, с введением доменной печи и производством тигельной стали . За этим последовал бессемеровский процесс в Англии в середине 19 века, а затем мартеновская печь . С изобретением бессемеровского процесса началась новая эра массового производства стали. Мягкая сталь заменила кованое железо . Немецкие государства были основными производителями стали в Европе в 19 веке. [1] Американское производство стали было сосредоточено в Питтсбурге , Вифлееме, Пенсильвании и Кливленде до конца 20 века. В настоящее время мировое производство стали сосредоточено в Китае, который произвел 54% мировой стали в 2023 году.
Дальнейшие усовершенствования в процессе, такие как производство стали в кислородно-конвертерном режиме (BOS), в значительной степени заменили более ранние методы, еще больше снизив себестоимость производства и повысив качество конечного продукта. Сегодня ежегодно производится более 1,6 млрд тонн стали. Современная сталь, как правило, идентифицируется различными сортами, определенными различными организациями по стандартизации . Современная сталелитейная промышленность является одной из крупнейших обрабатывающих отраслей в мире, но также одной из самых энергоемких и интенсивных по выбросам парниковых газов отраслей, на долю которой приходится 8% мировых выбросов. [2] Однако сталь также очень пригодна для повторного использования: это один из наиболее перерабатываемых материалов в мире, с уровнем переработки более 60% во всем мире . [3]
Существительное «сталь» происходит от протогерманского прилагательного * * stahliją или * * stakhlijan «сделанный из стали», которое связано с * * stahlaz или * * stahliją «стоять твердо». [4]
Содержание углерода в стали составляет от 0,02% до 2,14% по весу для обычной углеродистой стали ( сплавы железа с углеродом ). Слишком малое содержание углерода делает (чистое) железо довольно мягким, пластичным и слабым. Содержание углерода выше, чем в стали, делает сплав хрупким, обычно называемым чугуном . Легированная сталь — это сталь, в которую намеренно добавлены другие легирующие элементы для изменения характеристик стали. Обычные легирующие элементы включают: марганец , никель , хром , молибден , бор , титан , ванадий , вольфрам , кобальт и ниобий . [5] Дополнительные элементы, которые чаще всего считаются нежелательными, также важны в стали: фосфор , сера , кремний и следы кислорода , азота и меди .
Простые сплавы углерода и железа с содержанием углерода более 2,1% известны как чугун . Современные методы производства стали, такие как порошковая формовка металла, позволяют изготавливать стали с очень высоким содержанием углерода (и других легированных материалов), но они не распространены. Чугун нековок даже в горячем состоянии, но его можно формовать литьем, поскольку он имеет более низкую температуру плавления , чем сталь, и хорошие литейные свойства. [5] Некоторые составы чугуна, сохраняя экономичность плавления и литья, могут быть подвергнуты термической обработке после литья для изготовления изделий из ковкого железа или ковкого железа . Сталь отличается от кованого железа (сейчас в значительной степени устаревшего), которое может содержать небольшое количество углерода, но большое количество шлака .
