خصائص واستخدامات الحديد

الهياكل المصنوعة بشكل رئيسي أو إلى حد كبير من المواد المعروفة باسم الصلب قد تكون فقط من أبرز الإضافات البشرية إلى المناظر الطبيعية للأرض.

إذا تم نقل كل الحياة على الأرض في مكان آخر ، وحدثت مجموعة من الفضائيين للتحقيق ، فإن الأشياء الأكثر ديمومة وفرضًا التي قد يجدونها لم تكن كذلك قد نشأت من العمليات الجيولوجية الطبيعية من شأنها أن تحتوي على الفولاذ: ناطحات السحاب والجسور والآلات الثقيلة وأي شيء مطلوب بشكل أساسي لتحمل القوى القوية فوق زمن.

ربما لديك بعض المعرفة من أين "يأتي" الفولاذ وما هو ". إذا لم يكن هناك شيء آخر ، فأنت بالتأكيد تعرف ما يبدو عليه ، ويشعر به ، وربما يبدو كذلك في حالات معينة.

إذا كنت تعتقد أن الفولاذ كمعدن ، فهذا طبيعي ، ولكن في الواقع يصنف الفولاذ على أنه سبيكة أو مزيج من معادن مختلفة. في هذه الحالة ، يكون كل المعدن الأساسي تقريبًا هو الحديد بغض النظر عن الوصفة المحددة ، ولكن كما سترى ، يمكن حتى لكميات صغيرة من الكربون تغيير خصائص الفولاذ بشكل كبير.

استعد لتعلم الكثير عما يمكن أن نطلق عليه بحق أهم مادة في تاريخ البناء والهندسة ،

كما تعلم بلا شك من خلال رؤيتك وسماعك والتواصل مع نصيبك من الأشياء ، فإن الفولاذ معروف في المقام الأول بمتانته وصلابته وصلابته. في بعض الحالات ، تشتهر بلمعانها أيضًا.

ما تترجم إليه هذه الصفات من الناحية المادية القابلة للقياس هو أ نقطة انصهار عالية جدا (حوالي 1510 درجة مئوية ، أعلى من معظم المعادن ؛ النحاس ، على سبيل المثال ، أكثر برودة بمقدار 500 درجة تقريبًا) و a كثافة عالية جدا (7.9 جم / سم³، ما يقرب من ثمانية أضعاف الماء).

الصلب هو أكثر صلابة وأقوى بشكل عام مما يسمى بالعنصر الأم ، الحديد. ومع ذلك فهو كذلك مرن للغاية ومعروف عنه ارتفاع قوة الشد (أي قدرتها على تحمل الأحمال أو القوى المطبقة دون أن تفقد شكلها).

تعتبر مقاومة الشد لجميع أنواع الفولاذ عالية مقارنة بالمواد الأخرى ولكنها تختلف بشكل كبير بين أنواع الفولاذ. في النهاية المنخفضة ، تكون القيم حوالي 290 نيوتن / مم²; في النهاية العالية ، تصل قوة الشد إلى 870 نيوتن / مم².

• مليمتر مربع واحد (مم²) فقط جزء من مليون من المتر المربع. هذا يعني أن الفولاذ يمكن أن يمتلك قوة شد تبلغ 870 مليون نيوتن لكل متر مربع - أي ما يعادل كتلة 88.8 مليون كيلوجرام ، أو 195.7 مليون رطل (97831 طنًا) ، على الأرض!

إذا سبق لك استخدام ملف مقلاة حديد، ربما لاحظت مدى قوتها (أو ثقيلتها على الأقل) بشكل ملحوظ. عندما يكون الحديد هو المكون الوحيد أو شبه الوحيد لشيء مثل المقلاة ، فإنه يكون أكثر هشاشة من الفولاذ.

ولكن بالنسبة لمعظم درجات حرارة الطهي اليومية (التي تبدو "ساخنة" ، ولكنها ليست قريبة من فرن الصهر) ، قد لا يكون الاختلاف الوظيفي بين الحديد والصلب واضحًا بسهولة ، حتى لو كانا عادة ما يبدوان إلى حد ما مختلف.

معظم الفولاذ المنتج اليوم يسمى ببساطة الكربون الصلب، أو سهل الكربون الصلببالرغم من احتوائه على معادن غير الحديد والكربون مثل السيليكون والمنغنيز.

قد لا تبدو كمية اختلاف الفولاذ كبيرة على السطح ، لأن الكربون لا يشكل أبدًا أكثر من 1.5 في المائة من الفولاذ. ومع ذلك ، عندما تفكر في أن هذا الجزء الصغير يمكن أن يتراوح بمعامل 10 (0.15٪ إلى 1.5٪) ، فإنك تبدأ في تقدير التأثير المادي الذي يمكن أن يحدثه.

يمكن تقسيم الفولاذ إلى فئات مختلفة باستخدام عدد من المعايير. تلك المستخدمة من قبل العلماء (الذين غالبًا ما يهتمون بخصائص الأشياء أكثر من اهتمامهم الفعلي باستخدامها) تختلف غالبًا عن أولئك الذين يكون اهتمامهم الرئيسي هو أنواع المنتجات النهائية المصنوعة منها الصلب.

