Стомана

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Стоманен мост пресичащ канал между Конкорд и Плезант Хил в Калифорния.

Стоманата е сплав на желязо и въглерод, в която съдържанието на въглерод се колебае в границите от 0,025% до 2,14%.[1]

Освен въглерод, стоманите съдържат и други елементи - манган, фосфор, сяра, силиций, следи от кислород, азот и алуминий, които обикновено се разделят на легиращи елементи и примеси. Елементите, целенасочено включени в състава на стоманата, за да се модифицират определени нейни свойства, се наричат легиращи. Най-често използваните легиращи елементи са манган, никел, хром, молибден, бор, титан, ванадий и ниобий.[2]

Сплавите на желязото с въглерод, които съдържат въглерод над 2,14% се наричат чугуни. Чугуните се различават от стоманите по редица свойства - имат по-ниска температура на топене, по-крехки са и могат да се отливат по-добре от тях. Сплавите със съдържание на въглерод под 0,025% са по-близки по свойства до чистото желязо - по-меки са и имат значително по-ниска якост.

Макар че стоманата се произвежда по различни методи още от предисторически времена, тя започва да се произвежда масово след изобретяването през 1856 г. от Хенри Бесемер на по-ефективен начин за нейното производство, получил впоследствие неговото име - бесемеров конверторен процес[3]. Последвалите подобрения в технологията, като основния конверторен процес, открит от Джилхрист Томас и създадения на тяхна основа кислородно-конверторен процес, мартеновия процес (изобретен от френският учен Пиер Мартен през 1863 г.) и електродъговия стоманодобивен процес понижават стойността на стоманата и повишават нейното качество. Днес стоманата е сред най-широко използваните материали в света, като годишно се произвеждат над 1,3 милиарда тона. Тя е основен компонент на сгради, инфраструктурни съоръжения, инструменти, кораби, автомобили, машини, битови уреди и оръжия.

Съдържание

История [редактиране]

Нашата цивилизация, във вида, в който съществува, е основана на използването на желязото и неговите сплави като основен технически материал. Исторически е прието, че човекът се запознава с желязото чрез метеоритите, като косвено потвърждение на този факт може да се приемат имената на желязото, използвани в различни древни народи - „небесно тяло“ (древния Египет), „звезда, небесно тяло“ (Древна Гърция), произлязлото от sidus, sideris (латински) - „звезда, звезден“, sideros (древногръцки) - звезда. Древните шумери са наричали желязото „небесна мед“[4]. В историческата наука, предисторическите времена са разделени на три епохи - каменна, бронзова и желязна. Желязната епоха се разделя на два етапа - ранен (X-V век пр. н. е.), наричан Халщатска култура по името на едноименния град в Австрия, в околностите на който са намерени голямо количество железни предмети от това време и късен - (V-II в. до н. е.), наричан Латенска култура по името на селцето La Tène в Швейцария.

Писмени споменавания за желязото се срещат в творчеството на Омир, в Библията (в „Битие“ и „Книга на царствата“), в поемата „Дела и дни“ на Хезиод (VIII век пр. н.е).

Най-старият артефакт, изработен от стомана е намерен в Каман-Калехоюк (Мала Азия) и е на възраст около 4000 години [5]. Други находки на железни артефакти на възраст около 1400 години са намерени в Източна Африка[6]. Известни са и уникалните железни изделия на древноиндийската култура. Доказателства за ранно производство на високовъглеродна стомана на Индийския полуостров са намерени в района Samanalawewa на остров Шри Ланка. Wootz стомана се е произвеждала в Индия от около 300 пр. н.е. В град Делхи се намира уникална желязна колона (iron pillar, qtub column) с височина 7,5 m и тегло 6 t. Колоната е създадена по времето на империята Гупта в периода 375-413 г. и е повече известна с това, че по нея няма никакви следи от ръжда, отколкото с размерите си.

Състав и структура [редактиране]

Диаграма на състояние на системата Fe-C.

Основните компоненти на стоманата са желязото и въглерода. Дори в тесния интервал на концентрации на въглерода (0,2-2,1%), неговите смеси със стоманата могат да образуват няколко различни структури със силно различаващи се свойства. При стайна температура най-стабилната алотропна форма на желязото е феритът (α-желязо), който има обемноцентрирана кубична кристална решетка (ОЦК). Феритът е мек метал, който може да разтвори ограничено количество въглерод - не повече от 0,021% при 723°C и едва 0,005% при 0°C.

