Rodzaje stali: właściwości, zastosowania i klasyfikacja

Stal to jeden z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych współczesnego świata, a różnorodność jej rodzajów pozwala na zastosowanie w niemal każdej gałęzi przemysłu. Stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, przeznaczony na wyroby i półwyroby przerabiane plastycznie, jakim jest stal, charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami wytrzymałościowymi stali, które można modyfikować zmieniając skład chemiczny i proces obróbki plastycznej, cieplnej lub cieplno-chemicznej. Poznanie różnic między gatunkami stali, jej twardość stali oraz zjawiskiem korozji stali nierdzewnej jest niezbędne dla właściwego doboru materiału do konkretnych zastosowań.

Podstawowe klasyfikacje stali

Stal można klasyfikować na wiele sposobów, a każda klasyfikacja dostarcza istotnych informacji o właściwościach i potencjalnych zastosowaniach materiału. Najczęściej stosowany podział opiera się na składzie chemicznym, zawartości węgla oraz przeznaczeniu. Klasyfikacja ta pozwala inżynierom i projektantom precyzyjnie dobierać odpowiedni gatunek do różnych zastosowań.

Ze względu na skład chemiczny wyróżniamy trzy główne typy stali:

• Stale niestopowe (węglowe)
• Stale odporne na korozję
• Inne stale stopowe

Stale węglowe (niestopowe) – charakterystyka i zastosowanie

Stal węglowa charakteryzuje się zawartością węgla do 2,11%. Stanowi ona około 90% całkowitej produkcji stali na świecie. Cechuje ją matowy wygląd i podatność na korozję, ale dzięki swojej wytrzymałości jest powszechnie stosowana w budownictwie i przemyśle.

W zależności od zawartości węgla, stal niestopową dzielimy na:

1. Stal niskowęglowa – zawiera do 0,3% węgla, cechuje się wysoką elastycznością i łatwością w obróbce
2. Stal średniowęglowa – zawiera od 0,3% do 0,6% węgla, oferując balans między wytrzymałością a plastycznością
3. Stal wysokowęglowa – zawiera od 0,6% do 1% węgla, jest najtwardsza i najbardziej odporna na ścieranie

Stale odporne na korozję – odporność na korozję i typy

Stal odporna na korozję zawiera do 1,2% węgla oraz minimum 10,5% chromu, który tworzy cienką warstwę pasywną chroniącą przed korozją. Ta warstwa ma zdolność do samoregeneracji, zapewniając długotrwałą ochronę materiału. W przeciwieństwie do stali niestopowej, która koroduje równomiernie, stal nierdzewna nie ulega korozji ogólnej w środowiskach wilgotnych.

Stale odporne na korozję można podzielić na kilka głównych grup, w zależności od ich struktury i składu chemicznego:

• Stale nierdzewne:

1.      austenityczne – zawierają wysoką ilość chromu i niklu, co zapewnia doskonałą odporność na korozję i dobrą plastyczność.
2.      ferrytyczne – mają niższą zawartość niklu, ale są bardziej odporne na korozję w środowiskach utleniających.
3.      martenzytyczne – charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną, ale są mniej odporne na korozję niż stale austenityczne.
4.      ferrytyczno-austenityczne (duplex) – łączą cechy stali ferrytycznych-austenitycznych, oferując wysoką wytrzymałość i odporność na korozję.

• Stale żaroodporne – odporne na działanie wysokich temperatur i utlenianie.
• Stale żarowytrzymałe – stosowane w warunkach ekstremalnych obciążeń mechanicznych i wysokich temperatur.

Mimo nazwy „nierdzewna”, ten typ stali także może ulec korozji w określonych warunkach. Wyróżniamy kilka głównych rodzajów korozji stali nierdzewnej:

• Korozja wżerowa – lokalne ubytki materiału powodowane jonami chlorkowymi
• Korozja szczelinowa – występuje w szczelinach konstrukcji
• Korozja naprężeniowa – powstaje przy jednoczesnym działaniu czynników korozyjnych i naprężeń
• Korozja międzykrystaliczna – zachodzi na granicy ziaren metalu
• Korozja mikrobiologiczna – wywołana przez mikroorganizmy gromadzące się w nierównościach powierzchni

Inne stale stopowe – właściwości i wykorzystanie

Stal stopowa powstaje poprzez dodanie do stopu żelaza z węglem innych pierwiastków w ilości od kilku do kilkudziesięciu procent. Najczęstsze dodatki to mangan, chrom, wanad, nikiel i wolfram. Proces ten pozwala na precyzyjne projektowanie właściwości stali, dostosowując je do konkretnych zastosowań.