Железо обычно встречается в земной коре в виде руды , обычно оксида железа, такого как магнетит или гематит . Железо извлекается из железной руды путем удаления кислорода через его соединение с предпочтительным химическим партнером, таким как углерод, который затем теряется в атмосфере в виде углекислого газа. Этот процесс, известный как плавка , был впервые применен к металлам с более низкими температурами плавления , таким как олово , которое плавится при температуре около 250 °C (482 °F), и медь , которая плавится при температуре около 1100 °C (2010 °F), и их комбинация, бронза, которая имеет температуру плавления ниже 1083 °C (1981 °F). Для сравнения, чугун плавится при температуре около 1375 °C (2507 °F). [6] Небольшие количества железа выплавлялись в древние времена в твердом состоянии путем нагрева руды в угле, а затем сварки комков вместе молотком и в процессе выдавливания примесей. При осторожности содержание углерода можно было контролировать, перемещая его в огне. В отличие от меди и олова, жидкое или твердое железо довольно легко растворяет углерод. [ необходима цитата ]
Все эти температуры могли быть достигнуты древними методами, используемыми со времен Бронзового века . Поскольку скорость окисления железа быстро увеличивается после 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 называться сталью. [6] Избыточный углерод и другие примеси удаляются на следующем этапе. [ требуется ссылка ]
Другие материалы часто добавляются в смесь железа и углерода для получения стали с желаемыми свойствами. Никель и марганец в стали повышают ее прочность на разрыв и делают аустенитную форму раствора железа и углерода более стабильной, хром увеличивает твердость и температуру плавления, а ванадий также увеличивает твердость, делая ее менее подверженной усталости металла . [7]
Для предотвращения коррозии в сталь можно добавить не менее 11% хрома, чтобы на поверхности металла образовался твердый оксид ; это известно как нержавеющая сталь . Вольфрам замедляет образование цементита , удерживая углерод в железной матрице и позволяя мартенситу преимущественно образовываться при более медленных скоростях закалки, что приводит к получению быстрорежущей стали . Добавление свинца и серы уменьшает размер зерна, тем самым делая сталь более легкой для точения , но также более хрупкой и подверженной коррозии. Такие сплавы, тем не менее, часто используются для таких компонентов, как гайки, болты и шайбы, в приложениях, где прочность и коррозионная стойкость не являются первостепенными. Однако в большинстве случаев элементы p-блока , такие как сера, азот , фосфор и свинец, считаются загрязняющими веществами, которые делают сталь более хрупкой, и поэтому удаляются из стали во время процесса плавки. [7]
Плотность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов, но обычно колеблется от 7750 до 8050 кг/м 3 ( от 484 до 503 фунтов/куб. фут) или от 7,75 до 8,05 г/см 3 (от 4,48 до 4,65 унций/куб. дюйм). [8]
Даже в узком диапазоне концентраций смесей углерода и железа, из которых делают сталь, могут образовываться несколько различных металлургических структур с очень разными свойствами. Понимание таких свойств необходимо для производства качественной стали. При комнатной температуре наиболее стабильной формой чистого железа является объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура, называемая альфа-железом или α-железом. Это довольно мягкий металл, который может растворять только небольшую концентрацию углерода, не более 0,005% при 0 °C (32 °F) и 0,021% по весу при 723 °C (1333 °F). Включение углерода в альфа-железо называется ферритом . При 910 °C чистое железо превращается в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую гамма-железом или γ-железом. Включение углерода в гамма-железо называется аустенитом. Более открытая структура FCC аустенита может растворять значительно больше углерода, до 2,1% [9] (в 38 раз больше, чем у феррита) при 1148 °C (2098 °F), что отражает верхнее содержание углерода в стали, за которым следует чугун. [10] Когда углерод выходит из раствора с железом, он образует очень твердый, но хрупкий материал, называемый цементитом (Fe 3 C). [ требуется ссылка ]
