Vlastnosti a použití oceli

Struktury vyrobené převážně nebo převážně z materiálu známého jako ocel mohou být jen nejvýznamnějšími přírůstky lidstva do zemské krajiny.

Pokud by byl veškerý život na Zemi teleportován jinde a náhodou by vyšetřovala skupina mimozemšťanů, nejodolnější a nejimpozantnější předměty, které by našli, které zjevně nebyly vzniklé z přírodních geologických procesů by obsahovaly ocel: mrakodrapy, mosty, těžké stroje a v podstatě vše, co je nutné, aby odolaly silným silám čas.

Možná máte nějaké znalosti o tom, odkud ocel „pochází“ a co to „je“. Pokud nic jiného, ​​určitě víte, jak to obecně vypadá, cítí a možná dokonce zní v určitých případech.

Pokud si myslíte o oceli jako o kovu, je to přirozené, ale ocel je ve skutečnosti klasifikována jako slitina nebo směs různých kovů. V tomto případě je téměř veškerým primárním kovem železo bez ohledu na konkrétní recepturu, ale jak uvidíte, i malé množství uhlíku může významně změnit vlastnosti oceli.

Připravte se na to, abyste se hodně naučili o tom, co lze právem nazvat nejdůležitějším materiálem v historii stavebnictví a strojírenství,

Jak nepochybně víte, když jste viděli, slyšeli a byli v kontaktu se svým podílem na materiálu, ocel je známá především svou odolností, tvrdostí a houževnatostí. V některých případech je proslulý také svou lesklostí.

To, co tyto vlastnosti překládají kvantifikovatelně fyzicky, je a velmi vysoká teplota tání (asi 1 510 ° C, vyšší než většina kovů; měď je například téměř o 500 stupňů chladnější) a velmi vysoká hustota (7,9 g / cm³, téměř osmkrát větší než voda).

Ocel je celkově tvrdší a silnější než její takzvaný základní prvek, železo. Přesto je extrémně flexibilní a známý pro své vysoká pevnost v tahu (tj. jeho schopnost odolat aplikovanému zatížení nebo silám, aniž by ztratil svůj tvar).

Pevnost v tahu všech druhů oceli je ve srovnání s jinými materiály vysoká, ale u různých druhů oceli se významně liší. Na dolním konci jsou hodnoty přibližně 290 N / mm²; na horním konci je pevnost v tahu až 870 N / mm².

• Jeden čtvereční milimetr (mm²) je pouze jedna miliontina metru čtverečního. To znamená, že ocel může mít pevnost v tahu 870 milionů newtonů na metr čtvereční - což se rovná hmotnosti 88,8 milionů kilogramů, neboli 97 831 tun, na Zemi!

Pokud jste někdy použili litinová pánev, možná jste si všimli, jak pozoruhodně robustní (nebo alespoň těžký) to vypadalo. Když je železo jediným nebo téměř jediným komponentem něčeho jako pánev, je křehčí než ocel.

Ale pro většinu každodenních teplot vaření (které se zdají být „horké“, ale zdaleka nejsou podobné tavící peci), funkční rozdíl mezi železem a ocelí nemusí být snadno patrný, i když obvykle trochu vypadají odlišný.

Většina dnes vyráběné oceli se jednoduše nazývá uhlíková ocelnebo obyčejná uhlíková ocel, i když může obsahovat kromě železa a uhlíku také kovy, jako je křemík a mangan.

Množství variace oceli nemusí na povrchu vypadat významně, protože uhlík nikdy netvoří více než 1,5 procenta oceli. Když však vezmete v úvahu, že tato malá část se může sama pohybovat na faktoru 10 (0,15 až 1,5 procenta), začnete oceňovat fyzický dopad, který to může mít.

Ocel lze rozdělit do různých kategorií pomocí řady kritérií. Ty, které používají vědci (kteří se často zajímají spíše o vlastnosti věcí než o skutečné jejich používání) se často liší od těch, jejichž hlavním zájmem jsou typy konečných produktů vyráběných z ocel.

