Сталь: сплав железа и углерода с высокой прочностью. Применение в строительстве, транспорте, технике. Нержавеющая сталь с хромом – устойчива к коррозии.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Металлический сплав железа с другими элементами
Metal alloy of iron with other elements
Сталь — это сплав железа и углерода с улучшенной прочностью и сопротивлением разрушению по сравнению с другими формами железа. Благодаря высокой прочности и низкой стоимости сталь является одним из наиболее широко производимых материалов в мире. Сталь используется в строительстве, в качестве арматурных стержней для бетона, в мостах, инфраструктуре, инструментах, судах, поездах, автомобилях, велосипедах, машинах, 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 дополнительно 11% хрома. Железо — основной металл стали. В зависимости от температуры оно может принимать две кристаллические формы (аллотропные формы): объемноцентрированную кубическую и гранецентрированную кубическую. Взаимодействие аллотропов железа с легирующими элементами, прежде всего углеродом, придает стали и чугуну их уникальные свойства. В чистом железе кристаллическая структура имеет относительно небольшое сопротивление скольжению атомов железа друг относительно друга, поэтому чистое железо довольно пластично, то есть мягкое и легко поддается формовке. В стали небольшое количество углерода, других элементов и включений в железе действует как упрочняющие агенты, препятствующие движению дислокаций. Углерод в типичных стальных сплавах может составлять до 2,14% по массе. Изменяя количество углерода и многих других легирующих элементов, а также контролируя их химический и физический состав в конечной стали (либо как растворенные элементы, либо как осажденные фазы), можно затруднить движение дислокаций, которые делают чистое железо пластичным, тем самым контролируя и улучшая его качества. Эти качества включают твердость, закаливаемость, необходимость отжига, отпуск, предел текучести и прочность на разрыв полученной стали. Увеличение прочности стали по сравнению с чистым железом возможно только за счет снижения пластичности железа. Сталь производилась в плавильных печах на протяжении тысячелетий, но ее крупномасштабное промышленное использование началось только после разработки более эффективных методов производства в 17 веке с внедрением доменной печи и производства сталей в тиглях. 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 ковкое железо. В 19 веке крупнейшими производителями стали в Европе были германские государства. Производство стали в США до конца 20 века было сосредоточено в Питтсбурге, Вифлееме (штат Пенсильвания) и Кливленде. Дальнейшие усовершенствования процесса, такие как кислородно-конвертерный процесс, во многом заменили более ранние методы, еще больше снизив стоимость производства и повысив качество конечного продукта. Сегодня ежегодно производится более 1,6 миллиарда тонн стали. Современная сталь обычно идентифицируется различными марками, определяемыми различными организациями по стандартизации. Современная сталелитейная промышленность является одной из крупнейших обрабатывающих отраслей в мире, но также и одной из самых энергоемких и интенсивно выделяющих парниковые газы, внося 8% в глобальные выбросы. Однако сталь также очень пригодна для повторного использования: это один из самых перерабатываемых материалов в мире, с уровнем переработки более 60% во всем мире. Содержание углерода в стали составляет от 0,02% до 2,14% по массе для обычной углеродистой стали (сплавов железа и углерода). Слишком низкое содержание углерода делает (чистое) железо довольно мягким, пластичным и слабым. Содержание углерода выше, чем в стали, приводит к образованию хрупкого сплава, обычно называемого чугуном. Легированная сталь — это сталь, в которую намеренно добавлены другие легирующие элементы для изменения ее характеристик. Распространенные легирующие элементы включают: марганец, никель, хром, молибден, бор, титан, ванадий, вольфрам, кобальт и ниобий. Дополнительные элементы, которые чаще всего считаются нежелательными, также важны в стали: фосфор, сера, кремний и следы кислорода, азота и меди. Простые сплавы углеродистого железа с содержанием углерода более 2,1% известны как чугуны. С использованием современных методов производства стали, таких как порошковая металлургия, можно производить стали с очень высоким содержанием углерода (и других легирующих материалов), но такие стали не распространены. Чугун не ковкий даже при нагревании, но его можно формовать литьем, поскольку он имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и хорошие литейные свойства. Небольшие количества железа выплавлялись в древности в твердом состоянии путем нагрева руды в древесномуглевом костре и последующего соединения комков вместе молотом, при этом удалялись примеси. При осторожном подходе можно было контролировать содержание углерода, перемещая его в костре. В отличие от меди и олова, жидкое или твердое железо довольно легко растворяет углерод. Все эти температуры можно было достичь с помощью древних методов, используемых с бронзового века. Поскольку скорость окисления железа быстро возрастает выше 800 °C, важно, чтобы выплавка происходила в среде с низким содержанием кислорода. Выплавка с использованием углерода для восстановления оксидов железа приводит к образованию сплава (чугуна), который содержит слишком много углерода, чтобы его можно было назвать сталью. Для ингибирования коррозии в сталь можно добавить не менее 11% хрома, чтобы на поверхности металла образовалась твердая оксидная пленка; это известно как нержавеющая сталь. Вольфрам замедляет образование цементита, удерживая углерод в матрице железа и позволяя мартенситу предпочтительно образовываться при более медленных скоростях закалки, что приводит к образованию быстрорежущей стали. Добавление свинца и серы уменьшает размер зерна, тем самым облегчая обработку стали, но также делает ее более хрупкой и подверженной коррозии. Тем не менее, такие сплавы часто используются для деталей, таких как гайки, болты и шайбы, в приложениях, где прочность и коррозионная стойкость не являются первостепенными. В основном, однако, элементы p-блока, такие как сера, азот, фосфор и свинец, считаются загрязнителями, которые делают сталь более хрупкой и поэтому удаляются из стали в процессе плавления. Даже в узком диапазоне концентраций смесей углерода и железа, которые составляют сталь, могут образовываться несколько различных металлургических структур с очень разными свойствами. Понимание этих свойств необходимо для производства качественной стали. При комнатной температуре наиболее стабильной формой чистого железа является объемноцентрированная 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 и 0,021% по массе при 723 °C. 