ميكانيكي: كما لوحظ ، يمكن أن تتراوح قوة الشد للصلب بين 290 نيوتن / متر² و 870 نيوتن / م². إن إضافة الكربون إلى الفولاذ يجعل الأمر أكثر صعوبة بسبب الطريقة التي تتشتت بها ذرات الكربون في الواقع بين ذرات الحديد بطريقة تجعل خلع المواد صعبًا للغاية "حبوب" من الحديد₃ج. هذا أيضًا يجعل الفولاذ أكثر هشاشة من الحديد ، لذا فإن تحويل الحديد إلى صلب ، على الرغم من المزايا الواضحة لهذا الأخير ، لا يأتي بدون تكلفة عملية.

يبدأ الفولاذ المصنف على أساس خواصه الميكانيكية بالحديد ، وما يليه هو 1) E والحد الأدنى لقيمة إجهاد الخضوع هو أن الفولاذ يصنف أساسًا على هذا الأساس _ ، أو 2) قيمة مقاومة الشد فقط إذا كانت هذه هي سمة التصنيف الأساسية. (_إجهاد الخضوع هو مقياس لمقاومة التشوه الميكانيكي.)

• على سبيل المثال ، "Fe 290" عبارة عن فولاذ بقوة شد تبلغ 290 نيوتن / مم 2. بينما "Fe E 220" من الفولاذ بضغط ناتج 220 نيوتن / مم².

المواد الكيميائية: الفولاذ الكربوني العادي الذي يتراوح من 0.06 في المائة كربون إلى 1.5 في المائة كربون مقسم إلى الأنواع التالية اعتمادًا على محتواها الكربوني المحدد.

1. الفولاذ الطري الميت - حتى 0.15

   نسبه مئويه

   الكربون 2. منخفض الكربون أو الفولاذ الطري - 0.15

   نسبه مئويه

   إلى 0.45

   نسبه مئويه

   الكربون 3. متوسط ​​الكربون الصلب - 0.45

   نسبه مئويه

   إلى 0.8

   نسبه مئويه

   الكربون 4. فولاذ عالي الكربون - 0.8

   نسبه مئويه

   إلى 1.5

   نسبه مئويه

   كربون

ستانلس ستيل هو نوع من الصلب حصل على اسمه من مقاومته لـ أكسدة (الصدأ) وكذلك تآكل، مثل ما قد يحدث من تطبيق حامض قوي. تم اختراعه في عام 1913 من قبل عالم المعادن البريطاني هاري برييرليالذي اكتشف ذلك بإضافة المعدن الكروم بالنسبة للصلب بكميات كبيرة (13 في المائة) ، يتفاعل الكروم مع الأكسجين الموجود في الهواء لتشكيل طبقة واقية ذاتية التجديد حول الجسم.

هناك عدد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ قيد الاستخدام اليوم:

• الفولاذ المرتنزيتي المقاوم للصدأ تحتوي على 12 إلى 14

  نسبه مئويه

  الكروم و 0.12 إلى 0.35

  نسبه مئويه

  الكربون وكان أول فولاذ مقاوم للصدأ تم تطويره. هذه الفولاذ مغناطيسي ويمكن أن تصلب بمعالجتها بالحرارة. تستخدم هذه في المضخات الهيدروليكية ومضخات البخار ومضخات النفط والصمامات ، من بين المعدات الهندسية الأخرى.
  * فولاذ مقاوم للصدأ من الحديد تحتوي على كمية أكبر من الكروم (16 إلى 18

  في المئة) وحوالي 0.12

  نسبه مئويه

  كربون. يعتبر هذا الفولاذ أكثر مقاومة للتآكل من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي ، ولكنه يتمتع بقدرة قليلة على التصلب باستخدام الحرارة. يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل أساسي في عمليات التشكيل والضغط بسبب مقاومته العالية للتآكل.
  * الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ تحتوي على كمية كبيرة من الكروم والنيكل ؛ توجد العديد من الاختلافات في التركيب الكيميائي الدقيق ، ولكن الأكثر استخدامًا يتكون من 18

  نسبه مئويه

  الكروم و 8

  نسبه مئويه

  النيكل ، مع الاحتفاظ بالكربون إلى الحد الأدنى. إنها تقاوم التآكل جيدًا على حساب عدم قابليتها للمعالجة الحرارية إلى أي حد ملموس. يستخدم هذا الفولاذ في أعمدة المضخات والإطارات والأغلفة والمكونات اليومية مثل البراغي والصواميل والمسامير.

لقد رأيت بالفعل كيف يمكن للسبائك أن تجعل مادة مفيدة بالفعل أفضل ، أو ربما تكون أكثر تخصصًا. كيف تعمل هذه العملية على المستوى الجزيئي؟

معظم المعادن النقية ، على الرغم من أن العديد منها تبدو صلبة ، فهي في الواقع لينة جدًا في حد ذاتها بحيث لا يمكن استخدامها في الصناعات الثقيلة. (أحد الاستثناءات الملحوظة هو صناعة السيارات ، حيث يُترك الفولاذ في الغالب غير مخلوط ويحتوي على حديد نقي تقريبًا.) ولكن الخلط في معادن أخرى يمكن أن يؤدي إلى نتائج رائعة.

