Eigenschaften und Verwendungen von Stahl

Konstruktionen, die hauptsächlich oder größtenteils aus dem Material hergestellt werden, das als. bekannt ist Stahl könnte nur die prominenteste Ergänzung der Erdlandschaft sein.

Wenn alles Leben auf der Erde woanders hin teleportiert würde und eine Gruppe von Außerirdischen zufällig nachforschen würde, die haltbarsten und imposantesten Objekte, die sie finden würden, die eindeutig nicht vorhanden waren aus natürlichen geologischen Prozessen entstehen würde Stahl enthalten: Wolkenkratzer, Brücken, schwere Maschinen und im Wesentlichen alles, was erforderlich ist, um starken Kräften standzuhalten Zeit.

Sie wissen vielleicht, woher Stahl "kommt" und was er "ist". Nicht zuletzt wissen Sie sicherlich, wie es im Allgemeinen aussieht, sich anfühlt und in bestimmten Fällen vielleicht sogar klingt.

Wenn Sie sich Stahl als Metall vorstellen, ist das natürlich, aber Stahl wird tatsächlich als ein Legierung oder eine Mischung verschiedener Metalle. In diesem Fall ist fast das gesamte Primärmetall Eisen, unabhängig von der spezifischen Rezeptur, aber wie Sie sehen werden, können selbst kleine Mengen Kohlenstoff die Eigenschaften von Stahl erheblich verändern.

Bereiten Sie sich darauf vor, viel über das zu lernen, was zu Recht als das wichtigste Material der Bau- und Ingenieurgeschichte bezeichnet werden kann,

Wie Sie sicher wissen, dass Sie es gesehen, gehört und mit ihm in Kontakt gekommen sind, ist Stahl vor allem für seine Haltbarkeit, Härte und Zähigkeit bekannt. In einigen Fällen ist es auch für seinen Glanz bekannt.

Was diese Qualitäten in quantifizierbarer physikalischer Hinsicht bedeuten, ist a sehr hoher Schmelzpunkt (ca. 1.510 °C, höher als die meisten Metalle; Kupfer ist zum Beispiel fast 500 Grad kühler) und a sehr hohe Dichte (7,9 g/cm²³, fast das Achtfache von Wasser).

Stahl ist insgesamt härter und fester als sein sogenanntes Mutterelement Eisen. Und doch ist es extrem flexibel und bekannt für seine hohe Zugfestigkeit (d. h. seine Fähigkeit, aufgebrachten Lasten oder Kräften zu widerstehen, ohne seine Form zu verlieren).

Die Zugfestigkeit aller Stahlsorten ist im Vergleich zu anderen Materialien hoch, variiert jedoch stark zwischen den Stahlsorten. Am unteren Ende liegen die Werte bei ca. 290 N/mm²; am oberen Ende beträgt die Zugfestigkeit bis zu 870 N/mm².

• Ein Quadratmillimeter (mm²) ist nur ein Millionstel Quadratmeter groß. Dies bedeutet, dass Stahl eine Zugfestigkeit von 870 Millionen Newton pro Quadratmeter haben kann – das entspricht einer Masse von 88,8 Millionen Kilogramm oder 195,7 Millionen Pfund (97.831 Tonnen) auf der Erde!

Wenn Sie jemals a. verwendet haben gusseiserne Pfanne, haben Sie vielleicht bemerkt, wie bemerkenswert robust (oder zumindest schwer) es schien. Wenn Eisen der einzige oder fast einzige Bestandteil einer Pfanne ist, ist es spröder als Stahl.

Aber für die meisten alltäglichen Kochtemperaturen (die "heiß" erscheinen, aber bei weitem nicht wie ein Schmelzofen sind), ist die Der funktionelle Unterschied zwischen Eisen und Stahl ist möglicherweise nicht ohne weiteres erkennbar, auch wenn sie normalerweise etwas aussehen anders.

Der größte Teil des heute produzierten Stahls heißt einfach Kohlenstoffstahl, oder Kohlenstoffstahl, obwohl es neben Eisen und Kohlenstoff auch Metalle wie Silizium und Mangan enthalten kann.

Die Menge der Stahlvariationen mag an der Oberfläche nicht signifikant erscheinen, da Kohlenstoff nie mehr als 1,5 Prozent des Stahls ausmacht. Wenn Sie jedoch bedenken, dass dieser kleine Anteil selbst um den Faktor 10 (0,15 bis 1,5 Prozent) reichen kann, werden Sie die physischen Auswirkungen, die dies haben kann, zu schätzen wissen.