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 ГЦК-структура аустенита может растворять значительно больше углерода, до 2,1% (в 38 раз больше, чем феррит) при 1148 °C, что отражает верхний предел содержания углерода в стали, за которым следует чугун. Когда углерод выходит из раствора с железом, образуется очень твердый, но хрупкий материал, называемый цементитом (Fe3C). Когда стали с ровно 0,8% углерода (известные как эвтектоидная сталь) охлаждаются, аустенитная фаза (ГЦК) смеси пытается вернуться в ферритную фазу (ОЦК). Углерода больше не помещается в ГЦК-структуру 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, феррит и цементит, осаждаются одновременно, образуя слоистую структуру, называемую перлитом, названную в честь его сходства с перламутром. В гиперевтектоидном составе (более 0,8% углерода) углерод сначала осаждается в виде крупных включений цементита на границах зерен аустенита, пока процент углерода в зернах не снизится до эвтектоидного сост...
Steel is an alloy of iron and carbon with improved strength and fracture resistance compared to other forms of iron. Because of its high tensile strength and low cost, steel is one of the most commonly manufactured materials in the world. Steel is used in buildings, as concrete reinforcing rods, in bridges, infrastructure, tools, ships, trains, cars, bicycles, machines, electrical appliances, furniture, and weapons. Iron is always the main element in steel, but many other elements may be present or added. Stainless steels, which are resistant to corrosion and oxidation, typically need an additional 11% chromium. Iron is the base metal of steel. Depending on the temperature, it can take two crystalline forms (allotropic forms): body centred cubic and face centred cubic. The interaction of the allotropes of iron with the alloying elements, primarily carbon, gives steel and cast iron their range of unique properties. In pure iron, the crystal structure has relatively little resistance to the iron atoms slipping past one another, and so pure iron is quite ductile, or soft and easily formed. In steel, small amounts of carbon, other elements, and inclusions within the iron act as hardening agents that prevent the movement of dislocations. The carbon in typical steel alloys may contribute up to 2.14% of its weight. Varying the amount of carbon and many other alloying elements, as well as controlling their chemical and physical makeup in the final steel (either as solute elements, or as precipitated phases), impedes the movement of the dislocations that make pure iron ductile, and thus controls and enhances its qualities. These qualities include the hardness, quenching behaviour, need for annealing, tempering behaviour, yield strength, and tensile strength of the resulting steel. The increase in steel's strength compared to pure iron is possible only by reducing iron's ductility. Steel was produced in bloomery furnaces for thousands of years, but its large scale, industrial use began only after more efficient production methods were devised in the 17th century, with the introduction of the blast furnace and production of crucible steel. This was followed by the Bessemer process in England in the mid 19th century, and then by the open hearth furnace. With the invention of the Bessemer process, a new era of mass produced steel began. Mild steel replaced wrought iron. The German states were the major steel producers in Europe in the 19th century. American steel production was centered in Pittsburgh, Bethlehem, Pennsylvania, and Cleveland until the late 20th century. Further refinements in the process, such as basic oxygen steelmaking (BOS), largely replaced earlier methods by further lowering the cost of production and increasing the quality of the final product. Today more than 1.6 billion tons of steel is produced annually. Modern steel is generally identified by various grades defined by assorted standards organizations. The modern steel industry is one of the largest manufacturing industries in the world, but also one of the most energy and greenhouse gas emission intense industries, contributing 8% of global emissions. However, steel is also very reusable: it is one of the world's most recycled materials, with a recycling rate of over 60% globally. The carbon content of steel is between 0.02% and 2.14% by weight for plain carbon steel (iron carbon alloys). Too little carbon content leaves (pure) iron quite soft, ductile, and weak. Carbon contents higher than those of steel make a brittle alloy commonly called pig iron. Alloy steel is steel to which other alloying elements have been intentionally added to modify the characteristics of steel. Common alloying elements include: manganese, nickel, chromium, molybdenum, boron, titanium, vanadium, tungsten, cobalt, and niobium. Additional elements, most frequently considered undesirable, are also important in steel: phosphorus, sulfur, silicon, and traces of oxygen, nitrogen, and copper. Plain carbon iron alloys with a higher than 2.1% carbon content are known as cast iron. With modern steelmaking techniques such as powder metal forming, it is possible to