Ако стоманата съдържа повече от 0,021% въглерод, при нагряване тя се трансформира в аустенит (γ-желязо), който има стенноцентрирана решетка (СЦК). Аустенитът също е мек метал, но може да разтвори значително повече въглерод, като според различни източници горната граница варира между 2,08 и 2,14% (т. E от желязо-въглеродната диаграма).[7][8][2] Тази граница дефинира и максималната концентрация на въглерод в стоманите.[7]

Когато стомани със съдържание на въглерод под 0,8%, наричани подевтектоидни стомани, бавно се охладят от аустенитната си форма, желязото се стреми да се върне във феритна форма, при което се отделя излишен въглерод. Един от начините за отделяне на този въглерод е отделянето на цементит, при което се образува ферито-цементитна смес. Цементитът е твърдо и крехко интерметалидно съединение (Fe3C). На самата евтектоидна граница (0,8% въглерод) охладената структура образува перлит, а над нея - на смес от перлит и цементит.[9]

Една от най-важните за стоманите форми на желязото е мартензитът. Това е метастабилна фаза, която е значително по-твърда от останалите форми. Когато стоманата рязко се охлади от аустенитна фаза, тя образува мартензит. Железните атоми се фиксират на местата си при преминаването от стенноцентрирана към обемноцентрирана кристална решетка. В зависимост от въглеродното съдържание мартензитната фаза приема различни форми. Под приблизително 0,2% въглерод тя образува феритна обемноцентрирана кубична решетка, но при по-високо съдържание на въглерод формира обемноцентрирана тетрагонална решетка, като въглеродът остава затворен в междините на кристалната решетка. При процеса на трансформиране на аустенита в мартензит няма топлинна активационна енергия, а атомите в кристалите запазват своите съседи.[10]

Мартензитът има по-ниска плътност от аустенита, поради което трансформацията води до увеличаване на обема. Вътрешните напрежения от разширението предизвикват натиск върху кристалите на мартензита и опън върху тези на остатъчния ферит със значителни тангенциални напрежения между двете форми. При неправилно закаляване тези напрежения могат да доведат до напукване и дори разпадане на материала.[11] Затова винаги се препоръчва нискотемпературно отвръщане.

Освен желязо и въглерод към стоманите се добавят и други легиращи елементи с цел постигане на определени желани свойства. Никелът и манганът увеличават якостта на опън и правят аустенита по-устойчив химически. Хромът увеличава твърдостта и температурата на топене, а в по-висока концентрация (над 12%) образува пасивиращ слой по повърхността на метала (неръждаема стомана). Ванадият също увеличава твърдостта и намалява ефекта на умора на материала. Волфрамът е карбидообразуващ елемент и възпрепятства образуването на цементит и дава възможност за образуване на мартензит при по-бавно закаляване, в резултат на което се получават високоякостни стомани Последните два легиращи елемента придават по-голяма термоустойчивост на стоманите.

Неблагоприятни примеси са сярата, азотът и фосфорът. Те придават на стоманата крехкост и трябва да се отстраняват от стоманата.[12]


Химичните елементи, които се въвеждат специално в стоманата с цел получаване на искани кристален строеж, структура или някакво физикохимично или механично свойство, се наричат легиращи елементи[13]. Основни легиращи елементи в стоманата са манган [Мn], силиций [Si], хром Cr, никел Ni, молибден [Mo], волфрам [W], кобалт [Co], мед [Cu], титан Ti, ванадий [V], цирконий [Zr], ниобий [Nb], алуминий [Al], бор [B] и др. В някои специални стомани легиращи елементи могат да бъдат фосфор [P], сяра [S], азот [N], селен [Se], телур [Te], олово [Pb], церий [Ce], лантан [La] и др. Тези елементи (последно изброените), заедно с водород [H], кислород [O], калай [Sn], антимон [Sb], арсен [As] и бисмут [Bi], могат да бъдат и примеси в стоманата. Съдържанието на легиращите елементи може да се колебае в широк интервал - от хилядни от процента до десетки проценти.

Примеси се наричат химичните елементи, преминали в състава на стоманата в процеса на нейното получаване като технологични добавки или като компоненти от шихтовите материали[14]. Съдържанието на примеси в стоманите обикновено се ограничава в следните граници: Mn ≤ 0,8%, Si ≤ 0,4%, Cr ≤ 0,3%, Ni ≤ 0,3%, Cu ≤ 0,3 %, Mo ≤ 0,10%, W ≤ 0,2%, P -- 0,025-0,40%, S -- 0,015-0,050% [2]. В зависимост от количеството и ролята на даден химичен елемент в стоманата, той може да бъде или легиращ елемент или примес. Легираните стомани представляват сплави на желязото, в химическият състав на които са специално добавени легиращи елементи, осигуряващи при определени начини на производство и обработка исканата структура и свойства на стоманата.

Свойства [редактиране]

Плътността на стоманата варира в зависимост от нейния химичен състав, но обикновено е между 7750 и 8050 kg/m³.[15] Има почти еднакъв коефициент на топлинна деформация с бетона (αt=0,00001).