Когда стали с содержанием углерода ровно 0,8% (известные как эвтектоидные стали) охлаждаются, аустенитная фаза (ГЦК) смеси пытается вернуться в ферритную фазу (ОЦК). Углерод больше не вписывается в структуру ГЦК аустенита, что приводит к избытку углерода. Один из способов выхода углерода из аустенита — это его осаждение из раствора в виде цементита , оставляя после себя окружающую фазу ОЦК железа, называемую ферритом, с небольшим процентом углерода в растворе. Оба, цементит и феррит, осаждаются одновременно, образуя слоистую структуру, называемую перлитом , названную так из-за ее сходства с перламутром . В гиперэвтектоидном составе (более 0,8% углерода) углерод сначала будет выделяться в виде крупных включений цементита на границах зерен аустенита , пока процент углерода в зернах не снизится до эвтектоидного состава (0,8% углерода), после чего образуется перлитная структура. Для сталей, содержащих менее 0,8% углерода (доэвтектоидных), феррит сначала будет формироваться внутри зерен, пока остаточный состав не увеличится до 0,8% углерода, после чего сформируется перлитная структура. На границах доэвтектоидной стали не будет образовываться крупных включений цементита. [11] Вышеизложенное предполагает, что процесс охлаждения происходит очень медленно, что дает достаточно времени для миграции углерода. [ требуется цитата ]
По мере увеличения скорости охлаждения у углерода будет меньше времени для миграции с образованием карбида на границах зерен, но будет все больше и больше перлита с более мелкой структурой внутри зерен; следовательно, карбид более широко распределен и действует, предотвращая скольжение дефектов внутри этих зерен, что приводит к закалке стали. При очень высоких скоростях охлаждения, получаемых при закалке, у углерода нет времени для миграции, но он заперт в гранецентрированном аустените и образует мартенсит . Мартенсит представляет собой сильно деформированную и напряженную, пересыщенную форму углерода и железа и является чрезвычайно твердой, но хрупкой. В зависимости от содержания углерода мартенситная фаза принимает различные формы. Ниже 0,2% углерода она принимает кристаллическую форму феррита ОЦК, но при более высоком содержании углерода она принимает объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) структуру. Для превращения аустенита в мартенсит нет термической энергии активации . [ необходимо разъяснение ] Состав не меняется, поэтому атомы, как правило, сохраняют своих соседей. [12]
Мартенсит имеет меньшую плотность (он расширяется во время охлаждения), чем аустенит, так что превращение между ними приводит к изменению объема. В этом случае происходит расширение. Внутренние напряжения от этого расширения обычно принимают форму сжатия кристаллов мартенсита и растяжения оставшегося феррита с изрядным количеством сдвига на обоих компонентах. 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 стали в воде часто образуются закалочные трещины, хотя они не всегда могут быть видны. [13]
Существует много типов процессов термической обработки стали. Наиболее распространенными являются отжиг , закалка и отпуск .
Отжиг — это процесс нагрева стали до достаточно высокой температуры для снятия локальных внутренних напряжений. Он не создает общего размягчения продукта, а только локально снимает деформации и напряжения, запертые внутри материала. Отжиг проходит через три фазы: восстановление , рекристаллизацию и рост зерна . Температура, необходимая для отжига конкретной стали, зависит от типа отжига, который должен быть достигнут, и легирующих компонентов. [14]
Закалка включает нагрев стали для создания фазы аустенита, а затем закалку ее в воде или масле . Это быстрое охлаждение приводит к образованию твердой, но хрупкой мартенситной структуры. [12] Затем сталь закаливают, что является просто специализированным типом отжига, для уменьшения хрупкости. В этом случае процесс отжига (закалки) преобразует часть мартенсита в цементит или сфероидит и, следовательно, снижает внутренние напряжения и дефекты. Результатом является более пластичная и устойчивая к трещинам сталь. [15]