make very high carbon (and other alloy material) steels, but such are not common. Cast iron is not malleable even when hot, but it can be formed by casting as it has a lower melting point than steel and good castability properties. Small quantities of iron were smelted in ancient times, in the solid state, by heating the ore in a charcoal fire and then welding the clumps together with a hammer and in the process squeezing out the impurities. With care, the carbon content could be controlled by moving it around in the fire. Unlike copper and tin, liquid or solid iron dissolves carbon quite readily. All of these temperatures could be reached with ancient methods used since the Bronze Age. Since the oxidation rate of iron increases rapidly beyond 800 °C (1472 °F), it is important that smelting take place in a low oxygen environment. Smelting, using carbon to reduce iron oxides, results in an alloy (pig iron) that retains too much carbon to be called steel. To inhibit corrosion, at least 11% chromium can be added to steel so that a hard oxide forms on the metal surface; this is known as stainless steel. Tungsten slows the formation of cementite, keeping carbon in the iron matrix and allowing martensite to preferentially form at slower quench rates, resulting in high speed steel. The addition of lead and sulfur decrease grain size, thereby making the steel easier to turn, but also more brittle and prone to corrosion. Such alloys are nevertheless frequently used for components such as nuts, bolts, and washers in applications where toughness and corrosion resistance are not paramount. For the most part, however, p block elements such as sulfur, nitrogen, phosphorus, and lead are considered contaminants that make steel more brittle and are therefore removed from steel during the melting processing. Even in a narrow range of concentrations of mixtures of carbon and iron that make steel, several different metallurgical structures, with very different properties can form. Understanding such properties is essential to making quality steel. At room temperature, the most stable form of pure iron is the body centred cubic (BCC) structure called alpha iron or α iron. It is a fairly soft metal that can dissolve only a small concentration of carbon, no more than 0.005% at 0 °C (32 °F) and 0.021 wt% at 723 °C (1333 °F). The inclusion of carbon in alpha iron is called ferrite. At 910 °C, pure iron transforms into a face centred cubic (FCC) structure, called gamma iron or γ iron. The inclusion of carbon in gamma iron is called austenite. The more open FCC structure of austenite can dissolve considerably more carbon, as much as 2.1%, (38 times that of ferrite) carbon at 1148 °C (2098 °F), which reflects the upper carbon content of steel, beyond which is cast iron. When carbon moves out of solution with iron, it forms a very hard, but brittle material called cementite (Fe3C). When steels with exactly 0.8% carbon (known as a eutectoid steel), are cooled, the austenitic phase (FCC) of the mixture attempts to revert to the ferrite phase (BCC). The carbon no longer fits within the FCC austenite structure, resulting in an excess of carbon. One way for carbon to leave the austenite is for it to precipitate out of solution as cementite, leaving behind a surrounding phase of BCC iron called ferrite with a small percentage of carbon in solution. The two, ferrite and cementite, precipitate simultaneously producing a layered structure called pearlite, named for its resemblance to mother of pearl. In a hypereutectoid composition (greater than 0.8% carbon), the carbon will first precipitate out as large inclusions of cementite at the austenite grain boundaries until the percentage of carbon in the grains has decreased to the eutectoid composition (0.8% carbon), at which point the pearlite structure forms. For steels that have less than 0.8% carbon (hypoeutectoid), ferrite will first form within the grains until the remaining composition rises to 0.8% of carbon, at which point the pearlite structure will form. No large inclusions of cementite will form at the boundaries in hypoeutectoid steel. The above assumes that the cooling process is very slow, allowing enough time for the carbon to migrate. As the rate of cooling is increased the carbon will have less time to migrate to form carbide at the grain boundaries but will have increasingly large amounts of pearlite of a finer and finer structure within the grains; hence the carbide is more widely dispersed and acts to prevent slip of defects within those grains, resulting in hardening of the steel. At the very high cooling rates produced by quenching, the carbon has no time to migrate but is locked within the face centred austenite and forms martensite. Martensite is a highly strained and stressed, supersaturated form of carbon and iron and is exceedingly hard but brittle. Depending on the carbon content, the martensitic phase takes different forms. Below 0.2% carbon, it takes on a ferrite BCC crystal form, but at higher carbon content it takes a body centred tetragonal (BCT) structure. There is no thermal activation energy for the transformation from austenite to martensite. There is no compositional change so the atoms generally retain their same neighbours. Martensite has a lower density (it expands during the cooling) than does austenite, so that the transformation between them results in a change of volume. In this case, expansion occurs. Internal stresses from this expansion generally take the form of compression on the crystals of martensite and tension on the remaining ferrite, with a fair amount of shear on both constituents. If quenching is done improperly, the internal stresses can cause a part to shatter as it cools. At the very least, they cause internal work hardening and other microscopic imperfections. It is common for quench cracks to form when steel is water quenched, although they may not always be visible.
