Где применяется сталь: Сферы и области применения стали. Где применяется сталь?

alexxlab | 03.02.2023 | 0 | Разное

описание и свойства сплава, виды, способ получения и сферы применения

Без этого материала жизнедеятельность цивилизации индустриальной эпохи представить сложно. Сталь – самый «раскрученный» в мире сплав с железом в составе. Говоря о железных изделиях, декоре, конструкциях, подразумевают сталь.

Содержание

1. Что представляет собой
2. История
3. Особенности материала
4. Характеристики стали
5. Технология производства
6. Разновидности некоторых сталей
7. Плюсы и минусы
8. Классификация
9. По химическому составу
10. По сфере применения
11. Маркировка
12. Стоимость

Что представляет собой

Сталь – материал, сопровождающий человека по жизни. Это корпус автомобиля, лезвие кухонного или охотничьего ножа, инструменты, остов конструкций, тысячи других изделий.

Она не относится к металлам – это сплав железа, углерода, марганца и других примесей-лигатур.

Основной металл стали – железо.

Содержание компонентов сплава – железо (45+%), углерод (0,2-2,14%), примеси (остальное). Они могли бы составить формулу вещества.

На пару с чугуном – продукт черной металлургии.

Ее оттенок стал эталоном цвета – стального.

История

Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

• В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
• Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
• Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.

Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.

• Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.

Особенности материала

Свойства стали не заложены природой, они определяются человеком.

Он решает, какой состав будет у материала, каким способом его получать, как дорабатывать:

• Железо делает сплав пластично-вязким, его легко обрабатывать.
• Углерод придает твердости, но его не бывает более 3,39% (иначе материал станет хрупким).
• Для придания нужных характеристик основу обогащают легирующими добавками. Часто это цветные металлы. Например, хром делает ее жаропрочной, никель – вязкой и невосприимчивой к коррозии.

Доля легирующих присадок измеряется десятыми долями либо парой процентов, но физические и химические свойства конечного продукта меняются кардинально.

Фосфор, сера, свободный кислород, азот понижают порог пластичности и прочности. В процессе плавки их удаляют.

Свойства сплава определяются также методом выплавки – термообработка (закалка), горячий/холодный прокат, другие.

Сталь часто путают с чугуном. Это действительно самые близкие по свойствам и составу сплавы металлов.

Отличить сплавы позволяет процент углерода в составе: до 2,14 – сталь, больше – чугун.

Характеристики стали

• Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
• Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
• Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
• Температура плавления: 1450—1520 °C.
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C:

Хромоникельвольфрамовая сталь	15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь	22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь	41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30)	50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15)	54,4 Вт/(м·К)
Дюралюминиевая сталь	56,3 Вт/(м·К)

• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20)	{\displaystyle 11{,}9\cdot 10^{-6}} 1/°C
сталь нержавеющая	{\displaystyle 11{,}0\cdot 10^{-6}} 1/°C

• Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций	373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая	1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая)	314—785 МПа
сталь рельсовая	690—785 МПа

Технология производства

Получение сплава предусматривает переработку чугуна. При этом ненужные составляющие отжигают, заменяя их элементами-лигатурами.

Процесс проводится на металлургическом комбинате по следующим технологиям:

• Мартеновский способ. Смесью чугуна с рудой загружают мартеновскую печь. Для отжига излишков углерода плавят при 2050°С, вводят лигатуры. Продукт (сталь) разливают по емкостям, отправляют на прокатку. Способ считается устаревшим.
• Кислородно-конвертерный. Сквозь массив чугуна пропускают поток воздуха либо воздушно-кислородной смеси. Цель – быстрее и полнее отжечь содержимое.
• Электроплавка. Сырье плавится при 2210°С. Печь закрыта, поэтому «загрязнение» сплава газами исключено. Метод затратен, применяется для получения элитного продукта.
• Прямой. Для продувки окатышей из железной руды печь нагревают до 1060°С. Используется аммиачно-кислородная смесь плюс угарный газ, образованные при сгорании природного газа.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод, область стали помечена синим

Для получения материала с повышенными характеристиками термообработку продолжают. Способ получения предусматривает закалку, цементацию, азотирование (аккумулирование углерода либо азота на поверхности для увеличения износостойкости), цианирование («накачка» внешнего слоя азотом для ускорения процесса), другие операции.

