Stal jest stopem, połączeniem metalu z żelaza i węgla. Zawartość węgla w stali sięga maksymalnie 1,5 proc. Ze względu na swoją twardość i wytrzymałość stal jest wykorzystywana do budowy budynków, mostów, samochodów i wielu innych zastosowań produkcyjnych i inżynieryjnych.
Większość produkowanej obecnie stali to zwykła stal węglowa lub po prostu stal węglowa. Węgiel w stali występuje w postaci węglika żelaza. Obecne są również inne pierwiastki, w tym siarka, fosfor, mangan i krzem.
Zawartość węgla w stali
Stal węglowa jest definiowana jako stal, która ma swoje właściwości głównie dzięki zawartości węgla i nie zawiera więcej niż 0,5 proc. krzemu i 1,5 proc. manganu. Zwykłe stale węglowe, które zawierają od 0,06 procent węgla do 1,5 procent węgla, dzielą się na cztery typy:
- Martwa stal miękka, do 0,15 procent węgla
- Stal niskowęglowa lub miękka, od 0,15% do 0,45% węgla
- Stal średniowęglowa, od 0,45% do 0,8% węgla
- Stal wysokowęglowa, od 0,8% do 1,5% węgla
Stale te stają się coraz bardziej miękkie i twardsze, ale mają również tendencję do zwiększania kruchości. Pierwszy typ stosowany jest w karoserii samochodowej. Drugi typ znajduje się w szynach i produktach szynowych, takich jak sprzęgła, wały korbowe, osie, koła zębate i odkuwki. Trzeci typ stosowany jest w narzędziach skrawających i liniach kolejowych, a ostatni typ stosowany jest w tłokach i cylindrach.
Podstawowe właściwości fizyczne stali
Stal ma gęstość 7850 kg/m3, dzięki czemu jest 7,85 razy gęstszy od wody. Jego temperatura topnienia 1510 C jest wyższa niż większości metali. Dla porównania, temperatura topnienia brązu wynosi 1040 C, miedzi 1083 C, żeliwa 1300 C, a niklu 1453 C. Wolfram topi się jednak w temperaturze 3410 C, co nie jest zaskakujące, ponieważ pierwiastek ten jest używany we włóknach żarówek.
Współczynnik rozszerzalności liniowej stali w temperaturze 20 C, w µm na metr na stopień Celsjusza, wynosi 11,1, co sprawia, że więcej odporny na zmianę rozmiaru przy zmianach temperatury niż np. miedź (16,7), cyna (21,4) i ołów (29.1).
Stal nierdzewna
Stale nierdzewne są wykorzystywane w budownictwie, gdzie odporność na korozję jest głównym atutem, podobnie jak w przypadku noży, które muszą zachować ostrą krawędź. Innym częstym powodem stosowania stali nierdzewnych są ich właściwości w wysokich temperaturach. W niektórych projektach odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze jest absolutnym wymogiem, podczas gdy w innych wytrzymałość w wysokiej temperaturze jest podstawową potrzebą.
Dodatki do stali
Niewielkie ilości innych metali dodawane do stali zmieniają jej właściwości w sposób korzystny dla niektórych zastosowań przemysłowych. Na przykład kobalt powoduje wyższą przepuszczalność magnetyczną i jest stosowany w magnesach. Mangan dodaje wytrzymałości i twardości, a produkt nadaje się do ciężkich przejazdów kolejowych. Molibden zachowuje swoją wytrzymałość w wysokich temperaturach, więc ten dodatek jest przydatny przy wytwarzaniu końcówek wierteł do wierteł szybkich. Nikiel i chrom są odporne na korozję i są zwykle dodawane do produkcji stalowych narzędzi chirurgicznych.