Egenskaber og anvendelser af stål

Strukturer, der hovedsageligt eller i vid udstrækning er fremstillet af det materiale, der er kendt som stål kan bare være menneskehedens mest fremtrædende tilføjelser til Jordens landskab.

Hvis alt liv på Jorden blev teleporteret andetsteds, og en gruppe udlændinge tilfældigt undersøgte, de mest holdbare og imponerende genstande, de ville finde, der klart ikke havde stammer fra naturlige geologiske processer ville indeholde stål: skyskrabere, broer, tunge maskiner og stort set alt, hvad der kræves for at modstå stærke kræfter over tid.

Du har måske noget kendskab til, hvor stål "kommer fra", og hvad det "er." Hvis ikke andet, ved du bestemt, hvordan det generelt ser ud, føles og måske endda lyder som i visse tilfælde.

Hvis du tænker på stål som et metal, er det naturligt, men stål er faktisk klassificeret som et legering eller en blanding af forskellige metaller. I dette tilfælde er næsten alt det primære metal jern uanset den specifikke opskrift, men som du vil se, kan selv små mængder kulstof ændre stålets egenskaber markant.

Forbered dig på at lære en hel del om, hvad der med rette kan kaldes det vigtigste materiale i historien om byggeri og teknik,

Som du uden tvivl ved fra at have set, hørt og været i kontakt med din andel af tingene, er stål kendt først og fremmest for sin holdbarhed, hårdhed og sejhed. I nogle tilfælde er det også kendt for sin skinnende.

Hvad disse kvaliteter oversættes til i kvantificerbare fysiske termer er en meget højt smeltepunkt (ca. 1.510 ° C, højere end de fleste metaller; kobber er for eksempel næsten 500 grader køligere) og a meget høj densitet (7,9 g / cm³, næsten otte gange så meget som vand).

Stål er generelt hårdere og stærkere end dets såkaldte moderelement, jern. Alligevel er det ekstremt fleksibel og kendt for sin høj trækstyrke (dvs. dens evne til at modstå påførte belastninger eller kræfter uden at miste sin form).

Trækstyrken for alle typer stål er høj sammenlignet med andre materialer, men varierer markant mellem ståltyper. I den lave ende er værdierne ca. 290 N / mm²; i den høje ende er trækstyrken så høj som 870 N / mm².

• En kvadratmillimeter (mm²) er kun en milliontedel af en kvadratmeter. Dette betyder, at stål kan have en trækstyrke på 870 millioner newton pr. Kvadratmeter - svarende til en masse på 88,8 millioner kg eller 195,7 millioner pund (97.831 tons) på Jorden!

Hvis du nogensinde har brugt en støbejern stegepande, har du måske bemærket, hvor bemærkelsesværdigt robust (eller i det mindste tungt) det syntes. Når jern er den eneste eller næsten eneste komponent i noget som en gryde, er det mere skørt end stål.

Men for de fleste daglige madlavningstemperaturer (som virker "varme", men ikke er i nærheden af ​​smelteovnlignende), funktionel forskel mellem jern og stål er muligvis ikke umiddelbart tydelig, selvom de normalt ser noget ud forskellige.

Det meste af det stål, der produceres i dag, kaldes simpelthen kulstofstål, eller almindeligt kulstofstål, selvom det kan indeholde metaller udover jern og kulstof, såsom silicium og mangan.

Mængden af ​​stålvariation ser muligvis ikke markant ud på overfladen, fordi kulstof aldrig udgør mere end 1,5 procent af stål. Men når du overvejer, at denne lille fraktion i sig selv kan variere med en faktor på 10 (0,15 procent til 1,5 procent), begynder du at forstå den fysiske indvirkning, dette kan have.

Stål kan opdeles i forskellige kategorier ved hjælp af et antal kriterier. Dem, der bruges af forskere (som ofte er mere interesserede i tingens egenskaber end med faktisk bruger dem) er ofte forskellige fra dem, hvis største bekymring er de typer slutprodukter fremstillet af stål.