Когда железо выплавляется из руды, оно содержит больше углерода, чем желательно. Чтобы стать сталью, ее необходимо переработать, чтобы уменьшить содержание углерода до нужного количества, после чего можно будет добавлять другие элементы. В прошлом сталелитейные заводы отливали сырой стальной продукт в слитки , которые хранились до использования в дальнейших процессах очистки, приводящих к получению готового продукта. На современных заводах исходный продукт близок к конечному составу и непрерывно отливается в длинные слябы, режется и формуется в прутки и профили и подвергается термической обработке для получения конечного продукта. Сегодня около 96% стали непрерывно отливается, в то время как только 4% производится в виде слитков. [16]
Затем слитки нагревают в нагревательной яме и подвергают горячей прокатке в слябы, заготовки или блюмы . Слябы подвергаются горячей или холодной прокатке в листовой металл или пластины. Заготовки подвергаются горячей или холодной прокатке в прутки, стержни 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 , с поступлением руды и выходом готовой стальной продукции. [17] Иногда после окончательной прокатки стали ее подвергают термической обработке для повышения прочности; однако это происходит относительно редко. [18]
Сталь была известна еще в древности и производилась в плавильных цехах и тиглях . [19] [20]
Самое раннее известное производство стали обнаружено в железных изделиях, найденных при раскопках археологических раскопок в Анатолии ( Каман-Калехёюк ), которым около 4000 лет, и которые датируются 1800 годом до нашей эры. [21] [22]
Сталь вутц была разработана в Южной Индии и Шри-Ланке в 1-м тысячелетии до н. э. [20] Металлургические предприятия в Шри-Ланке использовали ветровые печи, приводимые в движение муссонными ветрами, способные производить высокоуглеродистую сталь. Крупномасштабное производство стали вутц в Индии с использованием тиглей произошло к шестому веку до н. э., став пионером-предшественником современного производства стали и металлургии. [19] [20]
Высокоуглеродистая сталь производилась в Британии в городище Броксмут с 490 по 375 гг. до н. э. [23] [24], а сверхвысокоуглеродистая сталь производилась в Нидерландах со II по IV вв. н. э. [25] Римский автор Гораций упоминает стальное оружие, такое как фальката, на Пиренейском полуострове , в то время как норикская сталь использовалась римской армией . [26]
У китайцев периода Воюющих царств (403–221 гг. до н. э.) была закаленная сталь, [27] в то время как китайцы династии Хань (202 г. до н. э. — 220 г. н. э.) создавали сталь путем сплавления кованого железа с чугуном, таким образом получая к I веку н. э. сталь с промежуточным содержанием углерода. [28] [29]
Имеются доказательства того, что углеродистая сталь производилась в Западной Танзании предками народа хайя еще 2000 лет назад с помощью сложного процесса «предварительного нагрева», позволяющего температуре внутри печи достигать 1300–1400 °C. [30] [31] [32] [33] [34] [35]
Доказательства самого раннего производства высокоуглеродистой стали в Южной Азии обнаружены в Кодуманале в Тамил Наду , районе Голконда в Андхра-Прадеш и Карнатаке , регионах Индии , а также в Саманалавеве и Дехигахе Алаканде, регионах Шри-Ланки . [36] Это стало известно как сталь вутц , производилась в Южной Индии примерно к шестому веку до нашей эры и экспортировалась по всему миру. [37] [38] Технология производства стали существовала до 326 года до нашей эры в регионе, поскольку они упоминаются в литературе Сангама на тамильском , арабском и латинском языках как лучшая сталь в мире, экспортируемая в римский, египетский, китайский и арабский миры в то время – то, что они называли серическим железом . [39] Тамильская торговая гильдия 200 г. до н. э. в Тиссамахараме , на юго-востоке Шри-Ланки, привезла с собой на остров некоторые из старейших железных и стальных артефактов и производственных процессов из классического периода . [40] [41] [42] Китайцы и местные жители Анурадхапуры , Шри-Ланка, также переняли методы производства стали вутц у тамилов династии Чера из Южной Индии к 5 веку н. э. [43] [44] На Шри-Ланке этот ранний метод производства стали использовал уникальную ветровую печь, приводимую в движение муссонными ветрами, способную производить высокоуглеродистую сталь. [45] [46] Поскольку технология была приобретена у тамилов из Южной Индии, [47] возникновение технологии производства стали в Индии можно консервативно оценить в 400–500 гг. до н. э. [37] [46]
