Свойства и употреба на стоманата

Структури, направени главно или до голяма степен от материала, известен като стомана може да са най-забележителните допълнения на човечеството към пейзажа на Земята.

Ако целият живот на Земята беше телепортиран другаде и случайно се разследва група извънземни, най-трайните и внушителни предмети, които биха открили, които очевидно не бяха произтичащи от естествените геоложки процеси, ще съдържат стомана: небостъргачи, мостове, тежки машини и по същество всичко необходимо за издържане на силни сили над време.

Може би имате известни познания откъде стоманата „идва“ и какво е „тя“. Ако не друго, със сигурност знаете как изглежда, усеща се и може би дори звучи като в определени случаи.

Ако мислите за стоманата като за метал, това е естествено, но стоманата всъщност е класифицирана като сплав или смес от различни метали. В този случай почти целият първичен метал е желязо, независимо от конкретната рецепта, но както ще видите, дори малки количества въглерод могат значително да променят свойствата на стоманата.

Подгответе се да научите много за това, което с право може да се нарече най-важният материал в историята на строителството и инженерството,

Както несъмнено знаете от това, че сте виждали, чували и били в контакт с вашия дял от нещата, стоманата е известна най-вече със своята издръжливост, твърдост и издръжливост. В някои случаи е известен и с блясъка си.

Това, което тези качества превеждат в количествено измерими физически термини, е a много висока точка на топене (около 1510 ° C, по-високо от повечето метали; например медта е с близо 500 градуса по-хладна) и a много висока плътност (7,9 g / cm³, почти осем пъти повече от водата).

Стоманата е по-твърда и по-здрава като цяло от така наречения основен елемент, желязото. И все пак е така изключително гъвкави и известен със своите висока якост на опън (т.е. способността му да издържа на приложени товари или сили, без да губи формата си).

Якостта на опън на всички видове стомана е висока в сравнение с други материали, но варира значително при различните видове стомана. В долния край стойностите са приблизително 290 N / mm²; във високия край якостта на опън е 870 N / mm².

• Един квадратен милиметър (mm²) е само една милионна от квадратния метър. Това означава, че стоманата може да има якост на опън от 870 милиона нютона на квадратен метър - равна на маса от 88,8 милиона килограма, или 195,7 милиона паунда (97 831 тона), на Земята!

Ако някога сте използвали чугунен тиган, може би сте забелязали колко забележително здрав (или поне тежък) изглежда. Когато желязото е единственият или почти единствен компонент на нещо като тиган, то е по-чупливо от стоманата.

Но за повечето ежедневни температури на готвене (които изглеждат "горещи", но не са близо до пещта за топене), функционалната разлика между желязото и стоманата може да не е очевидна, дори ако обикновено изглеждат донякъде различен.

По-голямата част от стоманата, произведена днес, просто се нарича въглеродна стомана, или обикновена въглеродна стомана, въпреки че може да съдържа метали освен желязо и въглерод, като силиций и манган.

Количеството вариране на стоманата може да не изглежда значително на повърхността, тъй като въглеродът никога не представлява повече от 1,5% от стоманата. Когато обаче смятате, че тази малка фракция може сама да варира с коефициент 10 (0,15% до 1,5%), започвате да оценявате физическото въздействие, което това може да има.

Стоманата може да бъде разделена на различни категории, като се използват редица критерии. Тези, използвани от учените (които често се занимават повече със свойствата на нещата, отколкото с действително често се различават от тези, чиято основна грижа са видовете крайни продукти, произведени от стомана.

Механични: Както беше отбелязано, якостта на опън на стоманата може да варира между 290 N / m² и 870 N / m². Добавянето на въглерод към стоманата го прави по-трудно поради начина, по който въглеродните атоми в действителност се разпръскват себе си сред железните атоми по начин, който прави дислокациите на материала много трудни, образувайки се "зърна" на Fe₃° С. Това също прави стоманата по-чуплива от желязото, така че превръщането на желязото в стомана, въпреки очевидните предимства на последното, няма нулеви практически разходи.

Стоманата, която се класифицира въз основа на нейните механични свойства, започва с "Fe", а това, което следва, е 1) E и минималната стойност на напрежение на добив е стоманата се класифицира главно на тази основа_, или 2) само стойността на якостта на опън, ако това е основната класификационна характеристика. (_Напрежение на добива е мярка за устойчивост на механична деформация.)

• Например "Fe 290" е стомана с якост на опън 290 N / mm2. докато "Fe E 220" е стомана с напрежение на провлачване 220 N / mm².

Химически: Обикновените въглеродни стомани, които варират от 0,06% въглерод до 1,5% въглерод, се разделят на следните видове в зависимост от специфичното им съдържание на въглерод.

1. Мъртва мека стомана - до 0,15

   процента

   въглерод 2. Нисковъглеродна или мека стомана - 0,15

   процента

   до 0,45

   процента

   въглерод 3. Средна въглеродна стомана - 0,45

   процента

   до 0,8

   процента

   въглерод 4. Високовъглеродна стомана - 0,8

   процента

   до 1,5

   процента

   въглерод

Неръждаема стомана е вид стомана, която получава името си от устойчивостта си на окисление (ръждясва), както и да корозия, като това, което може да възникне от прилагането на силна киселина. Изобретен е през 1913 г. от британския металург Хари Бърли, който откри това чрез добавяне на метала хром спрямо стоманата във високи количества (13 процента), хромът ще реагира с кислород във въздуха, за да образува самообновяващ се защитен филм около обекта.

