Стомана

Стоманен мост пресичащ канал между Конкорд и Плезант Хил в Калифорния.

Стоманата е метална сплав с основен компонент желязо и съдържание на въглерод между 0,2 и 2,1% по маса. Освен въглерод стоманите съдържат и други добавки - легиращи елементи, най-често манган, хром, никел, титан, ванадий, волфрам и др.. Въглеродът и останалите добавки в сплавта втвърдяват мекото в чист вид желязо, като възпрепятстват дислокацията на атомите в неговата кристална решетка. Промяната в количеството и разпределението на тези допълнителни материали в сплавта определя основни качества на получената стомана, като твърдост, пластичност и якост на опън. С увеличаване на съдържанието на въглерода стоманата става по-твърда и с много по-голяма якост на опън от желязото, но също и по-крехка.

Сплавите с въглеродно съдържание над 2,1% се наричат чугуни, имат по-ниска температура на топене и са по-крехки. В сплавите със съдържание на въглерод под 0,2% той присъства главно във вид на шлакови включения. Те са много по-меки и податливи на корозия от стоманата.

Макар че стоманата се произвежда по различни методи още от Античността, тя започва да се използва по-широко едва след появата на по-ефективни технологии през 17 век. С въвеждането на бесемеровия процес в средата на 19 век тя става сравнително евтин и серийно произвеждан материал. Последвалите подобрения в технологията, като основния конверторен 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.

История

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Състав и структура

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%. Тази граница дефинира и максималната концентрация на въглерод в стоманите.

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.

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 местате 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.

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. 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.

Свойства

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

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

Видове

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Производство

Технология

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Желязото се среща в земната кора под формата на желязна руда - свързано с други елементи, като кислород или сяра. Типични съдържащи желязо минерали са хематитът (Fe₂O₃) и пиритът (FeS₂). 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

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

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

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

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:

• Кремиковци (София)
• Стомана Индъстри (Перник)

Приложение

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Бележки

Цитирани източници

• ((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

• въглеродна стомана
• легирана стомана
• дамаска стомана, известна през Средновековието със своята гъвкавост
• неръждаема стомана
• суперферосплав
• бесемеров процес, първият промишлен метод за производство на стомана
• Чугун

Външни препратки

• International Iron and Steel Institute (на английски)
  • Статистика за производството и потреблението на стомана в света
• CIMsteel Integration Standards (CIS/2) (на английски)
• Key to Steel Knowledge Base - информация за стомани и процеси (на английски)
• [1] - Стоманата навлезе в бижутерията за тяло