Производство стали вуц и дамасской стали , известной своей прочностью и способностью держать заточку, возможно, было взято арабами из Персии, которые взяли ее из Индии. Первоначально она была создана из нескольких различных материалов, включая различные микроэлементы , по-видимому, в конечном итоге из трудов Зосимы из Панополиса . [ требуется цитата ] В 327 г. до н. э. Александр Македонский был вознагражден побежденным царем Порусом не золотом или серебром, а 30 фунтами стали. [48] Недавнее исследование предположило, что в ее структуру были включены углеродные нанотрубки , что могло бы объяснить некоторые из ее легендарных качеств, хотя, учитывая технологии того времени, такие качества были получены случайно, а не намеренно. [49] Естественный ветер использовался там, где почва, содержащая железо, нагревалась с помощью древесины. Древним сингалам удавалось извлекать тонну стали из каждых 2 тонн почвы, [45] выдающийся подвиг в то время. Одна из таких печей была найдена в Саманалавеве, и археологи смогли производить сталь так же, как это делали древние люди. [45] [50]
Тигельная сталь , образованная путем медленного нагрева и охлаждения чистого железа и углерода (обычно в виде древесного угля) в тигле, производилась в Мерве в IX-X веках нашей эры. [38] В XI веке имеются свидетельства производства стали в Китае династии Сун с использованием двух технологий: «берганского» метода, который производил низкокачественную, неоднородную сталь, и предшественника современного бессемеровского процесса , который использовал частичное обезуглероживание посредством многократной ковки под холодным дутьем . [51]
Начиная с XVII века первым шагом в европейском производстве стали была выплавка железной руды в чугун в доменной печи . [52] [ нужна страница ] Первоначально применялись древесный уголь, а современные методы используют кокс , который оказался более экономичным. [53] [ нужна страница ] [54] [ нужна страница ] [55] [ нужна страница ]
В этих процессах чугун, полученный из сырой железной руды, очищался (очищался) в кузнице для тонкого проката , чтобы получить прутковое железо , которое затем использовалось в сталеплавильном производстве. [52]
Производство стали методом цементации было описано в трактате, опубликованном в Праге в 1574 году, и применялось в Нюрнберге с 1601 года. Похожий процесс закалки доспехов и напильников был описан в книге, опубликованной в Неаполе в 1589 году. Этот процесс был представлен в Англии около 1614 года и использовался для производства такой стали сэром Бэзилом Бруком в Коулбрукдейле в 1610-х годах. [56]
Сырьем для этого процесса служили железные прутки. В 17 веке стало ясно, что лучшая сталь получается из железных руд региона к северу от Стокгольма , Швеция. Это был обычный источник сырья в 19 веке, почти до тех пор, пока использовался этот процесс. [57] [58]
Тигельная сталь — это сталь, которая была расплавлена в тигле, а не выкована , в результате чего она более однородна. Большинство предыдущих печей не могли достичь достаточно высоких температур, чтобы расплавить сталь. Ранняя современная тигельная сталелитейная промышленность возникла в результате изобретения Бенджамина Хантсмена в 1740-х годах. Черновая сталь (изготовленная, как указано выше) плавилась в тигле или печи и отливалась (обычно) в слитки. [58] [59] [ нужна страница ]
Современная эра в сталеплавильном производстве началась с внедрения процесса Генри Бессемера в 1855 году, сырьем для которого служил чугун. [60] Его метод позволил ему производить сталь в больших количествах и дешево, поэтому мягкая сталь стала использоваться для большинства целей, для которых раньше использовалось кованое железо. [61] Процесс Гилкриста-Томаса (или базовый бессемеровский процесс ) был усовершенствованием бессемеровского процесса, выполненным путем футеровки конвертера основным материалом для удаления фосфора.
Другим сталелитейным процессом 19-го века был процесс Сименса-Мартена , который дополнял процесс Бессемера. [58] Он состоял из совместной плавки пруткового железа (или стального лома) с чугуном.