Stahl lässt sich anhand verschiedener Kriterien in verschiedene Kategorien einteilen. Diejenigen, die von Wissenschaftlern verwendet werden (die sich oft mehr mit den Eigenschaften der Dinge beschäftigen als mit den eigentlichen) deren Verwendung) unterscheiden sich oft von denen, deren Hauptanliegen die Art der Endprodukte sind, aus denen Stahl.

Mechanisch: Wie bereits erwähnt, kann die Zugfestigkeit von Stahl zwischen 290 N/m. liegen² und 870 N/m². Das Hinzufügen von Kohlenstoff zu Stahl erschwert es aufgrund der Art und Weise, wie sich die Kohlenstoffatome tatsächlich verteilen sich so zwischen den Eisenatomen, dass Materialversetzungen sehr erschwert werden, "Körner" von Fe₃C. Dies macht Stahl auch spröder als Eisen, so dass die Umwandlung von Eisen in Stahl trotz der offensichtlichen Vorteile des letzteren nicht zu null praktischen Kosten führt.

Stahl, der aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften klassifiziert wird, beginnt mit "Fe", und es folgt 1) E und der Mindeststreckgrenzenwert ist der Stahl wird hauptsächlich auf dieser Grundlage klassifiziert_, oder 2) nur der Wert der Zugfestigkeit, wenn dies das primäre Klassifizierungsmerkmal ist. (_Fließspannung ist ein Maß für den Widerstand gegen mechanische Verformung.)

• „Fe 290“ ist beispielsweise Stahl mit einer Zugfestigkeit von 290 N/mm2. während "Fe E 220" Stahl mit einer Streckgrenze von 220 N/mm. ist².

Chemisch: Normale Kohlenstoffstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 % bis 1,5 % werden in Abhängigkeit von ihrem spezifischen Kohlenstoffgehalt in die folgenden Typen unterteilt.

1. Toter Baustahl — bis zu 0,15

   Prozent

   Kohlenstoff 2. Kohlenstoffarmer oder weicher Stahl — 0,15

   Prozent

   bis 0,45

   Prozent

   Kohlenstoff 3. Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt — 0,45

   Prozent

   bis 0.8

   Prozent

   Kohlenstoff 4. Kohlenstoffstahl — 0.8

   Prozent

   bis 1,5

   Prozent

   Kohlenstoff

Rostfreier Stahl ist eine Stahlsorte, die ihren Namen von ihrer Beständigkeit gegen Oxidation (rosten) sowie zu Korrosion, als das, was bei der Anwendung einer starken Säure auftreten könnte. Es wurde 1913 vom britischen Metallurgen erfunden invented Harry Brearley, der das entdeckte, indem er das Metall hinzufügte Chrom zu Stahl in hohen Mengen (13 Prozent) würde das Chrom mit Luftsauerstoff reagieren, um einen sich selbst erneuernden Schutzfilm um das Objekt herum zu bilden.

Heutzutage werden eine Reihe von Edelstahlsorten verwendet:

• Martensitische Edelstähle enthalten 12 bis 14

  Prozent

  Chrom und 0,12 bis 0,35

  Prozent

  Carbon und waren die ersten entwickelten Edelstähle. Diese Stähle sind magnetisch und können durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Diese werden unter anderem in Hydraulikpumpen, Dampfpumpen, Ölpumpen und Ventilen eingesetzt.
  * Ferritische Edelstähle haben einen größeren Chromgehalt (16 bis 18

  Prozent) und etwa 0,12

  Prozent

  Kohlenstoff. Diese Stähle sind korrosionsbeständiger als martensitische nichtrostende Stähle, haben jedoch eine geringe Fähigkeit, durch Wärmeeinwirkung gehärtet zu werden. Diese Edelstähle werden aufgrund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit hauptsächlich in Umform- und Pressvorgängen eingesetzt.
  * Austenitische Edelstähle enthalten eine große Menge an Chrom und Nickel; Es gibt viele Variationen in der genauen chemischen Zusammensetzung, aber die am häufigsten verwendeten bestehen aus 18

  Prozent

  Chrom und 8

  Prozent

  Nickel, mit minimalem Kohlenstoffgehalt. Sie sind sehr korrosionsbeständig, jedoch nicht in nennenswertem Maße wärmebehandelbar. Diese Stähle werden in Pumpenwellen, Rahmen, Ummantelungen und alltäglichen Komponenten wie Schrauben, Muttern und Bolzen verwendet.

Sie haben bereits gesehen, wie Legierungen ein bereits nützliches Material besser, oder vielleicht genauer gesagt, spezialisierter machen können. Wie funktioniert dieser Prozess auf molekularer Ebene?