Разновидности некоторых сталей

Марки стали	Термообработка	Твёрдость (сердцевина-поверхность)
35	нормализация	163—192 HB
40	улучшение	192—228 HB
45	нормализация	179—207 HB
45	улучшение	235—262 HB
55	закалка и высокий отпуск	212—248 HB
60	закалка и высокий отпуск	217—255 HB
70	закалка и высокий отпуск	229—269 HB
80	закалка и высокий отпуск	269—302 HB
У9	отжиг	192 HB
У9	закалка	50—58 HRC
У10	отжиг	197 HB
У10	закалка	62—63 HRC
40Х	улучшение	235—262 HB
40Х	улучшение+закалка токами выс. частоты	45-50 HRC; 269—302 HB
40ХН	улучшение	235—262 HB
40ХН	улучшение+закалка токами выс. частоты	48-53 HRC; 269—302 HB
35ХМ	улучшение	235—262 HB
35ХМ	улучшение+закалка токами выс. частоты	48-53 HRC; 269—302 HB
35Л	нормализация	163—207 HB
40Л	нормализация	147 HB
40ГЛ	улучшение	235—262 HB
45Л	улучшение	207—235 HB
65Г

HB — твёрдость по Бринеллю, HRC — твёрдость по Роквеллу.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

1. Прочность, твердость.
2. Вязкость, упругость.
3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
4. Износостойкость, долговечность.
5. Распространенность сырья.
6. Простота, рентабельность производства.
7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

1. Массивность.
2. Беззащитность перед коррозией.
3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.

Классификация

Разнообразие составов обусловило необходимость упорядочивания материала. Классификация ведется по нескольким основаниям.

По химическому составу

Самое крупное деление, подразумевает углеродистые и легированные стали.

Углеродистые

Характеристики углеродистых сталей определяет углерод. В зависимости от его количества различают три вида с разной структурой: мало-, средне, высокоуглеродистые – соответственно, до 0,30; 0,30-0,70; 0,70+% углерода.

Углеродистая сталь

Самая известная углеродистая разновидность – черная сталь. Бывает холодно- либо горячекатаной. Виды продукции: фасонная, сортовая, широкополосная, листовая сталь, катанка. Этот сплав обычных кондиций ценится машиностроителями как конструкционный материал номер один.

Легированные

Легированные – стали с элементами, добавленными для получения заданных характеристик.

Классификация базируется на совокупном объеме легирующих добавок (кроме марганца и фосфора). В зависимости от этого различают низко-, средне- либо высоколегированные стали, с, соответственно, до 2,5; 2,5-10; 10+% примесей.

Добавками служат хром, никель, молибден, другие цветные металлы.

Самая известная легированная сталь – нержавейка. По составу это хромистая либо хромо-никелевая смесь (хрома – до 26,9%).

По сфере применения

Свойства стали позволяют выбрать материал для конкретных проектов:

1. Строительные. Рядовые низколегированные сплавы, главное условие для которых – возможность сварки.
2. Инструментальные. Высокоуглеродистый, высоколегированный материал для инструментов. Тепло-, износостойкий, прочный. Различают режущие, штампованные, для метрологического инструментария.
3. Конструкционные. Материал с малым процентом марганца. Находит применение как основа узлов, конструкций.

Металлопрокат из стали

Как разновидность конструкционных рассматриваются специальные стали: кислотоупорные, жаростойкие, жаропрочные.

Другие виды классификации: по структуре, способу производства, содержанию примесей.

Маркировка

Состав, способ производства обусловили маркировку сталей.

Материал делится на три группы:

• Группа А включает семь марок стали – от Ст 0 до Ст 6. Чем больше цифра, тем лучше.
• Группа Б – марки от БСт0 до БСт 6. Увеличение нумерации означает повышение планки прочности, текучести.
• Группа В маркируется как ВСт.

В группе А регламентируются механические характеристики, у группы Б в приоритете состав, для сегмента В важны обе шкалы.

Стоимость

Материал оценивают традиционно: по степени обработки, виду продукции, марке, настроению рынка.

Мировую цену определяет Лондонская биржа металлов. Так, в начале июня 2021 года за тонну условной стали здесь давали $506.

Инструментальная сталь ФЕРРУМ ТРЕЙД

Подразделяется на:

• Инструментальную углеродистую;
• Инструментальную легированную;
• Инструментальную быстрорежущую.

Сортамент инструментальной стали должен соответствовать:

• горячекатаной круглой — ГОСТ 2590-88;
• горячекатаной квадратной — ГОСТ 2591-88;
• кованой круглой и квадратной — ГОСТ 1133-88;
• кованой полосовой — ГОСТ 4405-75.