Mekanisk: Som nævnt kan stålets trækstyrke variere mellem 290 N / m² og 870 N / m². Tilsætning af kulstof til stål gør det sværere på grund af den måde, hvorpå kulstofatomer faktisk spredes sig selv blandt jernatomerne på en måde, der gør dislokationer af materiale meget vanskelige og dannes "korn" af Fe₃C. Dette gør også stål mere skørt end jern, så konvertering af jern til stål, på trods af de åbenlyse fordele ved sidstnævnte, har ingen praktiske omkostninger.

Stål, der klassificeres på baggrund af dets mekaniske egenskaber, starter med "Fe", og det følgende er 1) E og den mindste flydespændingsværdi er, at stålet klassificeres hovedsageligt på dette grundlag_, eller 2) bare trækstyrkens værdi, hvis dette er det primære klassificeringstræk. (_Yield stress er et mål for modstandsdygtighed over for mekanisk deformation.)

• For eksempel er "Fe 290" stål med en trækstyrke på 290 N / mm2. mens "Fe E 220" er stål med en flydespænding på 220 N / mm².

Kemisk: Almindeligt kulstofstål, der varierer fra 0,06 procent kulstof til 1,5 procent kulstof, er opdelt i følgende typer afhængigt af deres specifikke kulstofindhold.

1. Dødt blødt stål - op til 0,15

   procent

   kulstof 2. Lavkulstof eller blødt stål - 0,15

   procent

   til 0,45

   procent

   kulstof 3. Medium kulstofstål - 0,45

   procent

   til 0,8

   procent

   kulstof 4. Stål med højt kulstofindhold - 0,8

   procent

   til 1,5

   procent

   kulstof

Rustfrit stål er en type stål, der får sit navn fra sin modstand mod oxidation (rustende) såvel som til korrosionsom det, der kan forekomme ved påføring af en stærk syre. Det blev opfundet i 1913 af den britiske metallurg Harry Brearley, der opdagede det ved at tilføje metallet krom til stål i store mængder (13 procent), ville chromet reagere med ilt i luft for at danne en selvfornyende beskyttende film omkring genstanden.

En række typer rustfrit stål er i brug i dag:

• Martensitisk rustfrit stål indeholder 12 til 14

  procent

  krom og 0,12 til 0,35

  procent

  kulstof og var det første rustfrie stål, der blev udviklet. Disse stål er magnetisk og kan hærdes ved at behandle dem med varme. Disse bruges i hydrauliske pumper, damppumper, oliepumper og ventiler, blandt andet teknisk udstyr.
  * Ferritisk rustfrit stål har en større mængde krom (16 til 18

  procent) og ca. 0,12

  procent

  kulstof. Disse stål er mere korrosionsbestandige end martensitiske rustfrie stål, men har ringe kapacitet til at blive hærdet ved brug af varme. Disse rustfrie stål anvendes primært til formning og presning på grund af deres høje korrosionsbestandighed.
  * Austenitisk rustfrit stål indeholder en stor mængde af både krom og nikkel; mange variationer i præcis kemisk sammensætning findes, men den mest anvendte består af 18

  procent

  krom og 8

  procent

  nikkel, hvor kulstof holdes på et minimum. De modstår korrosion meget godt på bekostning af ikke at blive varmebehandlet i nogen mærkbar grad. Disse stål anvendes i pumpeaksler, rammer, beklædning og hverdagskomponenter såsom skruer, møtrikker og bolte.

Du har allerede set, hvordan legeringer kan gøre et allerede nyttigt materiale bedre, eller måske mere til det punkt, mere specialiseret. Hvordan fungerer denne proces på molekylært niveau?