Mechanické: Jak již bylo uvedeno, pevnost v tahu oceli se může pohybovat mezi 290 N / m² a 870 N / m². Přidávání uhlíku k oceli to ztěžuje kvůli způsobu, jakým se atomy uhlíku ve skutečnosti rozptylují mezi atomy železa způsobem, který velmi ztěžuje formování dislokací materiálu „zrna“ Fe₃C. Díky tomu je ocel křehčí než železo, takže přeměna železa na ocel, navzdory jejich zjevným výhodám, nepřichází s nulovými praktickými náklady.

Ocel, která je klasifikována na základě svých mechanických vlastností, začíná na „Fe“ a následuje 1) E a minimální hodnota meze kluzu je ocel je klasifikována hlavně na tomto základě_, nebo 2) pouze hodnota pevnosti v tahu, pokud se jedná o primární znak klasifikace. (_Výnosnost je míra odolnosti proti mechanické deformaci.)

• Například „Fe 290“ je ocel s pevností v tahu 290 N / mm2. zatímco „Fe E 220“ je ocel s mezí kluzu 220 N / mm².

Chemikálie: Obyčejné uhlíkové oceli, které se liší od 0,06 procenta uhlíku do 1,5 procenta uhlíku, se dělí na následující typy v závislosti na jejich konkrétním obsahu uhlíku.

1. Mrtvá měkká ocel - až 0,15

   procent

   uhlík 2. Nízkouhlíková nebo měkká ocel - 0,15

   procent

   až 0,45

   procent

   uhlík 3. Středně uhlíková ocel - 0,45

   procent

   až 0,8

   procent

   uhlík 4. Vysoce uhlíková ocel - 0,8

   procent

   do 1.5

   procent

   uhlík

Nerezová ocel je druh oceli, který dostal své jméno podle své odolnosti vůči oxidace (rezivění) a také koroze, jako to, ke kterému může dojít při aplikaci silné kyseliny. To bylo vynalezeno v roce 1913 britským metalurgem Harry Brearley, který to objevil přidáním kovu chrom na ocel ve vysokých množstvích (13 procent) by chrom reagoval s kyslíkem ve vzduchu a vytvořil kolem objektu samoobnovující ochranný film.

Dnes se používá celá řada typů nerezové oceli:

• Martenzitické nerezové oceli obsahují 12 až 14

  procent

  chrom a 0,12 až 0,35

  procent

  uhlík a byly první vyvinutou nerezovou ocelí. Tyto oceli jsou magnetický a lze je kalit zpracováním teplem. Ty se mimo jiné používají v hydraulických čerpadlech, parních čerpadlech, olejových čerpadlech a ventilech.
  * Feritické nerezové oceli mají větší množství chromu (16 až 18)

  procent) a přibližně 0,12

  procent

  uhlík. Tyto oceli jsou odolnější proti korozi než martenzitické nerezové oceli, ale mají malou kapacitu kalení pomocí tepla. Tyto nerezové oceli se používají především při tváření a lisování kvůli vysoké odolnosti proti korozi.
  * Austenitické nerezové oceli obsahují velké množství chromu i niklu; existuje mnoho variací v přesném chemickém složení, ale nejpoužívanější je 18

  procent

  chrom a 8

  procent

  nikl, s uhlíkem omezeným na minimum. Velmi dobře odolávají korozi za cenu, že nebudou v žádném znatelném rozsahu tepelně zpracovatelní. Tyto oceli se používají v hřídelích čerpadel, rámech, pláštích a běžných součástech, jako jsou šrouby, matice a šrouby.

Už jste viděli, jak slitiny mohou vylepšit již užitečný materiál, nebo dokonce více, více specializovat. Jak tento proces funguje na molekulární úrovni?