Инструментальная углеродистая сталь

Изготовляется согласно ГОСТ 1435-74.

Инструментальная углеродистая сталь маркируется буквой У, что означает “углеродистая”, и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента. Если сталь повышенного качества, то в конце марки ставится буква А. Например: У12А содержит 1,2%С и является сталью повышенного качества.

Марки: У7, У8, У9, У10, У11,У12и У13.

Назначение: предназначены для изготовления инструмента (сверла, метчики, развертки, напильники и др.), работающего в относительно легких условиях резания (небольшие скорости, температура нагрева инструмента не выше 200 °С). Недостаток углеродистых инструментальных сталей заключается в низкой теплостойкости, т. е. быстром разупрочнении при нагреве.

Свариваемость: инструментальная углеродистая сталь не применяется для сварных конструкций.

Инструментальная легированная сталь (в том числе штамповая)

Изготовляется согласно ГОСТ 5950-2000.

Марки: 9ХС, ХВГ, Х12МФ, Х12Ф1, 4Х5МФС и т.д.

Стали Х12МФ, Х12Ф1, 4Х5МФС относятся к разряду штамповых сталей.

Буквы и цифры в обозначении марок означают:

• цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента,
• Х– легированная хромом,
• В — легированная вольфрамом,
• Г — легированная марганцем.

Количество хрома, вольфрама, марганца в стали определяется ГОСТом.

Стали 9ХС и ХВГ взаимозаменяемы. Сталь 9ХС является заменителем марки 65Г.

Назначение: применяются для изготовления режущего инструмента (метчики, сверла, плашки, развертки, фрезы, протяжки), а также штампового инструмента более ответственного назначения, чем из углеродистых инструментальных сталей.

Свариваемость: инструментальная легированная сталь не применяется для сварных конструкций.

Инструментальная быстрорежущая сталь

Изготавливается согласно ГОСТ 19265-73.

Марки: Р18, Р6М5, Р9К5 и т.д.

Буквы и цифры в обозначении марок означают:

• Р — быстрорежущая,
• цифра — содержание вольфрама в десятых долях процента,
• М, К — легированная молибденом или кобальтом соответственно.

Их количество определяется ГОСТом.

Назначение: быстрорежущие стали наиболее характерны для режущих инструментов. Они сочетают в себе высокую теплоустойчивость (600-6500С в зависимости от состава и обработки), высокую твердость и износостойкость при повышенных температурах и повышенное сопротивление пластической деформации.

Свариваемость: при стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х свариваемость хорошая.

5 Общие области применения конструкционной стали

Каковы общие области применения конструкционной стали?

1. Склады
2. Парковочные места
3. Высотные здания
4. Мосты
5. Сельскохозяйственная инфраструктура

 

Универсальность стали означает, что существует множество применений конструкционной стали, что делает ее одним из наиболее предпочтительных материалов для строительства и производства. В качестве сплава конструкционная сталь состоит из железа и углерода — содержание углерода может варьироваться в зависимости от использования. Некоторые из его физических свойств включают выносливость, ударную вязкость, пластичность, обрабатываемость, прочность на растяжение и предел текучести.

Хотя производители стали могут выбирать, какое из этих свойств выделить, они, тем не менее, обычно работают с одним из самых прочных и наиболее пригодных для обработки материалов. Это позволило использовать его в нескольких областях, таких как склады, парковочные места, мосты, сельское хозяйство, высотные здания и тому подобное. Продолжайте читать, чтобы узнать больше.

 

Склады

Сталь можно найти как на малых, так и на больших складах. Хотя он имеет несколько применений, его обычно рассматривают как часть основной рамы здания или основной конструкции — например, стальные балки, двутавровые профили, армированные стальные стержни или трубы.

Для складов сталь имеет как декоративное, так и функциональное назначение. Открытая балка, хотя и выглядит аккуратно, также обеспечивает прочную и долговечную базовую конструкцию, которой могут воспользоваться многие склады.

Несмотря на базовую конструкцию конструкции, материал прост в установке, надежен и может подвергаться дальнейшей обработке для усиления и повышения коррозионной стойкости, т. е. гальванизации.

 

Парковочные места

Современные автостоянки или парковочные места в настоящее время используют комбинацию материалов. На самом деле редко можно найти автостоянку, сделанную из чистого железобетона.