Класификация [редактиране]

Единна система за класификация на стоманите в глобален мащаб не съществува. Много от стоманодобивните компании имат собствени системи за класифициране на стоманите.

Стоманите могат да бъдат класифицирани по най-различни признаци - по областта на приложение, по своето качество, по химичния си състав, по характера на кристализиране при разливане в изложници и строежа на получения слитък, по начина на производство и др.[16].

Според областта на приложение, стоманите се разделят на:

  1. Котелна стомана - използва се за производство на парни котли. Тази стомана обикновено е нисковъглеродна и трябва да притежава високи пластични свойства в студено състояние, добре да се заварява и не трябва да има склонност към стареене;
  2. Стомана за железопътния транспорт - релсова стомана, стомана за вагонни оси, стомана за бандажи на железопътните колела. Тази стомана е средновъглеродна, към която има високи изисквания за механичните ѝ свойства (умора на метала, плътна и равномерна структура и др.);
  3. Конструкционни стомани - използват се при изготвянето на метални конструкции за строителството на различни здания, мостове, различни машини и други подобни. Тези стомани могат да бъдат както обикновени въглеродни, така и легирани (например манганова стомана, хромова стомана и т. н). Легираните конструкционни стомани изискват повече разходи за производството си от обикновените въглеродни, но тъй като имат значително по-добри механични качества, техният разход при изготвянето на металните конструкции е по-нисък, което оправдава тяхното използване;
  4. Лагерни стомани - използват се при изготвянето на сачмени и ролкови лагери. Към тези стомани, съдържащи около 1% C и 1,5% Cr, се предявяват изключително високи изисквания по отношение на съдържанието на неметални включения;
  5. Инструментални стомани - използват се за изготвяне на инструменти, резци за стругове, валци за прокатни станове, части за ковашко-щамповъчно оборудване и др. Инструменталните стомани обикновено съдържат високо количество въглерод (до 2 %), както и значително количество легиращи елементи - най-често хром Cr, волфрам W, молибден Mo и други.

Освен тези групи стомани, съществуват още и цял ред групи стомани с по-тясно предназначение - ресорно-пружинни, трансформаторни, неръждаеми, оръдейни, тръбни и др.

Според начина на производство стоманата може да бъде:

  1. Мартенова стомана - произведена по сименс-мартеновия процес в пещи с открит под;
  2. Конверторна - произведена по някои от конверторните процеси в конвертори;
  3. Електростомана - произведена в електродъгови пещи;

Понякога се налага използването на още по-дълбоки уточнения - кисела мартенова стомана, бесемерова стомана и други такива.

Много често от начина на производство на стоманата зависят някои особени качества на метала. Например, независимо от еднаквия химичен състав и еднаквата последваща термообработка, свойствата на киселата и мартенова стомана са различни, което се отчита както от производителите, така и от потребителите на стоманата.

По своето качество, стоманите се разделят на следните групи:

  1. С обикновено качество;
  2. Качествени стомани;
  3. Висококачествени стомани.

Разликата между тези три групи е в допустимото съдържание на вредни примеси, както и в особените изисквания за съдържание на неметални включения в тях. Например, в стоманите с обикновено качество общото съдържанието на сяра S и фосфор P не трябва да надхвърля 0,040-0,060%, докато в качествените стомани то трябва да бъде в границите на 0,030-0,040%, а при вискокачествените - не повече от 0,020-0,030%. В някои случаи се изисква съдържанието на сяра и фосфор да бъде в още по-ниски граници - под 0,010% или 0,005%.

По своя химически състав, стоманите могат да се разделят на:

  1. въглеродни, които от своя страна могат да бъдат ниско-, средно- и високовъглеродни;
  2. нисколегирани;
  3. легирани - в тази група влизат хромовите, хром-никеловите, мангановите и т. н. стомани

По вида на кристализиране при разливане на стоманата в изложници се различават следните видове стомана:

  1. спокойна стомана;
  2. кипяща стомана;
  3. полуспокойна стомана.

Поведението на метала при кристализация му в изложници зависи от неговата степен на откисляване - колкото повече е откислена стоманата, толкова по-спокойна е тя. Например, в резултат на силното газоотделяне в изложницата при кристализацията на кипяща стомана тя кипи бурно, откъдето идва и наименованието на стоманата. И обратно - откислената стомана кристализира спокойно, без видими ефекти в изложницата.

По правило, на машини за непрекъснато разливане на стомана се разлива изключително спокойна стомана.