De fleste rene metaller, selvom mange synes hårde, er faktisk for bløde af sig selv til at blive brugt til tung fremstilling. (En bemærkelsesværdig undtagelse er bilindustrien, hvor stål efterlades for det meste ulegeret og indeholder næsten rent jern.) Men blanding i andre metaller kan give fremragende resultater.

For eksempel, nikkel og krom er korrosionsbestandige og er kendt for deres optagelse i kirurgiske instrumenter fremstillet af rustfrit stål. Hvis en legering med højere magnetisk permeabilitet ønskes til brug i stålmagneter, kobolt er et fremragende valg.

Mangan bruges i større skala projekter såsom tunge jernbaneovergange på grund af dens betydelige styrke og hårdhed. Langt om længe, molybdæn er i stand til at opretholde sin styrke ved usædvanligt høje temperaturer, selv efter standarder for metaller, og bruges i præcisionsapplikationer såsom borehuller med høj hastighed.

• Når større ioner føjes til det eksisterende stålgitter, forstyrrer dette gitteret på en sådan måde, at det gør det vanskeligere for tilstødende "lag" at glide forbi hinanden, hvilket øger stålets hårdhed. Tilføjelse af mindre atomer kan have den samme effekt via en anden form for mekanisk forstyrrelse af jernkrystalgitterstrukturen.

Blandt de mange ønskelige egenskaber ved stål er, at det er miljøvenligt. Det ser måske ikke altid ud på den måde med store stålkonstruktioner, der spotter himlen på ofte ubehagelige steder, men det er fantastisk holdbarhed betyder, at den for eksempel ikke nedbrydes til noget giftigt og udvaskes usynligt i grundvand og andet områder. Vedvarende energikilder (fx sol-, vind- og vandkraft) gør rigeligt brug af rustfrit stål.

• Stål er nu det mest genanvendte materiale på jorden; skønt den er tung, gør dens magnetiske egenskaber det lettere at genvinde sig fra vandløb og andre steder end andre former for affald. Det kan reducere CO₂ emissioner.

Sammenlignet med andre materialer kræver stål en lav mængde energi ved konstruktion af relativt lette stålelementer, og det kan formes til forskellige former. Det giver bedre form og kant end jern, der bruges til at fremstille våben.

Stål anvendes som nævnt i bilindustrien. Tænk på antallet af biler på vejene i netop din egen by i myldretiden, alle med kroppe, døre, motorer, ophæng og interiører, der stort set består af stål.

• I gennemsnit er 50 procent af en bil lavet af stål.

Bortset fra sin rolle i personbiler bruges stål til produktion af landbrugskøretøjer og maskiner.

De fleste apparater i moderne hjem, såsom køleskabe, fjernsyn, dræn, ovne og så videre er lavet af "almindeligt" stål. De, der har en yen til at tilbringe tid i køkkenet, er også meget opmærksomme på rustfrit ståls rolle i fint bestik. Rustfrit stål egner sig især til nem vedligeholdelse af et sterilt miljø, hvilket er en af ​​de kvaliteter, der gør det til et godt valg til kirurgiske instrumenter og implantater.

Fordi det egner sig til nem dannelse af svejsninger, stål, mere end bare at udgøre det usynlige rammer for moderne strukturer, er blevet vist i sig selv i eksempler på moderne arkitektur. Såkaldt "mildt" stål bruges til hverdagskonstruktion, især i områder, hvor kraftig vind er et træk ved det lokale klima.

Stål i sig selv er en legering og har pr. Definition ingen kemisk eller molekylær formel, uanset type. Det er ikke desto mindre nyttigt at undersøge nogle af de vigtige reaktioner, der finder sted i stålfremstillingsprocessen.

Forbrændingen af ​​jern plus stålskrot eller i nogle tilfælde skrotstål alene involverer en række forskellige reaktioner. Nogle af de vigtige er:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 s₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (carbondioxid) er et affaldsprodukt, men resten tilsættes kalk for at fortsætte stålfremstillingsprocessen ved formning slagge.