Тепловая обработка
Для стали существует множество видов термической обработки. Наиболее распространенными являются отжиг, закалка и отпуск. Отжиг – это процесс нагрева стали до достаточно высокой температуры для снятия локальных внутренних напряжений. Он не приводит к общему смягчению изделия, а лишь локально снимает напряжения и деформации, заключенные в материале. Отжиг проходит через три стадии: восстановление, рекристаллизация и рост зерна. Температура, необходимая для отжига конкретной стали, зависит от типа отжига и легирующих элементов. Закалка включает в себя нагрев стали для образования аустенитной фазы, с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. Это быстрое охлаждение приводит к образованию твердой, но хрупкой мартенситной структуры.
There are many types of heat treating processes available to steel. The most common are annealing, quenching, and tempering. Annealing is the process of heating the steel to a sufficiently high temperature to relieve local internal stresses. It does not create a general softening of the product but only locally relieves strains and stresses locked up within the material. Annealing goes through three phases: recovery, recrystallization, and grain growth. The temperature required to anneal a particular steel depends on the type of annealing to be achieved and the alloying constituents. Quenching involves heating the steel to create the austenite phase then quenching it in water or oil. This rapid cooling results in a hard but brittle martensitic structure.
Производство
Когда железо выплавляется из руды, оно содержит больше углерода, чем требуется. Чтобы стать сталью, его необходимо переработать для снижения содержания углерода до нужного уровня, после чего можно добавлять другие элементы. Ранее сталелитейные предприятия отливали полученную сталь в слитки, которые хранились до использования в дальнейших процессах переработки, в результате которых получался готовый продукт. На современных предприятиях исходный продукт близок к конечному составу и непрерывно отливается в длинные слябы, которые разрезаются и формуются в прутки и профили, а затем подвергаются термической обработке для получения конечного продукта. Сегодня примерно 96% стали производится методом непрерывной разливки, в то время как только 4% – в виде слитков. Слитки затем нагревают в нагревательной печи и горячекатают в слябы, блюмы или заготовки. Слябы горяче- или холоднокатают в листовой прокат или плиты. Заготовки горяче- или холоднокатают в прутки, стержни и проволоку. Блюмы горяче- или холоднокатают в конструкционную сталь, такую как двутавры и рельсы. На современных сталелитейных заводах эти процессы часто происходят на одной производственной линии, где руда поступает на вход, а готовая стальная продукция – на выход. Иногда после окончательной прокатки сталь подвергают термической обработке для повышения прочности, однако это встречается относительно редко.
When iron is smelted from its ore, it contains more carbon than is desirable. To become steel, it must be reprocessed to reduce the carbon to the correct amount, at which point other elements can be added. In the past, steel facilities would cast the raw steel product into ingots which would be stored until use in further refinement processes that resulted in the finished product. In modern facilities, the initial product is close to the final composition and is continuously cast into long slabs, cut and shaped into bars and extrusions and heat treated to produce a final product. Today, approximately 96% of steel is continuously cast, while only 4% is produced as ingots. The ingots are then heated in a soaking pit and hot rolled into slabs, billets, or blooms. Slabs are hot or cold rolled into sheet metal or plates. Billets are hot or cold rolled into bars, rods, and wire. Blooms are hot or cold rolled into structural steel, such as I beams and rails. In modern steel mills these processes often occur in one assembly line, with ore coming in and finished steel products coming out. Sometimes after a steel's final rolling, it is heat treated for strength; however, this is relatively rare.
Древние
Сталь была известна в древности и производилась в цветниках и тиглях. Самые ранние известные образцы стали обнаружены в изделиях из железа, раскопанных на археологической стоянке в Анатолии (Каман-Калехёюк), которым почти 4000 лет, датируемых 1800 годом до нашей эры. Сталь производилась в Кельтской Европе примерно с 800 года до н.э., высокоуглеродистая сталь – в Британии с 490 по 375 год до н.э., а ультравысокоуглеродистая сталь – в Нидерландах со II по IV века н.э. Римский автор Гораций упоминает стальное оружие, такое как фальката, на Пиренейском полуострове, а норийская сталь использовалась римской армией. Репутация серийского железа из Южной Азии (воотц-стали) значительно возросла в остальном мире, в то время как китайцы династии Хань (202 год до н.э. – 220 год н.э.) создавали сталь, расплавляя кованое железо с чугуном, таким образом, к I веку н.э. получив сталь с промежуточным содержанием углерода. Есть свидетельства того, что углеродистая сталь изготавливалась в Западной Танзании предками народа хая уже 2000 лет назад с помощью сложного процесса «предварительного нагрева», позволявшего достигать температуры внутри печи от 1300 до 1400 °C.
