Сталь (польськ. stal, від йому.(німецький) Stahl), сплав заліза, що деформується (ковкий), з вуглецем (до 2%) і ін. елементами. С. — найважливіший продукт чорній металургії, що є матеріальною основою практично всіх галузей промисловості. Масштаби виробництва С. в значній мірі характеризують техніко-економічний рівень розвитку держави.
Історична довідка. С. як матеріал, використовуваний людиною, має багатовікову історію. Найбільш древній спосіб здобуття С. в тістоподібному стані — сиродутний процес, в основі якого лежало відновлення заліза з руд деревним вугіллям в горнах (пізніше в невеликих шахтних печах). Для здобуття литий С. древні майстри застосовували плавку тигля — розплавлення дрібних шматків С. і чавуну у вогнетривких тиглях. Тигель С. характеризувалася вельми високою якістю, але процес був дорогим і малопродуктивним. В такий спосіб виготовляли, зокрема, булат і його різновид — дамаську сталь . Процес тигля проіснував до почала 20 ст і був повністю витиснений електроплавленням. У 14 ст виник крічний переділ, що полягав в рафінуванні заздалегідь отриманого чавуну В т. н. крічном горні (двохстадійний процес із здобуттям чавуну і подальшим переділом його в С. є основою і сучасних схем виробництва С.). В кінці 18 ст почало застосовуватися пудлінгування, при якому, як і при крічном переділі, вихідним матеріалом був чавун, а продуктом — тістоподібний метал (криця ) якість металу при цьому була вища, а сам процес характеризувався вищою продуктивністю. Пудлінгування зіграло важливу роль в розвитку техніки, проте забезпечити всі зростаючі потреби суспільства в С. не могло. Лише з появою в 2-ій половині 19 ст бессемерівського процесу і мартенівського процесу (див. Мартенівське виробництво ), а потім і томасовського процесу стало можливим масове виробництво литий С. В кінці 19 ст почала застосовуватися виплавка С. в електричних печах (див. Електросталеплавильне виробництво ). До середини 20 ст очолююче положення серед способів виробництва С. займав мартенівський процес, на долю якого доводилося близько 80% що виплавляється в світі С. В 50-х рр. був упроваджений киснево-конвертерний процес, причому в подальші роки його роль різко зросла. Поряд з вказаними способами масового виробництва С. розвиваються дорожчі і менш продуктивніші способи, що дозволяють отримувати особливо чистий метал високої якості: вакуумна дугова плавка (див. Дугова вакуумна піч ), вакуумна індукційна плавка, електрошлакова переплавка, електроннопроменева плавка, плазмова плавка (див. Плазмова металургія ).
Структура і властивості стали. До С. як найважливішому матеріалу сучасної техніки пред'являються всілякі вимоги, що обумовлює велике число марок С., що відрізняються по хімічному складу, структурі властивостям. Основний компонент С. — залізо. Властивий залізу поліморфізм, тобто здатність кристалічної решітки міняти свою будову при нагріві і охолоджуванні, властивий і С. Для чистого заліза відомі 2 кристалічних решітки — кубічна об'емноцентрірованная (а-залізо, при вищих температурах d-залізо) і кубічна гранецентрована (g-залізо). Температури переходу однієї модифікації залоза в іншу (910 °С і 1400 °С) називаються критичними крапками. Вуглець і ін. компоненти і домішки С. міняють положення критичних крапок на температурній шкалі. Взаємодія вуглецю з модифікаціями заліза приводить до освіти т.з. твердих розчинів . Розчинність вуглецю в а-залозі вельми мала; цей розчин називається феритом . У g-залізі, що існує при високих температурах, розчиняється практично весь вуглець, в С, що міститься. (межа розчинності вуглецю в g-залозі 2,01%); розчин, що утворюється, називається аустенітом . Вміст вуглецю в С. завжди перевищує його розчинність в а-залозі; надлишковий вуглець утворює із залізом хімічну сполуку — карбід заліза Fe 3 C, або цементіт . Т. о., при кімнатній температурі структура С. складається з часток фериту і цементіта, присутніх або у вигляді окремих включень (т.з. структурно-вільного фериту і цементіта), або у вигляді тонкої механічної суміші, званої перлитом . Загальні відомості про температурні і концентраційні кордони існування фаз (фериту, цементіта, перлиту і аустеніту) дає діаграма стану сплавів Fe — З (див. Залізовуглецеві сплави ).
Для фериту характерні відносно низька міцність і твердість, але високі пластичність і ударна в'язкість. Цементіт крихкий, але вельми твердий і готується. Перлит володіє коштовним поєднанням міцності, твердості, пластичності і в'язкості. Співвідношення між цими фазами в структурі С. визначається головним образом вмістом в ній вуглецю; різні властивості цих фаз і обумовлюють різноманіття властивостей С. Так, С., що містить ~0,1% З (у її структурі переважає ферит), характеризується великою пластичністю; С. цього типа використовується для виготовлення тонких листів, з яких штампують частини автомобільних кузовів і ін. деталей складної форми. С., в якій міститься ~0,6% З, має зазвичай перлитову структуру; володіючи підвищеною твердістю і міцністю при достатній пластичності і в'язкості, така С. служить, наприклад, матеріалом для ж.-д.(железнодорожний) рейок, коліс, осей. Якщо С. містить близько 1% З, в її структурі поряд з перлитом присутні частки структурно-вільного цементіта; ця С. в загартованому вигляді має високу твердість і застосовується для виготовлення інструменту. Діапазон властивостей С. розширюється за допомогою легування, а також термічної обробки, химіко-термічної обробки, термомеханічної обробки металу. Так, при гарту С. утворюється метастабільна фаза мартенсіт — пересичений твердий розчин вуглецю в а-залозі, що характеризується високою твердістю, але і великою крихкістю; поєднуючи гарт з відпусткою, можна додати С. необхідне поєднання твердості і пластичності.
Класифікація сталей. В сучасній металургії С. виплавляють головним чином з чавуну і сталевого лому. За типом сталеплавильного агрегату (кисневий конвертер, мартенівська піч, електрична дугова піч) С. називається киснево-конвертерною, мартенівською або електросталлю. Крім того, розрізняють метал, виплавлений в основній або кислій (по характеру футерування) печі; С. при цьому називається відповідно основній або кислій (наприклад, кисла мартенівська С.).
По хімічному складу С. діляться на вуглецевих і легованих. Вуглецева сталь поряд з Fe і З містить Mn (0,1—1,0%) і Si (до 0,4%), а також шкідливі домішки — S і Р; ці елементи потрапляють в С. у зв'язку з технологією її виготовлення (головним чином з шихтових матеріалів). Залежно від вмісту З розрізняють низковуглецеву (до 0,25% З), середньовуглецеву (0,25—0,6% З) і високовуглецеву (більше 0,6% З) С. До складу легованих сталей, окрім вказаних компонентів, входять т.з. легуючі елементи (Cr, Ni, Мо, W, V, Ti, Nb, Zr, З і ін.), які навмисно вводять в С. для поліпшення її технологічних і експлуатаційних характеристик або для додання їй особливих властивостей; легуючими елементами можуть служити також Mn (при вмісті більше 1%) і Si (більше 0,8%). По мірі легування (т. с. по сумарному вмісту тих, що легують елементів) розрізняють низьколеговані (менше 2,5%), середньолеговані (2,5—10%) і високолеговані (більше 10%) С. Легированниє С. часто називаються по переважаючих в ній компонентам (наприклад, вольфрамова, високохромиста, хромомолібденова, хромомарганцевоникельовая, хромоникелемолібденованадієвая).
За призначенням С. ділять на наступні основні групи: конструкційні, інструментальні і С. з особливими властивостями. Конструкційні стали застосовують для виготовлення будівельних конструкцій, деталей машин і механізмів, суднових і вагонних корпусів, парових казанів і ін. виробів. Конструкційні С. можуть бути як вуглецевими (до 0,7% З), так і легованими (основні легуючі елементи — Cr і Ni). Назва конструкційною С. може відображати її безпосереднє призначення (котельна, клапанна, ресорно-пружинна, суднобудівельна гарматна, снарядна, броньова і т.д.). Інструментальні стали служать для виготовлення різців, фрез, штампів, калібрів і ін. ріжучого, ударно-штампового і мерітельного інструменту. С. цієї групи також можуть бути вуглецевими (зазвичай 0,8—1,3% З) або легованими (головним чином Cr, Mn, Si, W, Мо, V). Серед інструментальних С. широкого поширення набула швидкорізальна сталь . До С. з особливими фізичною і хімічною властивостями відносяться електротехнічні стали, неіржавіючі стали, кислотостійкі, окалиностійкі, жароміцні, С. для постійних магнітів і ін. Для багатьох С. цієї групи характерний низький вміст вуглецю і висока міра легування.
За якістю С. зазвичай підрозділяють на звичайних (рядовиє), якісних, високоякісних і особливо високоякісних. Відмінність між ними полягає в кількості шкідливих домішок (S і Р) і неметалічних включення . Так, в деяких С. звичайної якості допускається вміст S до 0,055—0,06% і Р до 0,05—0,07% (виключення складає автоматна сталь, що містить до 0,3% S і до 0,16% Р), у якісних — не більше 0,035% кожного з цих елементів, у високоякісних — не більше 0,025%, в особливо високоякісних — менше 0,015% S. Сірка знижує механічні властивості С., є причиною червоноламкості, тобто крихкості в гарячому стані, фосфор підсилює холодноламкість — крихкість при знижених температурах.
По характеру застигання металу у виливниці розрізняють спокійну, напівспокійну і киплячу С. Поведеніє металу при кристалізації обумовлено мірою його раськисленності: чим повніше видалений з С. кисень, тим спокійніше протікає процес твердіння; при розливанні що малорозкислює С. у виливниці відбувається бурхливе виділення бульбашок окислу вуглецю — С. як би «кипить». Напівспокійна С. займає проміжне положення між спокійною і киплячою С. Каждий з цих видів металу має достоїнства і недоліки; вибір технології розкислювання і розливання С. визначається її призначенням і техніко-економічними показниками виробництва.
Маркіровка сталей. Єдиної світової системи маркіровки С. не існує. У СРСР проведена велика робота по уніфікації позначень різних марок С., що знайшло віддзеркалення в державних стандартах і технічних умовах. Марки вуглецевою С. звичайної якості позначаються буквами Ст і номером (Ст0, Ст1, Ст2 і т.д.). Якісні вуглецеві С. маркіруються двозначними числами, що показують середній вміст З в сотих долях відсотка: 05, 08, 10, 25, 40 і т.д. Спокійну С. інколи додатково позначають буквами сп, напівспокійну — пс, киплячу, — кп (наприклад, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марці С. вказує на підвищений вміст Mn (наприклад, 14Г, 18Г). Автоматні С. маркіруються буквою А, вуглецеві інструментальні С. — буквою В (У8, У10, У12 і т.д. — тут цифри означають вміст С. в десятих долях відсотка).
Позначення марки легованою С. складається з букв, вказуючих, які компоненти входять в її склад, і цифр, що характеризують їх середній вміст. У СРСР прийняті єдині умовні позначення хімічного складу С.: алюміній — Ю, бор — Р, ванадій — Ф, вольфрам — В, кобальт — До, кремній — З, марганець — Г, мідь — Д, молібден — М-код, нікель — Н, ніобій — Би, титан — Т, вуглець — В, фосфор — П, хром — Х, цирконій — Ц. Первиє цифри марки позначають середній вміст З (у сотих долях відсотка для конструкційних С. і в десятих долях відсотка для інструментальних і неіржавіючих С.); потім буквою вказаний легуючий елемент і цифрами, наступними за буквою, - його середній вміст. Наприклад, С. марки 3Х13 містить 0,3% З і 13% Cr, С. марки 2X17H2 — 0,2% З, 17% Cr і 2% Ni. При вмісті легуючого елементу менше 1,5% цифри за відповідною буквою не ставляться: так, С. марки 12ХН3А містить менше 1,5% Cr. Буква А в кінці позначення марки вказує на те, що С. є високоякісною, буква Ш — особливо високоякісною. Позначення марки деяких легованих С. включає букву, вказуючу на призначення С. (наприклад, ШХ9 — шарікоподшипниковая С. з 0,9—1,2% Cr; Е3 — електротехнічна С. з 3% Si). С., проходящие промислові випробування, часто маркірують буквами ЕІ або ЕП (завод «Електросталь»), ДІ (завод «Днепроспецсталь») або ЗІ (Златоустовський завод) з відповідним черговим номером (ЕІ268). Див. також Металургія, Сталеплавильне виробництво .
Літ.: Сталеплавильне виробництво. Довідник, під ред. А. М. Самаріна, т. 1—2, М., 1964; Меськин Ст C., Основи легування стали, 2 видавництва, М., 1964; Гудремон Е., Спеціальні стали, пер.(переведення) з йому.(німецький), 2 видавництва, т. 1—2, М., 1966; Дреге Ст, Сталь як конструкційний матеріал, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1967; Гуляєв А. П., Чиста сталь, М., 1975.
С. І. Венецкий.
Сталь в мистецтві. В середні віки славилися арабська зброя і зброя з С. з плоскими узорами і написами, виконаними гравіруванням або насічкою . Ці прийоми декоріровки зброярі середньовічної Європи доповнили чеканкою, наведенням і поліровкою. З 16 ст в обробці годинника, наукових приладів і інструментів з'являється стійка до корозії дзеркальна поліровка, використання якої послужило стимул-реакцією для випуску побутових виробів з С. В 18 — початку 19 вв.(століття) естетичні властивості С. найяскравіше розкрилися у виробах майстрів Тульського збройового заводу (меблі, дзеркала, самовари, камінні екрани і т.п.). Як вигляд народної творчості відома з середини 19 ст златоустовськая гравюра на С. В радянському мистецтві С. знайшла вживання в облицюванні інтер'єрів, а також в скульптурі (Ст І. Мухина, «Робітник і колгоспниця», див.(дивися) ілл. ).
