Definition of a matrix

Чугун.

Сталь.

Сталью называют сплав на основе железа, содержание которого в сплаве выше, чем содержание любого другого металлического (Mn, Cr, Ni, W, Mo и др.) или неметаллического (С, Si, S и Р) элемента, а содержание углерода не превышает 2,14 %.

Сталь обладает разнообразными свойствами: способностью к деформации в нагретом и холодном состоянии, хорошей свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием, высокими твердостью, пластичностью и износостойкостью, высокой коррозионной стойкостью, способностью выдерживать высокие и низкие температуры.

В стандартах развитых стран насчитывается около 2000 марок стали, при этом почти 1500 марок относятся к категории спе­циальных.

В настоящее время мировое производство стали по крайней мере в 20 раз превышает суммарное производство всех остальных металлов.

Перспективность использования стали в будущем подкрепляется следующими факторами. Запасы железных руд, которые экономически целесообразно уже сегодня могут быть добыты из недр земли и использованы в металлургической промышленности, превышают 140 млрд т, то есть сплавы на основе железа имеют надежный сырьевой базис.

По сравнению с другими элементами производство стали требует относительно меньших затрат энергии. Различные марки стали могут быть произведены сравнительно недорого при постоянстве качества металла от плавки к плавке. Сталь — экологически безвредный материал. Он может быть на 100 % использован повторно путем переплава (стопроцентная утилизация или рециклинг). Желательные свойства стали достигаются путем введения в железо в период выплавки других элементов. Эта операция по­лучила название легирования (от немецкого слова legieren -сплавлять металлы), а вводимые элементы называются легирующими элементами.

Важнейшая задача металлургов - получить сталь с узкими границами состава, с высокой степенью чистоты по посторонним неметаллическим включениям, с высокой равномерностью структуры, заданным размером зерна (отдельным кристалликам), с желательным типом и распределением по структуре необходимых фаз.

Так как сталь является сплавом на основе железа с другими элементами, среди которых углерод играет важнейшую роль, то после отвердевания расплавленной стали элементы могут разме­щаться в кристаллической решетке железа следующим образом:

1. Элемент, имеющий атомный диаметр примерно равный атомному диаметру железа, замещает железо в узле кристалличес­кой решетки. В этом случае образуется раствор замещения (рис. 3).

• С, N, O

Ni, Cr, Fe

Рис. 3. Пример g-твердого раствора аустенитной стали 10Х18Н8

(0,1 % С, 18 % Сг и 8 % Ni). Хром и никель заместили атомы железа

в g-решетке, углерод образовал раствор внедрения

2. Легирующий элемент, имеющий атомный диаметр меньший, чем атомный диаметр железа, размещается в пустотах внутри кристаллической решетки. В этом случае образуется раствор внедрения.

3. Легирующий элемент образует с железом или другими элементами соединения с собственной кристаллической решеткой (например, карбиды). В этом случае кристаллическая решетка но­вой фазы размещается в недрах кристаллической решетки железа (рис. 4).

Углерод при его содержании в железе более 0,02 % начинает образовывать с железом или другими элементами карбиды с собственной кристаллической решеткой. Карбиды в виде малых кристаллов с самостоятельным строением решетки выделяются по границам зерен или внутри ферритного зерна. Соединение железа с углеродом называют карбидом железа или цементитом (Fe₃C). При содержании углерода более 2,14 % (область чугунов) выделе­ния цементита настолько отрицательно влияют на способность сплава Fe-C к деформированию, что придание затвердевшему ма­териалу какой-либо формы может быть осуществлено только путем литья. 2,14 % С - это как раз граница между сталью и чугуном.

Рис. 4. Схема выделения карбида легирующего элемента, например, вольфрама,

из пространственной решетки железа: 1 - пространственная решетка железа;

2 - внедренный атом углерода; 3 - легирующий элемент в твердом растворе

замещения; 4 - пространственная решетка выделившегося карбида

Присутствие углерода в расплаве железа изменяет темпера­туры превращения a-Fe -» g-Fe.

Углерод как важнейший легирующий элемент сильно влия­ет на механические и технологические свойства стали, такие как прочность на растяжение, предел текучести, относительное удлинение, твердость и сопротивляемость к износу, а также сваривае­мость и деформируемость.

Классификация сталей.

Укрупненно все марки сталей можно разбить на три класса: нелегированные (углеродистые) стали; легированные стали; стали и сплавы специального назначения.

Нелегированные стали - это стали, в которых содержание ле­гирующих элементов не превышает определенных границ (табл. 1).

Таблица 1

Верхняя граница содержания элементов в нелегированных (углеродистых) сталях

Элемент	Аl	Сr	Сu	Мn	Мо	Ni	Si	Ti	V	W
Верхняя граница содержа­ния, % (по массе)	0,3	0,3	0,4	1,65	0,08	0,30	0,60	0,05	0,10	0,30

Легированные стали (исключая коррозионно-стойкие) - это стали, содержание одного или нескольких легирующих элементов в которых превышает верхнюю границу нелегированных сталей.

Стали и сплавы специального назначения - это стали и сплавы с высоким содержанием легирующих элементов и обла­дающие особыми свойствами: коррозионно-стойкие, жаростойкие, кислотостойкие и др.

Внутри каждого класса стали подразделяются по способу производства, назначению, содержанию углерода, структуре и др.

В равновесном состоянии (после медленного охлаждения) твердость и хрупкость нелегированной стали увеличивается с по­вышением содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода называют мягкими, с высоким содержанием углерода -твердыми (табл. 2).

Таблица 2

Механические свойства нелегированных (углеродистых) сталей в зависимости от содержания углерода

Характеристика стали	Содержание углерода, %	Временное сопротивле­ние, sВ, Н/мм2	Предел текучести, sТ, Н/мм2	Относи­тельное удлинение, d5,%
Сверхмягкая	<0,15	320-400
Мягкая	0,15-0,20	450-500
Полумягкая	0,20-0,30	480-550
Полутвердая	0,30-0,40	500-680	280-330	21-17
Твердая	0,40-0,50	650-770	360-400	15-13
Очень твердая	0,50-0,60	740-860
Сверхтвердая	0,60-0,80	830-1050	-	9-5

В украинских стандартах каждая марка стали имеет обозна­чение, состоящее из букв и цифр. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Каждый элемент обозначают присвоенной ему буквой, а цифры после них отражают среднее содержание элемента в процентах.

Элемент	Мn	Si	Сr	Ni	Мо	W	Аl	Ti	N	V
Буква	Г	С	X	Н	М	В	Ю	Т	А	Ф

Пример 1. Сталь 30ХС содержит в среднем 0,30 % С, ~1 % Сr; ~ 1 % Si;

Пример 2. Коррозионно-стойкая сталь 08Х18Н10Т содержит < 0,08 % С, 18 % Сr, 10 % Ni, 0,5 % Ti (до 1%).

Чугуном называют сплав на основе железа с содер­жанием углерода более 2,14 % и другими элементами. Чугун об­ладает хорошими литейными свойствами и высокой износостой­костью, но является хрупким материалом, его нельзя ковать, он не выдерживает резких ударов. Чугун как конструкционный матери­ал используют в виде отливок (станины, блоки цилиндров, радиа­торы водяного отопления и др.). Однако основную массу чугуна перерабатывают в сталь.