Steel was known in antiquity and was produced in bloomeries and crucibles. The earliest known production of steel is seen in pieces of ironware excavated from an archaeological site in Anatolia (Kaman Kalehöyük) which are nearly 4,000 years old, dating from 1800 BC. Steel was produced in Celtic Europe from around 800 BC, high carbon steel was produced in Britain from 490 375 BC, and ultrahigh carbon steel was produced in the Netherlands from the 2nd 4th centuries AD. The Roman author Horace identifies steel weapons such as the falcata in the Iberian Peninsula, while Noric steel was used by the Roman military. The reputation of Seric iron of South Asia (wootz steel) grew considerably in the rest of the world. while Chinese of the Han dynasty (202 BC—AD 220) created steel by melting together wrought iron with cast iron, thus producing a carbon intermediate steel by the 1st century AD. There is evidence that carbon steel was made in Western Tanzania by the ancestors of the Haya people as early as 2,000 years ago by a complex process of "pre heating" allowing temperatures inside a furnace to reach 1300 to 1400 °C.
Вуц и Дамаск
Доказательства самого раннего производства высокоуглеродистой стали в Южной Азии найдены в Кодуманале (Тамилнад), районе Голконда (Андхра-Прадеш) и Карнатаке (Индия), а также в Саманалавеве и Дехигаха Алаканде (Шри-Ланка). Эта сталь стала известна как wootz steel и производилась в Южной Индии примерно с VI века до н.э., экспортируясь по всему миру. Технология производства стали существовала в регионе еще до 326 года до н.э., о чем упоминается в литературе тамильского периода Сангам, а также в арабских и латинских источниках, как о лучшей стали в мире, экспортируемой в Рим, Египет, Китай и арабские страны – которую они называли «серическое железо». Тамильская торговая гильдия, основанная в 200 году до н.э. в Тиссамахараме (юго-восток Шри-Ланки), привезла на остров одни из древнейших железных и стальных артефактов и производственные процессы классического периода. К V веку н.э. китайцы и местные жители Анурадхапуры (Шри-Ланка) переняли у тамилов династии Чера (Южная Индия) методы производства wootz steel. На Шри-Ланке для производства этой ранней стали использовалась уникальная ветровая печь, приводимая в действие муссонными ветрами, способная производить высокоуглеродистую сталь. Поскольку технология была заимствована у тамилов из Южной Индии, происхождение технологии стали в Индии можно оценить, консервативно, в период между 400 и 500 годами до н.э. Недавнее исследование предполагает, что в структуру стали могли быть включены углеродные нанотрубки, что могло бы объяснить некоторые из ее легендарных свойств. Однако, учитывая уровень технологий того времени, эти свойства, скорее всего, возникли случайно, а не в результате целенаправленного проектирования. Для нагрева железосодержащей почвы использовался природный ветер и дрова. Древним сингалам удавалось извлекать тонну стали из двух тонн почвы.
Evidence of the earliest production of high carbon steel in South Asia is found in Kodumanal in Tamil Nadu, the Golconda area in Andhra Pradesh and Karnataka, regions of India, as well as in Samanalawewa and Dehigaha Alakanda, regions of Sri Lanka. This came to be known as wootz steel, produced in South India by about the sixth century BC and exported globally. The steel technology existed prior to 326 BC in the region as they are mentioned in literature of Sangam Tamil, Arabic, and Latin as the finest steel in the world exported to the Romans, Egyptian, Chinese and Arab worlds at that time – what they called Seric Iron. A 200 BC Tamil trade guild in Tissamaharama, in the South East of Sri Lanka, brought with them some of the oldest iron and steel artifacts and production processes to the island from the classical period. The Chinese and locals in Anuradhapura, Sri Lanka had also adopted the production methods of creating wootz steel from the Chera Dynasty Tamils of South India by the 5th century AD. In Sri Lanka, this early steel making method employed a unique wind furnace, driven by the monsoon winds, capable of producing high carbon steel. Since the technology was acquired from the Tamilians from South India, the origin of steel technology in India can be conservatively estimated at 400–500 BC. A recent study has speculated that carbon nanotubes were included in its structure, which might explain some of its legendary qualities, though, given the technology of that time, such qualities were produced by chance rather than by design. Natural wind was used where the soil containing iron was heated by the use of wood. The ancient Sinhalese managed to extract a ton of steel for every 2 tons of soil,
Круглая сталь, получаемая путем медленного нагрева и охлаждения чистого железа и углерода (обычно в виде древесного угля) в тигле, производилась в Мерве в IX–X веках н.э.
Crucible steel, formed by slowly heating and cooling pure iron and carbon (typically in the form of charcoal) in a crucible, was produced in Merv by the 9th to 10th century AD.