على سبيل المثال، النيكل و الكروم مقاومة للتآكل ومعروفة بإدراجها في الأدوات الجراحية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. إذا كانت سبيكة ذات نفاذية مغناطيسية أعلى مطلوبة للاستخدام في مغناطيس الصلب ، كوبالت هو اختيار ممتاز.

المنغنيز تُستخدم في المشاريع الكبيرة مثل معابر السكك الحديدية شديدة التحمل نظرًا لقوتها وصلابتها الكبيرة. أخيرا، الموليبدينوم قادر على الحفاظ على قوته في درجات حرارة عالية بشكل غير عادي حتى بمعايير المعادن ويستخدم في التطبيقات الدقيقة مثل رؤوس الثقب عالية السرعة.

• عند إضافة أيونات أكبر إلى الشبكة الفولاذية الحالية ، فإن هذا يعطل الشبكة بطريقة تجعلها يجعل الأمر أكثر صعوبة على "الطبقات" المجاورة للانزلاق فوق بعضها البعض ، مما يزيد من طبقات الفولاذ صلابة. يمكن أن تؤدي إضافة ذرات أصغر إلى نفس التأثير عبر شكل مختلف من التعطيل الميكانيكي للهيكل الشبكي البلوري الحديدي.

من بين العديد من الخصائص المرغوبة للفولاذ أنه صديق للبيئة. قد لا تبدو دائمًا على هذا النحو مع الهياكل الفولاذية الكبيرة التي تنتشر في السماء في مواقع غير سارة في كثير من الأحيان ، ولكنها رائعة تعني المتانة ، على سبيل المثال ، أنها لن تتحلل إلى شيء سام وتتسرب بشكل غير مرئي إلى المياه الجوفية وغيرها المناطق. تستخدم مصادر الطاقة المتجددة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية) بشكل كبير الفولاذ المقاوم للصدأ.

• أصبح الفولاذ الآن أكثر المواد المعاد تدويرها على وجه الأرض ؛ على الرغم من أنها ثقيلة ، إلا أن خصائصها المغناطيسية تجعل من السهل التعافي من الجداول والأماكن الأخرى أكثر من أشكال النفايات الأخرى. يمكن أن تقلل من ثاني أكسيد الكربون₂ الانبعاثات.

بالمقارنة مع المواد الأخرى ، يتطلب الفولاذ قدرًا منخفضًا من الطاقة عند بناء عناصر فولاذية خفيفة الوزن نسبيًا ، ويمكن تشكيلها في أشكال مختلفة. يعطي شكلاً وحافة أفضل من الحديد الذي يستخدم في صنع الأسلحة.

الصلب ، كما لوحظ ، يستخدم في صناعة السيارات. فكر في عدد السيارات على طرق مدينتك فقط خلال ساعة الذروة ، وكلها بها أجسام وأبواب ومحركات ومعلقات وديكورات داخلية تتكون إلى حد كبير من الفولاذ.

• في المتوسط ​​، 50٪ من السيارة مصنوعة من الفولاذ.

بصرف النظر عن دوره في مركبات الركاب ، يستخدم الفولاذ في إنتاج المركبات والآلات الزراعية.

معظم الأجهزة في المنازل الحديثة ، مثل الثلاجات والتلفزيونات والمصارف والأفران وما إلى ذلك ، مصنوعة من الفولاذ "العادي". أيضًا ، أولئك الذين يقضون الوقت في المطبخ يدركون تمامًا دور الفولاذ المقاوم للصدأ في أدوات المائدة الفاخرة. يسهل الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل خاص سهولة الصيانة لبيئة معقمة ، وهي إحدى الصفات التي تجعله اختيارًا جيدًا للأدوات الجراحية والغرسات.

لأنه يفسح المجال لسهولة تشكيل اللحامات والصلب ، أكثر من مجرد تكوين غير مرئي إطار الهياكل الحديثة ، أصبح مميزًا في حد ذاته في أمثلة معاصرة هندسة معمارية. يستخدم ما يسمى بالفولاذ "الخفيف" في تشييد المباني اليومية ، خاصة في المناطق التي تعتبر فيها الرياح العاتية سمة من سمات المناخ المحلي.

الصلب نفسه عبارة عن سبيكة وبحكم التعريف ليس له صيغة كيميائية أو جزيئية ، بغض النظر عن النوع. ومع ذلك ، من المفيد فحص بعض التفاعلات المهمة التي تحدث في عملية صناعة الصلب.

يتضمن احتراق الحديد بالإضافة إلى الخردة الفولاذية ، أو في بعض الحالات خردة الفولاذ وحدها ، عددًا من التفاعلات المختلفة. بعض من أهمها:
2 ج + س₂ → 2 كو
سي + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 ص₅ا₂
2 مليون + O₂ → 2 MnO
أول أكسيد الكربون (نشبع) منتج نفايات ، ولكن يضاف الباقي إلى الجير لمواصلة عملية تصنيع الفولاذ من خلال التشكيل الخبث.