Die meisten reinen Metalle, obwohl viele hart erscheinen, sind eigentlich zu weich, um in der Schwerindustrie verwendet zu werden. (Eine bemerkenswerte Ausnahme ist die Automobilindustrie, wo Stahl größtenteils unlegiert bleibt und fast reines Eisen enthält.) Aber auch das Einmischen anderer Metalle kann zu hervorragenden Ergebnissen führen.

Beispielsweise, Nickel und Chrom sind korrosionsbeständig und für ihren Einsatz in chirurgischen Instrumenten aus Edelstahl bekannt. Wird eine Legierung mit höherer magnetischer Permeabilität für den Einsatz in Stahlmagneten gewünscht, Kobalt ist eine ausgezeichnete Wahl.

Mangan wird aufgrund seiner hohen Festigkeit und Härte in größeren Projekten wie schweren Bahnübergängen eingesetzt. Schließlich, Molybdän ist in der Lage, seine Festigkeit bei ungewöhnlich hohen Temperaturen auch für Metalle zu bewahren und wird in Präzisionsanwendungen wie Hochgeschwindigkeitsbohrspitzen verwendet.

• Wenn größere Ionen in das vorhandene Stahlgitter aufgenommen werden, wird das Gitter so gestört, dass es erschwert das Aneinandergleiten benachbarter "Schichten", was die Stahls Härte. Das Hinzufügen kleinerer Atome kann den gleichen Effekt über eine andere Form der mechanischen Störung der Eisenkristallgitterstruktur haben.

Zu den vielen wünschenswerten Eigenschaften von Stahl gehört, dass er umweltfreundlich ist. Es sieht vielleicht nicht immer so aus, wenn große Stahlkonstruktionen die Himmelslandschaft an oft unangenehmen Orten punktieren, aber es ist großartig Haltbarkeit bedeutet, dass es sich zum Beispiel nicht in etwas Giftiges zersetzt und ungesehen in das Grundwasser und andere gelangt Bereiche. Erneuerbare Energiequellen (z. B. Solar-, Wind- und Wasserkraft) nutzen Edelstahl in großem Umfang.

• Stahl ist heute das am häufigsten recycelte Material auf der Erde; Obwohl es schwer ist, erleichtern seine magnetischen Eigenschaften die Rückgewinnung aus Bächen und anderen Orten als andere Abfallarten. Es kann CO. reduzieren₂ Emissionen.

Im Vergleich zu anderen Werkstoffen benötigt Stahl beim Bau relativ leichter Stahlelemente einen geringen Energieaufwand und lässt sich in verschiedene Formen bringen. Es gibt eine bessere Form und Schärfe als Eisen, das zur Herstellung von Waffen verwendet wird.

Stahl wird, wie erwähnt, in der Automobilindustrie verwendet. Denken Sie an die Zahl der Autos, die nur in Ihrer eigenen Stadt während der Hauptverkehrszeit unterwegs sind, alle mit Karosserien, Türen, Motoren, Aufhängungen und Innenräumen, die größtenteils aus Stahl bestehen.

• Im Durchschnitt bestehen 50 Prozent eines Autos aus Stahl.

Abgesehen von seiner Rolle in Personenkraftwagen wird Stahl bei der Herstellung von landwirtschaftlichen Fahrzeugen und Maschinen verwendet.

Die meisten Geräte in modernen Haushalten wie Kühlschränke, Fernseher, Spülen, Öfen usw. sind aus "normalem" Stahl gefertigt. Auch diejenigen, die gerne Zeit in der Küche verbringen, wissen um die Rolle von Edelstahl bei edlem Besteck. Edelstähle eignen sich insbesondere für die einfache Aufrechterhaltung einer sterilen Umgebung, was eine der Eigenschaften ist, die sie zu einer guten Wahl für chirurgische Instrumente und Implantate macht.

Weil es sich zum einfachen Herstellen von Schweißnähten eignet, Stahl, mehr als nur das Unsichtbare zu machen Rahmen moderner Strukturen, hat sich in Beispielen zeitgenössischer die Architektur. Im Baualltag wird so genannter "weicher" Stahl verwendet, insbesondere in Gebieten, in denen starke Winde das lokale Klima prägen.

Stahl selbst ist eine Legierung und hat per Definition keine chemische oder molekulare Formel, unabhängig von der Art. Dennoch ist es nützlich, einige der wichtigen Reaktionen zu untersuchen, die bei der Stahlherstellung ablaufen.

Bei der Verbrennung von Eisen plus Stahlschrott oder in manchen Fällen auch nur Stahlschrott laufen verschiedene Reaktionen ab. Einige der wichtigsten sind:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 P₅Ö₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
Das CO (Kohlendioxid) ist ein Abfallprodukt, aber der Rest wird dem Kalk zugesetzt, um den Stahlherstellungsprozess durch Umformen fortzusetzen Schlacke.