Stal

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Ten artykuł dotyczy podstawowego pojęcia. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.
Spust roztopionej stali do czynnika chłodzącego
Piec martenowski do wytopu stali
Kształtowniki stalowe
Lina stalowa
Szkielet zbrojenia stalowego przygotowany do wykonania elementu żelbetowego
Patelnia ze stali nierdzewnej

Stalstop żelaza z węglem, plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie, o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,10%, co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla, cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali. Węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali; im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej – co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem – głównie węglików o bardzo wysokiej twardości.

Według obecnie[kiedy?] obowiązującej Polskiej Normy PN-EN 10020:2003 stal definiuje się jako materiał zawierający (masowo) więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka, o zawartości węgla w zasadzie mniejszej niż 2% i zawierający inne pierwiastki. Ograniczona liczba stali chromowych może zawierać więcej niż 2% C, lecz 2% jest ogólnie przyjętą wartością odróżniającą stal od żeliwa[1].

Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych zalicza się głównie metale, zwykle chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan. Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki i fosforu zwane są zanieczyszczeniami.

Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia (dawny proces) lub – w nowoczesnych instalacjach hutniczych – z wykorzystaniem pieców konwertorowych, łukowych i próżniowych, pozwalających na uzyskanie wysokiej jakości stali. Pierwotnym produktem hutniczym jest staliwo (np. w postaci kęsów, kęsisk lub kęsisk płaskich), które przerabiane jest na stal za pomocą obróbki plastycznej. Stalowe wyroby hutnicze to m.in. pręty okrągłe, kwadratowe lub sześciokątne, rury okrągłe, profile zamknięte i otwarte (płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, dwuteowniki), blachy.

Kryteria i podział stali[edytuj]

Ze względów praktycznych klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z PN-EN 10020:1996 według składu chemicznego oraz według ich zastosowania i własności mechanicznych lub fizycznych.

  • ze względu na stopień czystości:
    • zwykłej jakości
    • wyższej jakości
    • najwyższej jakości

Właściwości stali węglowej[edytuj]

Właściwości fizyczne[edytuj]

Właściwości mechaniczne i technologiczne[edytuj]

Są to parametry charakteryzujące przydatność stali w gospodarce. Ich wielkość uzależniona jest od składu stopu i obróbki. Podane poniżej wartości są charakterystyczne dla stali stosowanych w budownictwie.

  • Granica sprężystości określa maksymalne naprężenia, po ustąpieniu których materiał wraca do swoich pierwotnych wymiarów
  • Wytrzymałość na rozciąganie określana wielkością naprężenia wywołanego w przekroju próbki przez siłę powodującą jej zerwanie. Badane są także inne parametry określające naprężenia w próbkach stali, takie jak wytrzymałość na ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcenie. Podczas badania próbki stali na zerwanie określane są także:
    • naprężenie rozrywające, czyli rzeczywista wartość naprężenia w miejscu przewężenia rozciąganej próbki bezpośrednio przed jej zerwaniem (jest to wartość siły powodującej zerwanie w odniesieniu do przekroju zerwanej próbki w jej najwęższym miejscu);
    • wydłużenie względne, czyli procentowy przyrost długości zerwanej próbki w stosunku do jej początkowej długości,
    • przewężenie względne, czyli procentowe zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego zerwanej próbki w miejscu zerwania do jej przekroju pierwotnego.
  • Sprężystość rozumiana jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej postaci po zaprzestaniu działania na niego sił powodujących odkształcenie. W zakresie naprężeń sprężystych obowiązuje prawo Hooke’a. Sprężystość materiału określa:
    • współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga) E, który dla stali ma wartość w granicach od 205 do 210 GPa (gigapaskali)
    • moduł sprężystości poprzecznej G (moduł Kirchhoffa), który dla stali ma wartość 80 GPa
  • Plastyczność, czyli zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej na skutek naprężeń od obciążeń po zaprzestaniu ich działania. Są to odkształcenia trwałe, które powstają po przekroczeniu wartości tzw. granicy plastyczności, po przekroczeniu której następuje znaczny przyrost wydłużenia rozciąganej próbki, nawet bez wzrostu a często przy spadku wartości siły rozciągającej. Umownie przyjmuje się granicę plastyczności dla wartości naprężenia, przy którym trwałe wydłużenie próbki wynosi 0,2%.
  • Ciągliwość – zdolność materiału pozwalająca na zachowanie jego właściwości podczas obróbki polegającej na jego tłoczeniu, zginaniu lub prostowaniu itp. Właściwość ta wykorzystywana jest podczas produkcji wyrobów (np. blach trapezowych, ościeżnic itp.).
  • Udarność, czyli odporność na obciążenia dynamiczne
  • Twardość, czyli zdolność przeciwstawienia się materiału przy próbie wciskania przedmiotów twardszych. Stal jest tym twardsza, im więcej zawiera składnika twardego cementytu – czyli im większy jest procent węgla
  • Spawalność, to cecha stali pozwalająca na wykonanie trwałych połączeń przez spawanie
  • Odporność na działanie środowiska:
    • odporność na działanie podwyższonych i niskich temperatur
    • odporność na działanie czynników powodujących korozję chemiczną i atmosferyczną

Normy materiałowe[edytuj]

  • PN-EN 10020:2003. Definicje i klasyfikacja gatunków stali. Norma zawiera klasyfikację według składu chemicznego oraz ustalenia głównych klas jakościowych
  • PN-EN 10027-1:2005. Określa europejski system oznaczania stali obejmujący znaki i oznaczenia cyfrowe składające się z symboli głównych (według zastosowań, własności mechanicznych lub fizycznych, bądź według składu chemicznego) i symboli dodatkowych
  • PN-EN 10027-2:1994. Określa europejski system oznaczania stali obejmujący znaki i oznaczenia cyfrowe stali