Современный
С 17 века первым этапом европейского производства стали являлось получение чугуна из железной руды в доменной печи. Изначально использовался древесный уголь, однако современные методы применяют кокс, который оказался более выгодным.
Since the 17th century, the first step in European steel production has been the smelting of iron ore into pig iron in a blast furnace. Originally employing charcoal, modern methods use coke, which has proven more economical.
Процессы, начинающиеся с железорубки
В этих процессах чугун, полученный из железной руды, переделывался (очищался) в кричное железо в кричной горке для производства полосового железа, которое затем использовалось в сталеплавильном производстве. Круглое железо – это сталь, выплавленная в тигле, а не кованая, что обеспечивает её большую однородность. Большинство предыдущих печей не могли достичь достаточно высоких температур для плавления стали. Ранняя современная промышленность по производству круглого железа возникла благодаря изобретению Бенджамина Хантсмана в 1740-х годах. Блестящая сталь (производимая описанным выше способом) плавилась в тигле или печи и (обычно) отливалась в слитки. Его метод позволял производить сталь в больших количествах и по низкой цене, в результате чего мягкая сталь стала использоваться для большинства целей, для которых ранее применялось кованое железо. Процесс Гилкриста-Томаса (или бессемеровский процесс с основным футерованием) был усовершенствованием бессемеровского процесса, заключавшимся в футеровке конвертера основным материалом для удаления фосфора. Другим сталелитейным процессом XIX века был процесс Сименса-Мартина, который дополнял бессемеровский процесс и другие методы кислородно-сталеплавильного производства. Кислородно-сталеплавильное производство превосходит предыдущие методы, поскольку кислород, подаваемый в печь, ограничивает содержание примесей, в первую очередь азота, которые ранее попадали из используемого воздуха, а также, по сравнению с процессом открытой горки, такое же количество стали в кислородно-сталеплавильном процессе производится в двенадцать раз быстрее. В 1980 году в США насчитывалось более 500 000 рабочих, занятых в сталелитейной промышленности. К 2000 году их число сократилось до 224 000. Экономический бум в Китае и Индии вызвал резкий рост спроса на сталь. В период с 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года несколько индийских и китайских сталелитейных компаний расширили свою деятельность для удовлетворения спроса, таких как Tata Steel (которая приобрела Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group. Однако ArcelorMittal является крупнейшим в мире производителем стали. В 2005 году Британское геологическое обследование заявило, что Китай является ведущим производителем стали, на долю которого приходится около трети мирового производства; Япония, Россия и Соединенные Штаты занимали второе, третье и четвертое места соответственно, согласно обследованию. Значительные производственные мощности стали также приводят к значительному объему выбросов углекислого газа, связанных с основным производственным маршрутом. В конце 2008 года сталелитейная промышленность столкнулась с резким спадом, который привел к многочисленным сокращениям. В 2021 году, по оценкам, около 7% глобальных выбросов парниковых газов приходилось на сталелитейную промышленность. Ожидается, что сокращение этих выбросов будет достигнуто за счет перехода к основному производственному маршруту с использованием кокса, увеличения переработки стали и применения технологий улавливания и хранения углерода или улавливания и использования углерода.
In these processes, pig iron made from raw iron ore was refined (fined) in a finery forge to produce bar iron, which was then used in steel making. Crucible steel is steel that has been melted in a crucible rather than having been forged, with the result that it is more homogeneous. Most previous furnaces could not reach high enough temperatures to melt the steel. The early modern crucible steel industry resulted from the invention of Benjamin Huntsman in the 1740s. Blister steel (made as above) was melted in a crucible or in a furnace, and cast (usually) into ingots. His method let him produce steel in large quantities cheaply, thus mild steel came to be used for most purposes for which wrought iron was formerly used. The Gilchrist Thomas process (or basic Bessemer process) was an improvement to the Bessemer process, made by lining the converter with a basic material to remove phosphorus. Another 19th century steelmaking process was the Siemens Martin process, which complemented the Bessemer process. and other oxygen steel making methods. Basic oxygen steelmaking is superior to previous steelmaking methods because the oxygen pumped into the furnace limited impurities, primarily nitrogen, that previously had entered from the air used, and because, with respect to the open hearth process, the same quantity of steel from a BOS process is manufactured in one twelfth the time. In 1980, there were more than 500,000 U. S. steelworkers. By 2000, the number of steelworkers had fallen to 224,000. The economic boom in China and India caused a massive increase in the demand for steel. Between 2000 and 2005, world steel demand increased by 6%. Since 2000, several Indian and Chinese steel firms have expanded to meet demand, such as Tata Steel (which bought Corus Group in 2007), Baosteel Group and Shagang Group. , though, ArcelorMittal is the world's largest steel producer. In 2005, the British Geological Survey stated China was the top steel producer with about one third of the world share; Japan, Russia, and the United States were second, third, and fourth, respectively, according to the survey. The large production capacity of steel results also in a significant amount of carbon dioxide emissions inherent related to the main production route. At the end of 2008, the steel industry faced a sharp downturn that led to many cut backs. In 2021, it was estimated that around 7% of the global greenhouse gas emissions resulted from the steel industry. Reduction of these emissions are expected to come from a shift in the main production route using cokes, more recycling of steel and the application of carbon capture and storage or carbon capture and utilization technology.