Většina čistých kovů, i když se jeví jako tvrdé, je sama o sobě příliš měkká na to, aby mohla být použita v těžké výrobě. (Jedinou významnou výjimkou je automobilový průmysl, kde ocel zůstává většinou nelegovaná a obsahuje téměř čisté železo.) Míchání do jiných kovů však může přinést vynikající výsledky.

Například, nikl a chrom jsou odolné proti korozi a jsou známé svým začleněním do chirurgických nástrojů vyrobených z nerezové oceli. Pokud je požadována slitina s vyšší magnetickou permeabilitou pro použití v ocelových magnetech, kobalt je vynikající volbou.

Mangan se díky své značné pevnosti a tvrdosti používá ve větších projektech, jako jsou těžká železniční přejezdy. Konečně, molybden je schopen udržet svou pevnost při neobvykle vysokých teplotách i podle norem kovů a používá se v přesných aplikacích, jako jsou vysokorychlostní vrtáky.

• Když se do stávající ocelové mřížky přidají větší ionty, naruší to mřížku takovým způsobem, že ji ztěžuje klouzání sousedních „vrstev“ kolem sebe, což zvyšuje ocel tvrdost. Přidávání menších atomů může mít stejný účinek prostřednictvím jiné formy mechanického narušení struktury mřížky železných krystalů.

Mezi mnoha žádoucími vlastnostmi oceli je to, že je šetrná k životnímu prostředí. Nemusí to tak vždy vypadat s velkými ocelovými konstrukcemi dotýkajícími se oblohy na často nepříjemných místech, ale je to skvělé trvanlivost znamená, že se například nerozpadne na něco toxického a neviditelně se vyluhuje do podzemních vod a dalších oblastech. Obnovitelné zdroje energie (např. Sluneční, větrná a vodní energie) hojně využívají nerezovou ocel.

• Ocel je nyní nejvíce recyklovaným materiálem na Zemi; i když je těžký, jeho magnetické vlastnosti usnadňují zotavení z potoků a jiných míst než jiné formy odpadu. Může snížit CO₂ emise.

Ve srovnání s jinými materiály vyžaduje ocel při konstrukci relativně lehkých ocelových prvků nízké množství energie a lze ji tvarovat do různých forem. Dává lepší tvar a hranu než železo, které se používá k výrobě zbraní.

Ocel, jak je uvedeno, se používá v automobilovém průmyslu. Vzpomeňte si na počet aut na silnicích právě ve vašem městě během dopravní špičky, všechna s těly, dveřmi, motory, zavěšením a interiéry převážně z oceli.

• V průměru je 50 procent automobilu vyrobeno z oceli.

Kromě role v osobních automobilech se ocel používá při výrobě zemědělských vozidel a strojů.

Většina spotřebičů v moderních domácnostech, jako jsou chladničky, televizory, dřezy, trouby atd., Je vyrobena z „obyčejné“ oceli. Ti, kdo mají jen čas trávit čas v kuchyni, si dobře uvědomují roli nerezové oceli v jemných příborech. Nerezové oceli se vyznačují zejména snadnou údržbou sterilního prostředí, což je jedna z vlastností, díky nimž je dobrou volbou pro chirurgické nástroje a implantáty.

Protože je vhodný pro snadnou tvorbu svarů, oceli, více než jen pro vytváření neviditelného rámec moderních struktur se v příkladech soudobých stal samostatným architektura. Takzvaná „měkká“ ocel se používá pro každodenní stavbu budov, zejména v oblastech, kde je místní vítr charakteristický silným větrem.

Samotná ocel je slitina a podle definice nemá žádný chemický ani molekulární vzorec, bez ohledu na typ. Je nicméně užitečné prozkoumat některé důležité reakce, které probíhají v procesu výroby oceli.

Spalování železa a šrotu, nebo v samotných případech šrotu samotné, vyžaduje řadu různých reakcí. Mezi důležité patří:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5O₂ → 4 str₅Ó₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (oxid uhličitý) je odpadní produkt, ale zbytek se přidává do vápna, aby se pokračovalo v procesu výroby oceli tvářením struska.