Мир начал обретать привычные очертания и скорости, когда во второй половине XIX века появились промышленные способы массово выплавлять сталь — основной каркасный элемент любой конструкции: от моста до корабля, от небоскребов до туннелей метро. Инженерные задачи требуют от металла разных свойств: сверхвысокой прочности, стойкости к воздействию внешней среды или, например, легкости в сварке или соединении с другими металлами.

На рынке есть стали с этими свойствами. Однако в текущих условиях России нужно учиться производить их самостоятельно. И для решения этой задачи требуется серьезная научная работа. Вместе с «Уральской Сталью» рассказываем, как получить сталь с необходимыми характеристиками.

От чего зависят свойства стали

Состав

Идеально чистое железо — относительно мягкий металл. Однако даже небольшое количество углерода в составе (менее 2,14 процента) превращает его в прочную сталь.

Дело в том, что в чистом железе, как в любом другом металле, присутствуют дислокации. Это частичные сдвиги слоев атомов, которые могут скользить в металле буквально со скоростью звука. Именно дислокации делают железо мягким.

Углерод, находящийся в стали в виде твердого раствора, замедляет это движение и делает сталь прочнее железа. В то же время избыток углерода делает металл более хрупким. Аналогичным образом действуют некоторые другие легирующие добавки, например никель.

Структура

В производстве стали, как и в кулинарии, важен не только состав, но и способ «приготовления»: температура расплава, скорость охлаждения, механическая обработка — горячая или холодная. Все это влияет на фазовый состав и микроструктуру стали, во многом определяющую ее свойства.

В зависимости от температуры сталь может находиться в разных фазовых состояниях. Они отличаются друг от друга кристаллической решеткой, плотностью упаковки и способностью растворять в себе углерод. Например, при комнатной температуре железо находится в α-форме, в которой много углерода не растворить — всего 0,005 процента при 0 ℃. Углерод с железом при этом образуют относительно мягкий феррит. Выше 910 ℃ железо еще не расплавлено, но переходит в менее плотную γ-форму. В ней можно растворить больше углерода. Эта фаза стали называется «аустенит».

При охлаждении, в зависимости от скорости понижения температуры и количества углерода в составе, результат будет разным.

Избыток углерода может химически связаться с железом, образуя карбид железа, который кристаллизуется и создает твердый и хрупкий материал — слоистые структуры из мягкого феррита и твердого карбида. Если толщина слоев невелика, они упрочняют сталь, так как не дают слоям металла скользить.

Если охладить сталь резко, как происходит при закалке, образуется новая фаза — мартенсит. В таком случае ее решетка объемнее прежних, а при расширении образуется множество дефектов, которые тормозят сдвиги. Материал получится очень твердый и хрупкий, со множеством напряжений.

Легирующие добавки делают картину еще сложнее и разнообразнее.