Эти методы производства стали устарели из-за процесса Линц-Донавиц для производства стали в кислородном конвертере (BOS), разработанного в 1952 году [62] и других методов производства стали в кислородном конвертере. Производство стали в кислородном конвертере превосходит предыдущие методы производства стали, поскольку кислород, закачиваемый в печь, ограничивает примеси, в первую очередь азот, которые ранее попадали из используемого воздуха [63] и поскольку, по сравнению с мартеновским процессом, то же количество стали в процессе BOS производится в двенадцатую часть времени. [62] Сегодня электродуговые печи (EAF) являются распространенным методом переработки металлолома для создания новой стали. Их также можно использовать для преобразования чугуна в сталь, но они потребляют много электроэнергии (около 440 кВт·ч на метрическую тонну) и, таким образом, как правило, экономичны только при наличии обильного запаса дешевой электроэнергии. [64]
Сталелитейная промышленность часто считается индикатором экономического прогресса из-за решающей роли, которую играет сталь в инфраструктурном и общем экономическом развитии . [65] В 1980 году в США было более 500 000 сталелитейщиков. К 2000 году число сталелитейщиков сократилось до 224 000. [66]
Экономический бум в Китае и Индии вызвал огромный рост спроса на сталь. В период с 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года несколько индийских [67] и китайских [68] сталелитейных компаний расширились, чтобы удовлетворить спрос, например, Tata Steel (которая купила Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group[update] . Однако по состоянию на 2017 год ArcelorMittal является крупнейшим в мире производителем стали . [69]
В 2005 году Британская геологическая служба заявила, что Китай является крупнейшим производителем стали, на долю которого приходится около трети мировой доли; Япония , Россия и США занимают второе, третье и четвертое места соответственно, согласно исследованию. [70] Большие производственные мощности стали также приводят к значительному количеству выбросов углекислого газа, присущих основному маршруту производства.
В конце 2008 года сталелитейная промышленность столкнулась с резким спадом, который привел к многочисленным сокращениям. [71]
В 2021 году было подсчитано, что около 7% мировых выбросов парниковых газов приходится на сталелитейную промышленность. [72] [73] Ожидается, что сокращение этих выбросов будет достигнуто за счет перехода на основной производственный маршрут с использованием кокса, более интенсивной переработки стали и применения технологий улавливания и хранения углерода .
Сталь является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире, ее уровень переработки составляет более 60% во всем мире; [3] только в Соединенных Штатах в 2008 году было переработано более 82 000 000 метрических тонн (81 000 000 длинных тонн; 90 000 000 коротких тонн), что соответствует общему уровню переработки 83%. [74]
Поскольку стали производится больше, чем перерабатывается, количество переработанного сырья составляет около 40% от общего объема произведенной стали — в 2016 году во всем мире было произведено 1 628 000 000 тонн (1,602 × 10 9 длинных тонн; 1,795 × 10 9 коротких тонн) сырой стали, из которых 630 000 000 тонн (620 000 000 длинных тонн; 690 000 000 коротких тонн) было переработано. [75]
Современные стали изготавливаются с использованием различных комбинаций легированных металлов для выполнения многих задач. [7] Углеродистая сталь , состоящая просто из железа и углерода, составляет 90% производства стали. [5] Низколегированная сталь легируется другими элементами, обычно молибденом , марганцем, хромом или никелем, в количестве до 10% по весу для улучшения закаливаемости толстых секций. [5] Высокопрочная низколегированная сталь имеет небольшие добавки (обычно <2% по весу) других элементов, как правило, 1,5% марганца, для обеспечения дополнительной прочности за скромное увеличение цены. [76]
Недавние корпоративные правила средней экономии топлива (CAFE) привели к появлению нового сорта стали, известного как усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS). Этот материал является одновременно прочным и пластичным, так что конструкции транспортных средств могут поддерживать свой текущий уровень безопасности при использовании меньшего количества материала. Существует несколько коммерчески доступных марок AHSS, таких как двухфазная сталь , которая подвергается термической обработке для содержания как ферритной, так и мартенситной микроструктуры для получения формуемой высокопрочной стали. [77] Сталь с индуцированной трансформацией пластичностью (TRIP) включает специальное легирование и термическую обработку для стабилизации количества аустенита при комнатной температуре в обычно не содержащих аустенита низколегированных ферритных сталях. При приложении деформации аустенит претерпевает фазовый переход в мартенсит без добавления тепла. [78] Сталь с индуцированной двойникованием пластичностью (TWIP) использует определенный тип деформации для повышения эффективности упрочнения сплава. [79]
Углеродистая сталь часто оцинковывается методом горячего погружения или гальванопокрытия цинком для защиты от ржавчины. [80]
Нержавеющая сталь содержит минимум 11% хрома, часто в сочетании с никелем, для сопротивления коррозии . Некоторые нержавеющие стали, такие как ферритные нержавеющие стали, являются магнитными , в то время как другие, такие как аустенитные , являются немагнитными. [81] Коррозионно-стойкие стали обозначаются аббревиатурой CRES.
