МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ Варьируя состав, можно получать стали с весьма различающимися свойствами - легированные, нержавеющие, инструментальные. Больше, чем всех других сортов, выплавляется углеродистой стали. Углеродистая сталь - это сплав железа с углеродом и марганцем. Как уже упоминалось, марганец добавляется для подавления вредного действия кислорода и серы, присутствующих в стали. Углеродом определяются механические свойства стали. Содержание углерода в стали может составлять от 0,1 до 1,2%. Сталь, содержащая 0,1-0,3% углерода, довольно прочна и достаточно пластична. Прокат такой стали в виде двутаврового профиля применяется в качестве строительных балок. Из тонкой листовой малоуглеродистой стали делают кузова автомобилей и консервные банки.
Одна из самых важных особенностей стали состоит в том, что ее свойства можно изменять в очень широком диапазоне простым изменением содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем больше ее предел прочности при растяжении, но тем меньше пластичность, т.е. деформация до разрушения. Нелегированная сталь со средним содержанием углерода пригодна для таких изделий, от которых требуются прочность и сопротивление износу, например для рельсов. Сталь, содержащая около 0,8% углерода, может быть закалена настолько, что это делает ее пригодной для изготовления режущих инструментов, таких, как сверла и ножи. Сталь с еще более высоким содержанием углерода служит материалом для бритвенных лезвий; она должна быть очень твердой и износостойкой, но от нее не требуется особой ударной вязкости.
Термообработка стали. Термообработкой можно существенно изменять механические свойства стали. Для некоторых применений ее нагревают, а затем закаливают быстрым охлаждением. В отожженном состоянии (т.е. после медленного охлаждения) сталь даже с высоким содержанием углерода достаточно пластична для того, чтобы можно было придать ей форму нужного инструмента или другого изделия. Затем ее обычно закаливают. При этом предел прочности стали может увеличиться в 10 раз, а пластичность - во столько же раз уменьшиться. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость после закалки. Закаленная специальная сталь пригодна для резания всех других металлов, кроме самых твердых.
В термообработке есть три важных момента. Сначала сталь нагревают до высокой температуры (обычно до красного каления, хотя марки с наивысшим содержанием углерода требуют нагрева до белого каления). За этим нагреванием следует быстрое охлаждение - закалка, - после чего сталь повторно нагревают, но теперь до сравнительно низкой температуры - "отпускают". При первом нагревании образуется твердый раствор углерода в железе. Если после такого нагрева сталь медленно охладить (отжиг), то растворенный углерод выпадет из раствора в виде частиц карбида углерода, в результате чего сталь останется довольно мягкой. При закалке же сталь охлаждается столь быстро, что карбид железа не успевает выделиться из раствора. Поскольку атомы углерода слишком велики для промежутков между атомами железа, кристаллическая структура закаленной стали оказывается сильно деформированной. Такая структура называется мартенситной; ей соответствуют крайне высокие твердость и хрупкость. Для уменьшения хрупкости закаленную сталь отпускают, т.е. нагревают до температуры 200-600? C, не достигающей температуры красного каления, и после некоторой выдержки снова охлаждают. При таком нагревании происходит частичное разложение мартенсита с выпадением из раствора избытка углерода. Чем выше температура отпуска, тем больше таких выделений и тем мягче (и пластичнее) сталь. Соответствующим отпуском можно получить любую степень твердости. Требуемая степень отпуска зависит от назначения стали. Например, если слишком сильно отпустить лезвие ножа, то оно будет быстро тупиться. Если же его недостаточно отпустить, то оно станет слишком хрупким и будет крошиться.
Самая ответственная часть термообработки - закалка. Она должна проводиться достаточно быстро, чтобы не произошло разложение твердого раствора углерода в железе, образовавшегося при повышенной температуре. Для этого сталь, нагретую до красного каления, можно опустить в холодную воду. Но быстро охладить можно лишь сравнительно небольшой объем стали. Удовлетворительная закалка нелегированной стали возможна только при толщине, не превышающей примерно 1,5 см, что существенно ограничивает возможности применения нелегированной стали в разного рода крупных станках и механизмах. Эта трудность отпадает при использовании легированных сталей.
Легированные стали. Если в сталь добавить несколько процентов никеля, хрома или молибдена, то ее можно закалить до мартенситного состояния при гораздо меньшей скорости охлаждения, чем требуется для нелегированной стали. Дело в том, что твердый раствор, например, никеля и углерода в железе при охлаждении разлагается значительно медленнее раствора одного углерода в железе. Благодаря этому возможна полная закалка массивных изделий из легированной стали. Дополнительные легирующие элементы привносят и другие преимущества. Они повышают прочность и ударную вязкость стали, улучшают высокотемпературные прочностные характеристики. Состав, свойства и применения ряда типичных легированных сталей представлены в таблице. Легированные стали широко применяются в машиностроении.
Стальные конструкции. Благодаря низкой стоимости и свойствам, нередко превосходящим свойства других материалов, сталь - это металл самого широкого применения. Поэтому даже форма и внешний вид очень многих вещей, с которыми мы встречаемся повседневно, в значительной мере определяются прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью стали и чугуна. Чугунные и стальные элементы зданий, оград и мостов могут служить прекрасным примером тесной связи между свойствами материала и дизайном. Пожалуй, больше всего сталь изменила внешность городов высотными зданиями - строениями, которые лишь благодаря стали или бетону, армированному сталью, способны нести тяжесть заполняющих каркас навесных стен из каменной кладки, листового металла и стекла.
Сталь сохраняет свое доминирующее положение в строительстве и машиностроении не только благодаря сочетанию низкой стоимости и высоких механических характеристик, но и потому, что в сталеплавильной промышленности были разработаны легированные стали с существенно улучшенными свойствами. Это уже отмечалось, когда речь шла о нержавеющих и быстрорежущих сталях. Создание же мартенситностареющей стали, полностью упрочняемой без закалки, и стойкой к атмосферной коррозии конструкционной стали, которая крайне медленно ржавеет с образованием защитного наружного слоя, делающего ненужной покраску, - это гарантия того, что сталь и впредь будет сохранять свое значение в жизни людей. См. также РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ; СПЛАВЫ; МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ; МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ; МЕТАЛЛОВ ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ; МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА; ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ.