Stal

Spust roztopionej stali do czynnika chłodzącego
Piec martenowski do wytopu stali
Kształtowniki stalowe
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 2,11%, 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 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 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

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

Właściwości fizyczne

Właściwości mechaniczne i technologiczne

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

  • 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

Produkcja stali w tys. ton[3]
PozycjaPaństwo19701980199020002004
1Chiny20 00040 91866 349127 236272 450
2Japonia102 869122 792110 339106 444112 718
3USA131 514100 80089 726101 82499 681
4Rosja87 250111 410116 24359 13665 583
5Korea Południowa530943423 12543 10747 521
6Niemcy55 21956 37943 98146 37646 374
7Ukraina32 81041 89843 71531 78238 738
8Brazylia594216 90820 56727 86532 909
9Indie672210 38715 31326 92432 626
10Włochy19 04529 21225 43926 75928 479
11Francja28 20525 54719 01520 74320 770
12Turcja14452796932213 57219 868
13Tajwan3243767974716 89619 593
14Hiszpania818913 87412 71415 87417 684
15Meksyk42787888872615 63116 730
16Kanada12 34617 51212 28116 49616 428
17Wielka Brytania31 21312 43217 90815 15513 766
18Belgia13 89713 69611 41911 61511 697
19Polska13 00221 47913 62510 49810 578
20RPA52449996861984819504
21Iran01300142566158990
22Australia75208371666672977414
23Czechy856211 355999662167033
24Holandia55585811541254926848
25Austria44965097429257226530

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%).

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]. W 2015 roku produkcja wyniosła 1,623 mln ton i była niższa o 2,8 proc. w porównaniu z rokiem poprzednim[8], a w 2016 roku produkcja wyniosła 1,629 mln ton co oznacza wzrost o 0,8 proc. do roku ubiegłego[9]

Najwięksi producenci stali (2009)[10]:

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.

Zastosowanie

Stal znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. Jednym z zastosowań stali są konstrukcje budowlane. Stal używana jest w samochodach, okrętach i rakietach kosmicznych. Przykłady zastosowania stali:

  • karoseria samochodów
  • pokrycia dachu i elewacji
  • puszki do konserw
  • konstrukcje budowlane
  • kadłuby statków i platformy morskie
  • wyroby stalowe: blachy, profile stalowe, pręty, taśmy, śruby, gwoździe, kable, druty
  • części maszyn
  • infrastruktura sieciowa, trakcyjna, kolejowa,
  • instalacje elektryczne
  • stolarka okienna i drzwiowa, w szczególności antywłamaniowa, przeciwpożarowa i typu loftowego[11][12]

Zobacz też

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. Produkcja stali w Polsce rośnie. Jesteśmy światowym ewenementem
  9. Wzrosła produkcja stali na świecie
  10. Lista 30 największych producentów stali 2010.
  11. Drzwi loftowe Warszawa, ścianki loftowe, meble loftowe | Steel and Loft, Drzwi loftowe, ścianki loftowe, meble loftowe-SteelandLoft [dostęp 2021-03-11] (pol.).
  12. Drzwi Loftowe - Meble Industrialne - Meble Loftowe, Loft & Design [dostęp 2021-05-08] (pol.).

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie

Siemens Martin Ofen Brandenburg.jpg
Autor: Clemens Sterz, Licencja: CC BY 2.5
The Siemens-Martin-Oven in Brandenburg/Havel, Germany. The oven is nowadays a part of Brandenburg's Museum of Industry.
Allegheny Ludlum steel furnace.jpg
White-hot steel pours like water from a 35-ton electric furnace, Allegheny Ludlum Steel Corp., Brackenridge, Pa.
Balk9.jpg
Autor: Anders Lagerås, Licencja: CC BY-SA 2.5
Stålprofiler