Днес се използват редица видове неръждаема стомана:

• Мартензитни неръждаеми стомани съдържат 12 до 14

  процента

  хром и 0,12 до 0,35

  процента

  въглерод и са първата разработена неръждаема стомана. Тези стомани са магнитни и могат да бъдат втвърдени, като се третират с топлина. Те се използват в хидравлични помпи, парни помпи, маслени помпи и клапани, наред с друго инженерно оборудване.
  * Феритни неръждаеми стомани имат по-голямо количество хром (16 до 18

  процента) и около 0,12

  процента

  въглерод. Тези стомани са по-устойчиви на корозия от мартензитните неръждаеми стомани, но имат малък капацитет за втвърдяване с използване на топлина. Тези неръждаеми стомани се използват предимно при формоване и пресоване поради тяхната висока устойчивост на корозия.
  * Аустенитни неръждаеми стомани съдържат голямо количество хром и никел; съществуват много вариации в точния химичен състав, но най-широко използваните се състоят от 18

  процента

  хром и 8

  процента

  никел, с въглерод, сведен до минимум. Те се противопоставят много добре на корозията с цената на това, че не се поддават на топлинна обработка в значителна степен. Тези стомани се използват в валове на помпа, рамки, обшивки и ежедневни компоненти като винтове, гайки и болтове.

Вече видяхте как сплавите могат да направят един вече полезен материал по-добър или може би по-конкретен, по-специализиран. Как протича този процес на молекулярно ниво?

Повечето чисти метали, въпреки че мнозина изглеждат твърди, всъщност са твърде меки сами по себе си, за да се използват в тежко производство. (Едно забележително изключение е автомобилната индустрия, където стоманата е оставена предимно нелегирана и съдържа почти чисто желязо.) Но смесването в други метали може да доведе до изключителни резултати.

Например, никел и хром са устойчиви на корозия и са известни с включването си в хирургически инструменти, изработени от неръждаема стомана. Ако се желае сплав с по-висока магнитна пропускливост за използване в стоманени магнити, кобалт е отличен избор.

Манган се използва в по-мащабни проекти като тежкотоварни железопътни прелези поради своята значителна здравина и твърдост. И накрая, молибден е в състояние да поддържа здравината си при необичайно високи температури дори по стандартите на металите и се използва в прецизни приложения като високоскоростни бормашини.

• Когато към съществуващата стоманена решетка се добавят по-големи йони, това нарушава решетката по такъв начин, че тя прави по-трудно приплъзващите се "слоеве" да се плъзгат един по друг, което увеличава стоманата твърдост. Добавянето на по-малки атоми може да има същия ефект чрез различна форма на механично разрушаване на структурата на желязната кристална решетка.

Сред многото желани свойства на стоманата е, че тя е екологична. Не винаги може да изглежда така с големи стоманени конструкции, осеяли небесния пейзаж на често неприятни места, но е страхотно трайността означава, че например няма да се разпадне в нещо токсично и да се извлече невидимо в подпочвените води и други области. Възобновяемите енергийни източници (например слънчева, вятърна и хидроенергия) използват в голяма степен неръждаема стомана.

• Сега стоманата е най-рециклираният материал на Земята; въпреки че е тежък, неговите магнитни свойства улесняват възстановяването от потоци и други места, отколкото други форми на отпадъци. Може да намали CO₂ емисии.

В сравнение с други материали, стоманата изисква малко количество енергия при конструиране на относително леки стоманени елементи и може да бъде оформена в различни форми. Той дава по-добра форма и ръб от желязото, което се използва за производство на оръжия.

Както е отбелязано, стоманата се използва в автомобилната индустрия. Помислете за броя на автомобилите по пътищата само на вашия град по време на пиковите часове, всички с каросерии, врати, двигатели, окачвания и интериори, състоящи се предимно от стомана.

• Средно 50 процента от автомобила е направен от стомана.

Освен ролята си в пътническите превозни средства, стоманата се използва в производството на селскостопански превозни средства и машини.

Повечето уреди в съвременните домове, като хладилници, телевизори, мивки, фурни и така нататък са изработени от „обикновена“ стомана. Също така тези, които имат йени за прекарване на времето в кухнята, са наясно с ролята на неръждаемата стомана във фините прибори за хранене. Неръждаемите стомани се поддават особено на лесното поддържане на стерилна среда, което е едно от качествата, което го прави добър избор за хирургически инструменти и импланти.

Тъй като се поддава на лесното образуване на заваръчни шевове, стомана, нещо повече от просто създаване на невидимото рамка на съвременните структури, стана самостоятелно представена в примери за съвременни архитектура. Така наречената „мека“ стомана се използва за ежедневно строителство на сгради, особено в райони, където силните ветрове са характеристика на местния климат.

Самата стомана е сплав и по дефиниция няма химическа или молекулярна формула, независимо от вида. Независимо от това е полезно да се изследват някои от важните реакции, които протичат в процеса на производство на стомана.

Изгарянето на желязо плюс скрап стомана, или в някои случаи само скрап стомана, включва редица различни реакции. Някои от важните са:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 стр₅О₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (въглероден двуокис) е отпадъчен продукт, но останалото се добавя към вар, за да продължи процеса на производство на стомана чрез формоване шлака.