Например, в гибридных парковочных местах стальные арматурные стержни используются для поддержки многочисленных бетонных колонн, которые могут быть разнесены по всему объекту. Этот материал является хорошим выбором, поскольку он помогает поддерживать не только колонны, но и различные уровни парковочного места, которые могут присутствовать.

С другой стороны, сталь может быть более заметной на стальных парковочных местах, популярность которых с годами росла. Мало того, что стальные автостоянки практичны в строительстве, они также более легкие по сравнению с бетонными. Это также означает, что пространство на парковке максимально используется, гарантируя, что ни одна площадь не останется недоиспользованной.

 

Высотные здания

Высотные здания предъявляют различные требования, но они значительно требуют большей структурной поддержки, особенно в случае стихийных бедствий, таких как штормы или землетрясения. Показатель, который обычно используется как часть стандартов для строительства высотных зданий, называется ветровой нагрузкой.

Ветровая нагрузка обычно измеряет, насколько здание может выдержать до того, как будет затронута какая-либо конструкция, такая как крыши или потолки. Это также можно понимать как величину давления, которое потребуется, прежде чем в основной конструкции здания начнут появляться трещины и повреждения.

В таких случаях следует использовать такой материал, как сталь. Стальные пластины, армированные стальные стержни, балки, трубы или стальные профили могут обеспечить структуру и поддержку для этого типа конструкции здания. При условии, что они были правильно сконструированы, они могут легко выдерживать любое давление ветра в определенной степени, чтобы защитить все здание, а также его жителей.

 

Мосты

По современным мостам ежедневно проезжают тысячи и тысячи автомобилей и других транспортных средств. Только представьте, какое усилие может быть приложено к различным компонентам мостовой системы, особенно к палубе.

Имея это в виду, многие типы готовых стальных изделий используются для строительства мостов. Это позволяет мостам выдерживать и нести более тяжелые грузы в течение длительного периода времени с минимальными затратами на техническое обслуживание и отсутствием трещин.

Подвергаясь вторичной обработке, такой как гальванизация, конструкционная сталь в мостах также обеспечивает достаточную защиту от элементов окружающей среды. Вся конструкция моста может быть стабильной в течение нескольких лет без какой-либо коррозии.

 

Сельскохозяйственная инфраструктура

Сельское хозяйство существует уже сотни веков. С тех пор многие методы, такие как ирригация, были разработаны для того, чтобы приспособить использование и функции таких материалов, как сталь.

Имея это в виду, сельскохозяйственная промышленность также в значительной степени выиграла от использования конструкционной стали во многих операциях. Вы можете легко найти сельскохозяйственные или фермерские постройки, такие как амбары, силосы, курятники или сараи — все они требуют более одного применения стали.

Помимо зданий, современная сталь также использовалась в нескольких установках ограждения для этих типов объектов. Стальные ограждения можно использовать для различных типов ограждений, в которых можно правильно разместить сельскохозяйственных животных или защитить сельскохозяйственное оборудование. В сельскохозяйственном строительстве существует свобода придумывать гибкие конструкции из конструкционной стали, которые можно постоянно масштабировать или расширять для использования других материалов.

 

Ключевой вывод

Некоторые из наиболее распространенных применений конструкционной стали включают следующее: сельское хозяйство, строительство мостов, складирование, парковочные места и строительство высотных зданий. Сталь является практичным материалом из-за многих ее желательных свойств.

Его прочность, прочность и выносливость позволяют многим из этих отраслей использовать его по-разному. Всесторонняя поддержка и структура, которую может обеспечить сталь, также сделали возможным несколько инноваций в строительстве, которые все еще применяются до сих пор.

5 Типы стали, используемые в строительстве

Какие типы стали используются в строительстве?

1. Стальная арматура
2. Легированная сталь
3. Нержавеющая сталь
4. Инструментальная сталь
5. Мягкая сталь

 

В строительстве используются различные виды стали, а не только привычные материалы, например, для конструкционных целей. Являясь одним из самых прочных материалов на рынке, стальные изделия можно бесконечно перепрофилировать, и они могут служить до 50 лет в строительстве и строительных проектах.

Некоторые из этих продуктов включают фланцы, уголки, стальные листы, трубы, швеллеры, гофрированную кровлю, шпунтовые сваи и т. п. Однако существуют также изделия из конструкционной стали, которые предназначены для резки и формовки различных материалов. Примером может служить инструментальная сталь, которая имеет более высокую прочность на растяжение и выносливость по сравнению с трубами. Существуют также другие типы, такие как арматура, легированная сталь, нержавеющая сталь и тому подобное. Продолжайте читать, чтобы узнать больше.