Переработка
Сталь является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире, с уровнем переработки более 60% в глобальном масштабе; только в Соединенных Штатах в 2008 году было переработано более [укажите количество] тонн стали, что составляет общий уровень переработки 83%. Поскольку объемы производства стали превышают объемы вывода из эксплуатации, количество переработанного сырья составляет около 40% от общего объема произведенной стали. В 2016 году в мире было произведено [укажите количество] тонн стали, из которых [укажите количество] тонн – переработанная.
Steel is one of the world's most recycled materials, with a recycling rate of over 60% globally; in the United States alone, over were recycled in the year 2008, for an overall recycling rate of 83%. As more steel is produced than is scrapped, the amount of recycled raw materials is about 40% of the total of steel produced in 2016, of crude steel was produced globally, with recycled.
Углерод
Современные стали производятся из различных комбинаций легирующих металлов для выполнения широкого спектра задач. Недавние нормативы по средней корпоративной топливной экономичности (CAFE) привели к появлению нового типа стали, известного как Advanced High Strength Steel (AHSS). Этот материал сочетает в себе прочность и пластичность, что позволяет конструкциям транспортных средств сохранять текущий уровень безопасности при одновременном снижении массы. Существует несколько коммерчески доступных марок AHSS, таких как двухфазная сталь, которая подвергается термообработке для получения микроструктуры, содержащей как феррит, так и мартенсит, что обеспечивает формуемость и высокую прочность. Сталь с пластичностью, индуцированной трансформацией (TRIP), предполагает специальные легирующие добавки и термообработку для стабилизации определенного количества аустенита при комнатной температуре в низколегированных ферритных сталях, которые обычно не содержат аустенит. При деформации аустенит претерпевает фазовый переход в мартенсит без нагрева. Сталь с пластичностью, индуцированной близнецами (TWIP), использует определенный вид деформации для повышения эффективности упрочнения сплава. Углеродистые стали часто оцинковывают горячим цинкованием или электролитическим осаждением цинка для защиты от коррозии.
Modern steels are made with varying combinations of alloy metals to fulfill many purposes. Recent Corporate Average Fuel Economy (CAFE) regulations have given rise to a new variety of steel known as Advanced High Strength Steel (AHSS). This material is both strong and ductile so that vehicle structures can maintain their current safety levels while using less material. There are several commercially available grades of AHSS, such as dual phase steel, which is heat treated to contain both a ferritic and martensitic microstructure to produce a formable, high strength steel. Transformation Induced Plasticity (TRIP) steel involves special alloying and heat treatments to stabilize amounts of austenite at room temperature in normally austenite free low alloy ferritic steels. By applying strain, the austenite undergoes a phase transition to martensite without the addition of heat. Twinning Induced Plasticity (TWIP) steel uses a specific type of strain to increase the effectiveness of work hardening on the alloy. Carbon Steels are often galvanized, through hot dip or electroplating in zinc for protection against rust.
Сплав
Нержавеющая сталь содержит не менее 11% хрома, часто в сочетании с никелем, для обеспечения коррозионной стойкости. Некоторые нержавеющие стали, такие как ферритные, являются магнитными, в то время как другие, например, аустенитные, – немагнитными. Коррозионностойкие стали обозначаются аббревиатурой CRES. Сплавные стали – это углеродистые стали, в которые добавлены небольшие количества легирующих элементов, таких как хром и ванадий. К более современным сталям относятся инструментальные стали, которые легируются значительным количеством вольфрама и кобальта или других элементов для максимального упрочнения посредством твердорастворного упрочнения. Это также позволяет применять осадительное упрочнение и повышает термостойкость сплава. Марагинговая сталь легирована никелем и другими элементами, но, в отличие от большинства сталей, содержит мало углерода (0,01%). Это создает очень прочную, но при этом ковкую сталь. Сталь Eglin использует комбинацию из более чем дюжины различных элементов в различных пропорциях для создания относительно недорогой стали, предназначенной для использования в бронебойном оружии, а сталь Хэдфилда (в честь сэра Роберта Хэдфилда) или марганцевая сталь содержит 12–14% марганца, который при абразивном износе упрочняется, образуя очень твердую поверхностную пленку, устойчивую к износу. Области применения этого сплава включают в себя гусеницы танков, кромки отвалов бульдозеров и режущие лезвия на гидравлических ножницах.