Легированные стали — это простые углеродистые стали, в которые 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 раствора . Это также позволяет использовать дисперсионное упрочнение и улучшает температурную стойкость сплава. [5] Инструментальная сталь обычно используется в топорах, сверлах и других устройствах, которым требуется острая, долговечная режущая кромка. Другие специальные сплавы включают атмосферостойкие стали, такие как Cor-ten, которые атмосферостойки, приобретая стабильную, ржавую поверхность, и поэтому могут использоваться неокрашенными. [82] Мартенситно-стареющая сталь легируется никелем и другими элементами, но в отличие от большинства сталей содержит мало углерода (0,01%). Это создает очень прочную, но все еще ковкую сталь. [83]
Сталь Эглина использует комбинацию более дюжины различных элементов в различных количествах для создания относительно недорогой стали для использования в оружии для уничтожения бункеров . Сталь Хэдфилда , названная в честь Роберта Хэдфилда , или марганцевая сталь, содержит 12–14% марганца, который при истирании упрочняется деформацией, образуя очень твердую оболочку, которая устойчива к износу. Этот конкретный сплав используется в гусеницах танков , кромках лезвий бульдозеров и режущих лезвиях на челюстях жизни . [84]
Большинство наиболее часто используемых стальных сплавов классифицируются по различным классам организациями по стандартизации. Например, Общество инженеров-автомобилестроителей имеет ряд классов, определяющих многие типы стали. [85] Американское общество по испытаниям и материалам имеет отдельный набор стандартов, которые определяют сплавы, такие как сталь A36 , наиболее часто используемая конструкционная сталь в Соединенных Штатах. [86] JIS также определяет ряд классов стали, которые широко используются в Японии , а также в развивающихся странах.
Железо и сталь широко используются в строительстве дорог, железных дорог, другой инфраструктуры, приборов и зданий. Большинство крупных современных сооружений, таких как стадионы и небоскребы, мосты и аэропорты, поддерживаются стальным скелетом. Даже те, у которых бетонная конструкция, используют сталь для армирования. Она широко используется в крупных приборах и автомобилях . Несмотря на рост использования алюминия , сталь по-прежнему является основным материалом для кузовов автомобилей. Сталь используется в различных других строительных материалах, таких как болты, гвозди и шурупы , а также в других бытовых изделиях и кухонных принадлежностях. [87]
Другие распространенные области применения включают судостроение , трубопроводы , горнодобывающую промышленность , морское строительство , авиакосмическую промышленность , бытовую технику (например, стиральные машины ), тяжелое оборудование, такое как бульдозеры, офисную мебель, стальную вату , инструменты и броню в виде личных жилетов или броню для транспортных средств (в этой роли более известную как рулонная гомогенная броня ).
До внедрения процесса Бессемера и других современных методов производства сталь была дорогой и использовалась только там, где не существовало более дешевой альтернативы, в частности, для режущей кромки ножей , бритв , мечей и других предметов, где требовалась твердая, острая кромка. Она также использовалась для пружин , в том числе используемых в часах . [58]
С появлением более быстрых и дешевых методов производства сталь стало легче получать и она стала намного дешевле. Она заменила кованое железо для множества целей. Однако доступность пластика во второй половине 20-го века позволила этим материалам заменить сталь в некоторых областях применения из-за их более низкой стоимости изготовления и веса. [88] Углеродное волокно заменяет сталь в некоторых областях применения, нечувствительных к стоимости, таких как спортивное оборудование и автомобили высокого класса.
Сталь, произведенная после Второй мировой войны , была загрязнена радионуклидами в результате испытаний ядерного оружия . Низкофоновая сталь, произведенная до 1945 года, используется для некоторых радиационно-чувствительных приложений, таких как счетчики Гейгера и радиационная защита .