Dodatkowe pierwiastki w stali stopowej pozwalają na:

• Podwyższenie hartowności stali
• Uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych
• Zmianę struktury stopu
• Ułatwienie obróbki termicznej
• Nadanie stali nowych właściwości chemicznych i fizycznych

Stal konstrukcyjna i jej odmiany

Stal konstrukcyjna jest podstawowym materiałem w budownictwie i przemyśle maszynowym. Jej głównym zadaniem jest przenoszenie obciążeń mechanicznych, dlatego kluczowe są jej parametry wytrzymałościowe. Właściwości stali, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcenie decydują o szerokim zastosowaniu tego materiału.

Wyróżniamy kilka typów stali konstrukcyjnej:

• Stal ogólnego przeznaczenia – do konstrukcji bez ściśle określonych parametrów
• Stal konstrukcyjna wyższej jakości – o dokładnie ustalonych proporcjach węgla i manganu
• Stal konstrukcyjna niskostopowa – wyróżnia się wytrzymałością i odpornością na korozję
• Stal do nawęglania – cechuje się dużą ciągliwością i twardością powierzchni9

Specjalne gatunki stali

Obok podstawowych typów stali istnieją gatunki specjalne, posiadające unikalne właściwości. Ich produkcja wymaga zaawansowanych procesów technologicznych, co wpływa na wyższą cenę. Charakteryzują się one dużą ilością dodatków stopowych i wymagają skomplikowanej obróbki cieplnej.

Do najważniejszych gatunków stali specjalnych zaliczamy:

• Stal narzędziowa – o wysokiej zawartości węgla i dodatków stopowych, używana do produkcji narzędzi
• Stal kwasoodporna – odporna na działanie większości kwasów, z wyjątkiem najsilniejszych
• Stal żarowytrzymała i żaroodporna – odporna na działanie wysokich temperatur i gazów utleniających
• Stal magnetyczna – o niskiej zawartości węgla, wykazująca właściwości ferromagnetyczne
• Stal odporna na zużycie – o wysokiej zawartości węgla i manganu, wyjątkowo twarda

Właściwości mechaniczne i technologiczne stali

Stal posiada szereg właściwości, które decydują o jej przydatności w różnych zastosowaniach. O właściwościach stali w dużej mierze decydują: procentowa zawartość węgla, składniki stopowe oraz obróbka cieplna. Zastosowanie dodatków pozwala otrzymać stal o konkretnych cechach dostosowanych do wymagań projektu.

Do najważniejszych cech stali należą:

• Wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie
• Sprężystość – zdolność do odzyskiwania pierwotnej postaci
• Plastyczność – zachowanie odkształconej postaci
• Ciągliwość – podatność na obróbkę plastyczną
• Twardość – odporność na ścieranie
• Udarność – odporność na obciążenia dynamiczne
• Odporność na działanie środowiska

Najczęściej zadawane pytania o rodzajach stali

Czym różni się stal węglowa od stali stopowej?

Stal węglowa zawiera głównie żelazo i węgiel, podczas gdy stal stopowa zawiera dodatkowo znaczące ilości innych pierwiastków, które nadają jej specjalne właściwości.

Czy stal nierdzewna może rdzewieć?

Tak, mimo nazwy „nierdzewna”, ten typ stali także może ulec korozji w określonych warunkach, szczególnie przy ekspozycji na środowiska bogate w chlorki, wysokie temperatury czy w przypadku uszkodzenia warstwy pasywnej.

Jaki rodzaj stali jest najlepszy do konstrukcji budowlanych?

Do konstrukcji budowlanych najczęściej wykorzystuje się stale konstrukcyjne niskostopowe, które oferują dobry balans między wytrzymałością, odpornością i ceną.

Jak rozpoznać różne rodzaje stali?

Stal nierdzewna ma zazwyczaj błyszczącą powierzchnię, podczas gdy stal węglowa jest matowa, jednak dokładne określenie typu wymaga analizy chemicznej lub badania właściwości fizycznych.

Która stal jest najbardziej odporna na korozję?

Najbardziej odporne są wysokostopowe stale nierdzewne zawierające duże ilości chromu, niklu i molibdenu, takie jak stal typu 316L.

Znaczenie doboru odpowiedniego gatunku stali

Różnorodność rodzajów stali sprawia, że jest to materiał niezwykle wszechstronny, znajdujący zastosowanie w niemal każdej dziedzinie życia. Od prostych stali węglowych, przez zaawansowane stale stopowe, aż po wyspecjalizowane gatunki stali nierdzewnej – każdy typ posiada unikalne właściwości. Dobra znajomość rodzajów stali pozwala na optymalny dobór materiału, co przekłada się na trwałość, bezpieczeństwo i efektywność gotowych produktów i konstrukcji.