Производство [редактиране]

Технология [редактиране]

Желязото се среща в земната кора под формата на желязна руда - свързано с други елементи, като кислород или сяра.[17] Типични съдържащи желязо минерали са хематитът (Fe2O3) и пиритът (FeS2).[18] Желязото се извлича от рудата чрез отделяне на кислорода и сярата и съчетаването му с желан примес, като въглерода. Исторически подобен процес е използван за добиване на метали с по-ниска температура на топене, като калай (температура на топене 250°C) и мед (температура на топене 1100°C). В сравнение с тях температурата на топене на желязото е по-висока - 1375°C, но е постижима още през бронзовата епоха. Тъй като оксидацията се засилва значително при температури над 800°C, топенето трябва да става в среда с ниско съдържание на кислород. За разлика от калая и медта, течното желязо лесно разтваря въглерода, поради което получената сплав съдържа твърде много въглерод и получаването на стоманата изисква допълнително отстраняване от материала на излишния въглерод и нежелани примеси.

Географско разпределение [редактиране]

Производство на стомана за 2006 година
  • Целия свят общо — 1244,2 млн. тона;
  • Китай — 422,7 млн. тона;
  • ЕС — 198,4 млн. тона;
  • Япония — 116,2 млн. тона;
  • САЩ — 98,6 млн. тона;
  • Русия — 70,8 млн. тона.

Най-големи производители [редактиране]

Най-големите производители на стомана в света през 2006 г. са:[19]

Производител Страна Произведена необработена
стомана, млн. t
АрселорМитал Люксембург 117,2
Нипон Стийл Япония 32,7
Джей Еф И Япония 32,0
ПОСКО Южна Корея 30,1
Шанхай Баостийл Китай 22,5
Ю Ес Стийл САЩ 21,2
Нукор САЩ 20,3
Таншан Китай 19,1
Корус Великобритания/Нидерландия 18,3
Рива Груп Италия 18,2

Производители на стомана в България са:

Приложение [редактиране]

Бележки [редактиране]

  1. ↑ Лякишев 2000.
  2. ↑ а б Ashby 1992.
  3. ↑ US Patent 16082, 1856;
  4. ↑ Кудрин В. А., Теория и технология производства стали: учебник для вузов, М., Мир, 2003, 528 стр.;
  5. ↑ "Ironware piece unearthed from Turkey found to be oldest steel". The Hindu (Chennai, India). 2009-03-26. Retrieved 2009-03-27.
  6. ↑ "Civilizations in Africa: The Iron Age South of the Sahara". Washington State University. Archived from the original on 2007-06-19. Retrieved 2007-08-14.
  7. ↑ а б Smith 2006, с. 363.
  8. ↑ ((en)) Degarmo, E. Paul и др. Materials and Processes in Manufacturing. 9th. Wiley, 2003. ISBN 0-471-65653-4.
  9. ↑ Smith 2006, с. 365–372.
  10. ↑ Smith 2006, с. 373-378.
  11. ↑ ((en))  Quench hardening of steel. // Посетен на 19 юли 2009.
  12. ↑ ((en))  Alloying of Steels. // Metallurgical Consultants, 28 юни. Посетен на 28 февруари 2007.
  13. ↑ Гольдштейн М. И., Грачев С. в., Векслер Ю. Г., Специальные стали. Учебник для вузов, М., Металлургия, 1985, 408 стр.;
  14. ↑ Гольдштейн М. И., Грачев С. в., Векслер Ю. Г., Специальные стали. Учебник для вузов, М., Металлургия, 1985, 408 стр.;
  15. ↑ ((en)) Elert, Glenn. Density of Steel. // Посетен на 23 април 2009.
  16. ↑ Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якуев М. А., Общая металлургия: учебник для вузов, М., Академкнига, 2002 г., 768 стр.;
  17. ↑ ((en)) Winter, Mark. Periodic Table: Iron. // The University of Sheffield. Посетен на 28 февруари 2007.
  18. ↑ ((en)) Brookins, F. Theo. Common Minerals and Valuable Ores. // Birds and All Nature 6 (4). A. W. Mumford, November 1899.
  19. ↑ European business. Facts and figures. 2007 edition. Luxembourg, Office for Official Publications of the European Communities, 2007. ISBN 978-92-79-07024-2. с. 143.
Цитирани източници
  • ((ru)) Лякишев, Н. П. (главный редактор). Энциклопедический словарь по металургии. Москва, Интермет Инженеринг, 2000.
  • ((en)) Ashby, Michael F и др. Engineering Materials 2. with corrections. Oxford, Pergamon Press, 1992, [1986]. ISBN 0-08-032532-7.
  • ((en)) Smith, William F и др. Foundations of Materials Science and Engineering. 4th. McGraw-Hill, 2006. ISBN 0-07-295358-6.

Вижте още [редактиране]

Общомедия
Общомедия разполага с мултимедийно
съдържание за: Стомана

Външни препратки [редактиране]

Взето от „http://bg.wikipedia.org/w/index.php?title=Стомана&oldid=5486151“.