 

Стальная арматура

Стальная арматура представляет собой изделие, которое представляет собой стержни и обычно устанавливается как часть фундамента здания. Особый дизайн арматурного стержня с резьбой и другими симметричными узорами предназначен для конкретных применений.

Бетон без покрытия не очень эффективен для строительства фундаментов, мостов или любых конструкций на бетонной основе. Это связано со склонностью материала к расширению и образованию трещин, особенно при высоком давлении и высоких температурах. Это не гибкий материал и может сломаться при сгибании.

По этой причине для армирования бетона используется стальная арматура. Помимо фундаментов зданий, они также могут применяться в колоннах, стеновых панелях или бетонных настилах мостов. Стальная арматура улучшает гибкость бетона, а также снижает потребность в большем количестве бетона.

 

Легированная сталь

Как следует из названия, легированная сталь — это сталь, полученная металлургическим путем в сочетании с другими металлами, такими как марганец, никель, молибден, хром или кремний. Обычно это делается для улучшения свойств нелегированной стали за счет повышения твердости, прочности на растяжение, ковкости, обрабатываемости или коррозионной стойкости.

Например, чистый металлический марганец не дает особых преимуществ. Обычно он используется для снижения уровня износа стали, поскольку марганец в чистом виде имеет тенденцию быть хрупким. Никель, с другой стороны, используется вместе с минеральной медью в производстве монет. Тем не менее, он также полезен при производстве легированной стали, поскольку помогает улучшить гибкость и свариваемость стали.

Легированные стали используются как в функциональных, так и в декоративных целях наряду с другими стальными материалами. Они встречаются в мостах, высотных зданиях, шасси автомобилей и даже в армирующих материалах для бетона.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь может быть классифицирована как подкатегория легированной стали, но с отчетливым присутствием хрома, металла, встречающегося в природе в окружающей среде. Содержание хрома придает стали неагрессивные и не окислительные свойства, что делает ее пригодной для широкого спектра применений.

Как правило, содержание хрома в нержавеющей стали может составлять от 10% до 18%, хотя можно найти изделия из нержавеющей стали и в более высоком диапазоне. Имея это в виду, существует множество причин, по которым нержавеющая сталь является лучшей альтернативой таким материалам, как дерево.

Например, нержавеющая сталь применяется для облицовки зданий, перил, сельскохозяйственных ограждений, кровельных материалов, ферм и каркасов зданий. В отличие от дерева, он не гниет во влажной среде. Он также помогает лучше уменьшить распространение огня из-за его негорючести и отличной огнестойкости. Они также обеспечивают недорогой вариант для различных проектов из-за низких требований к техническому обслуживанию и ремонту.

 

Инструментальная сталь

Как упоминалось ранее, инструментальная сталь относится к типу стального продукта, который специально используется для придания формы различным металлам и сплавам. Инструментальная сталь обычно имеет более высокий рейтинг прочности по сравнению со средней стальной трубой, чтобы сделать инструмент лучше для любых целей резки, изготовления, гибки или механической обработки.

В качестве другого примера, инструментальная сталь может поставляться в форме инструментальной матрицы, которая имеет определенную форму поперечного сечения. Здесь экструдируют нагретые сплавы для производства строительных профилей, оконных рам, стоек, конструкционных профилей и многого другого.

Помимо процессов экструзии, инструментальную сталь также можно рассматривать как часть компонентов машин для штамповки металлов, штамповки и гибки труб. Они не предназначены для разрушения и намного прочнее и менее гибки по сравнению с модифицированным металлическим образцом.

Инструментальная сталь может быть дополнительно классифицирована в соответствии с температурными требованиями. Они также сочетаются с другими металлами, которые не совсем полезны в чистом виде.

 

Мягкая сталь

В отличие от нержавеющей стали, низкоуглеродистая сталь обычно имеет более низкое содержание хрома. По этой причине они могут быть более уязвимы к различным формам коррозии и окисления.

Думайте о низкоуглеродистой стали как о продукте, находящемся где-то посередине между нержавеющей сталью и инструментальной сталью. Он недостаточно прочен, чтобы быть защищенным от химических изменений, но подходит для использования во всем, что требует структурной и строительной поддержки.