Stainless steels contain a minimum of 11% chromium, often combined with nickel, to resist corrosion. Some stainless steels, such as the ferritic stainless steels are magnetic, while others, such as the austenitic, are nonmagnetic. Corrosion resistant steels are abbreviated as CRES. Alloy steels are plain carbon steels in which small amounts of alloying elements like chromium and vanadium have been added. Some more modern steels include tool steels, which are alloyed with large amounts of tungsten and cobalt or other elements to maximize solution hardening. This also allows the use of precipitation hardening and improves the alloy's temperature resistance. Maraging steel is alloyed with nickel and other elements, but unlike most steel contains little carbon (0.01%). This creates a very strong but still malleable steel. Eglin steel uses a combination of over a dozen different elements in varying amounts to create a relatively low cost steel for use in bunker buster weapons, and Hadfield steel (after Sir Robert Hadfield) or manganese steel contains 12–14% manganese which, when abraded, strain hardens to form a very hard skin which resists wearing. Uses of this particular alloy include tank tracks, bulldozer blade edges, and cutting blades on the jaws of life.
Стандарты
Большинство наиболее часто используемых стальных сплавов классифицируются по различным маркам в соответствии со стандартами организаций. Например, Общество автомобильных инженеров (SAE) имеет ряд марок, определяющих многие типы стали. Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) располагает отдельным набором стандартов, определяющих сплавы, такие как сталь A36 – наиболее распространенная конструкционная сталь в Соединенных Штатах. Японский промышленный стандарт (JIS) также определяет ряд марок стали, которые широко используются в Японии, а также в развивающихся странах.
Most of the more commonly used steel alloys are categorized into various grades by standards organizations. For example, the Society of Automotive Engineers has a series of grades defining many types of steel. The American Society for Testing and Materials has a separate set of standards, which define alloys such as A36 steel, the most commonly used structural steel in the United States. The JIS also defines a series of steel grades that are being used extensively in Japan as well as in developing countries.
Применение
Железо и сталь широко используются в строительстве дорог, железных дорог, другой инфраструктуры, бытовой техники и зданий. Большинство крупных современных сооружений, таких как стадионы и небоскребы, мосты и аэропорты, имеют стальной каркас. Даже в бетонных конструкциях сталь применяется для армирования. Она широко используется в крупной бытовой технике и автомобилях. Несмотря на растущее использование алюминия, сталь по-прежнему является основным материалом для кузовов автомобилей. Сталь применяется в различных других строительных материалах, таких как болты, гвозди и винты, а также в других предметах домашнего обихода и кухонной утвари. Другие распространенные области применения включают судостроение, трубопроводы, горнодобывающую промышленность, морское строительство, аэрокосмическую промышленность, бытовую технику (например, стиральные машины), тяжелое оборудование, такое как бульдозеры, офисную мебель, металлическую вату, инструменты и броню в виде индивидуальных жилетов или брони для транспортных средств (которая в этой роли лучше известна как гомогенная бронесталь).
Iron and steel are used widely in the construction of roads, railways, other infrastructure, appliances, and buildings. Most large modern structures, such as stadiums and skyscrapers, bridges, and airports, are supported by a steel skeleton. Even those with a concrete structure employ steel for reinforcing. It sees widespread use in major appliances and cars. Despite the growth in usage of aluminium, steel is still the main material for car bodies. Steel is used in a variety of other construction materials, such as bolts, nails and screws, and other household products and cooking utensils. Other common applications include shipbuilding, pipelines, mining, offshore construction, aerospace, white goods (e. g. washing machines), heavy equipment such as bulldozers, office furniture, steel wool, tool, and armour in the form of personal vests or vehicle armour (better known as rolled homogeneous armour in this role).
Исторические
До внедрения процесса Бессемера и других современных технологий производства сталь была дорогой и применялась лишь там, где не было более доступной альтернативы, в частности, для лезвий ножей, бритв, мечей и других изделий, требующих твёрдого и острого края. Она также использовалась для изготовления пружин, включая пружины для часов и механизмов. В некоторых областях, где стоимость не является определяющим фактором, например, в спортивном оборудовании и автомобилях премиум-класса, сталь заменяется углеволокном.
Before the introduction of the Bessemer process and other modern production techniques, steel was expensive and was only used where no cheaper alternative existed, particularly for the cutting edge of knives, razors, swords, and other items where a hard, sharp edge was needed. It was also used for springs, including those used in clocks and watches. Carbon fiber is replacing steel in some cost insensitive applications such as sports equipment and high end automobiles.
Низкий фон
Сталь, произведенная после Второй мировой войны, оказалась загрязненной радионуклидами из-за испытаний ядерного оружия. Сталь с низким фоном, произведенная до 1945 года, используется в некоторых радиационно-чувствительных областях применения, таких как счетчики Гейгера и радиационная защита.
Steel manufactured after World War II became contaminated with radionuclides by nuclear weapons testing. Low background steel, steel manufactured prior to 1945, is used for certain radiation sensitive applications such as Geiger counters and radiation shielding.