Produkcja i zastosowanie[edytuj]

Produkcja w tys. ton[3]
Pozycja Państwo 1970 1980 1990 2000 2004
1 Chiny 20 000 40 918 66 349 127 236 272 450
2 Japonia 102 869 122 792 110 339 106 444 112 718
3 USA 131 514 100 800 89 726 101 824 99 681
4 Rosja 87 250 111 410 116 243 59 136 65 583
5 Korea Południowa 530 9434 23 125 43 107 47 521
6 Niemcy 55 219 56 379 43 981 46 376 46 374
7 Ukraina 32 810 41 898 43 715 31 782 38 738
8 Brazylia 5942 16 908 20 567 27 865 32 909
9 Indie 6722 10 387 15 313 26 924 32 626
10 Włochy 19 045 29 212 25 439 26 759 28 479
11 Francja 28 205 25 547 19 015 20 743 20 770
12 Turcja 1445 2796 9322 13 572 19 868
13 Tajwan 324 3767 9747 16 896 19 593
14 Hiszpania 8189 13 874 12 714 15 874 17 684
15 Meksyk 4278 7888 8726 15 631 16 730
16 Kanada 12 346 17 512 12 281 16 496 16 428
17 Wielka Brytania 31 213 12 432 17 908 15 155 13 766
18 Belgia 13 897 13 696 11 419 11 615 11 697
19 Polska 13 002 21 479 13 625 10 498 10 578
20 RPA 5244 9996 8619 8481 9504
21 Iran 0 1300 1425 6615 8990
22 Australia 7520 8371 6666 7297 7414
23 Czechy 8562 11 355 9996 6216 7033
24 Holandia 5558 5811 5412 5492 6848
25 Austria 4496 5097 4292 5722 6530

Stal znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. W światowej produkcji stali surowej, wynoszącej w 2001 r. ok. 850 mln ton, przodowały Chiny (152 mln ton; 17,88%), Japonia (100 mln ton; 11,76%), USA (90 mln ton; 10,58%), Rosja (60 mln ton; 7,06%), Niemcy (45 mln ton; 5,29%), Korea Południowa (45 mln ton; 5,29%), Ukraina (32 mln ton; 3,76%), Brazylia (27 mln ton; 3,18%), Włochy (27 mln ton; 3,17%) i Indie (27 mln ton; 3,17%). Polska, sklasyfikowana na 19 pozycji, wyprodukowała 9 mln ton stali (1,06%)[potrzebny przypis].

Produkcja stali w 2007 roku osiągnęła poziom 1346 mln ton[4], a w 2011 wynosiła 1527 mln ton, przy czym na Chiny przypadło 695,5 mln ton, tj. 45,5 proc[5]. W 2013 roku Chiny wyprodukowały już ponad połowę światowej produkcji stali[6]. W 2013 roku produkcja wyniosła 1607 mln ton. W 2014 roku produkcja wyniosła 1,665 mln ton, przodowały Chiny (822,7 mln ton; 49,41%), za nimi Japonia (110,7 mln ton; 6,65%), USA (88,2 mln ton; 5,30%), Indie (86,5 mln; 5,20%), Korea Południowa (71,5 mln ton; 4,29%) i Rosja także z produkcją na poziomie 71,5 mln ton; 4,29%. Polska, która w roku 2013 wyprodukowała 8 mln ton stali i zajęła 20 miejsce na świecie zwiększyła produkcję w 2014 roku do 8,6 mln ton, wskakując na miejsce 19, z którego zepchnęła Austrię, która zmniejszyła produkcję z 8 mln ton do 7,9 mln ton[7].

Najwięksi producenci stali (2009)[8]:

W budownictwie stanowi jeden z kilku podstawowych materiałów konstrukcyjnych. Najczęściej używane w tej dziedzinie gospodarki gatunki stali to ogólnego przeznaczenia i stale niskostopowe.

W pierwszej grupie najbardziej popularne to (oznaczone zgodnie z PN-88/H-84020) grupy o symbolach St0S, St3S i St4S. W grupie drugiej znajdują się stale:

  • o podwyższonej wytrzymałości 18G2, 18G2A i 18G2AV (PN-86/H-84018)
  • trudnordzewiejące 10HA, 10H, 12HIJA, 12PJA (PN-82/H-84017)
  • stale do produkcji rur R, R35, R45, 12X. Do produkcji rur używane są także stale 18G2A i St3S (PN-89/H-84023.7)

Do parametrów określających właściwości stali jako materiału należą charakterystyki fizyczne, mechaniczne i technologiczne.

Przykłady zastosowania stali:

  • karoseria samochodów
  • pokrycia dachu i elewacji
  • puszki do konserw
  • konstrukcje budowlane
  • kadłuby statków i platformy morskie

Zobacz też[edytuj]

Przypisy

  1. Norma PN-EN 10020:2003. Definicja i klasyfikacja gatunków stali. 2003-07-08.
  2. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83th ed.; s. 12-204; CRC Press LLC: Boca Raton, 2003.
  3. United States Geological Survey.
  4. Światowy rynek węgla koksowego.
  5. Rośnie światowa produkcja stali.
  6. Chiny wyprodukowały ponad połowę światowej stali.
  7. Polska zyskuje w rankingu producentów stali.
  8. Lista 30 największych producentów stali 2010.

Linki zewnętrzne[edytuj]