Ιδιότητες & χρήσεις χάλυβα

Δομές που κατασκευάζονται κυρίως ή σε μεγάλο βαθμό από το υλικό που είναι γνωστό ως ατσάλι μπορεί να είναι οι πιο εμφανείς προσθήκες της ανθρωπότητας στο τοπίο της Γης.

Εάν όλη η ζωή στη Γη τηλεμεταφέρθηκε αλλού, και μια ομάδα εξωγήινων έτυχε να ερευνήσει, τα πιο ανθεκτικά και επιβλητικά αντικείμενα που θα βρήκαν που δεν είχαν σαφώς που προέκυψε από φυσικές γεωλογικές διεργασίες θα περιείχε χάλυβα: ουρανοξύστες, γέφυρες, βαριά μηχανήματα και ουσιαστικά οτιδήποτε απαιτείται για να αντέξει ισχυρές δυνάμεις πάνω χρόνος.

Ίσως έχετε κάποια γνώση από πού προέρχεται ο χάλυβας και τι είναι. " Αν δεν υπάρχει τίποτα άλλο, σίγουρα ξέρετε τι μοιάζει γενικά, αισθάνεται και ίσως ακούγεται ακόμη και σε ορισμένες περιπτώσεις.

Εάν πιστεύετε ότι ο χάλυβας είναι μέταλλο, αυτό είναι φυσικό, αλλά ο χάλυβας στην πραγματικότητα ταξινομείται ως κράμα ή ένα μείγμα διαφορετικών μετάλλων. Σε αυτήν την περίπτωση, σχεδόν όλο το πρωτογενές μέταλλο είναι σίδηρος ανεξάρτητα από τη συγκεκριμένη συνταγή, αλλά όπως θα δείτε, ακόμη και μικρές ποσότητες άνθρακα μπορούν να αλλάξουν τις ιδιότητες του χάλυβα.

Προετοιμαστείτε για να μάθετε πολλά για αυτό που δικαίως μπορεί να ονομαστεί το πιο σημαντικό υλικό στην ιστορία των κατασκευών και της μηχανικής,

Όπως σίγουρα γνωρίζετε ότι έχετε δει, ακούσει και έρθει σε επαφή με το μερίδιό σας, ο χάλυβας είναι γνωστός κυρίως για την ανθεκτικότητα, τη σκληρότητα και τη σκληρότητά του. Σε ορισμένες περιπτώσεις, φημίζεται και για τη λάμψη του.

Σε τι μεταφράζονται αυτές οι ιδιότητες σε ποσοτικά προσδιορίσιμους φυσικούς όρους είναι πολύ υψηλό σημείο τήξης (περίπου 1.510 ° C, υψηλότερο από τα περισσότερα μέταλλα. ο χαλκός, για παράδειγμα, είναι σχεδόν 500 βαθμοί πιο κρύος) και a πολύ υψηλή πυκνότητα (7,9 g / cm³, σχεδόν οκτώ φορές μεγαλύτερη από αυτή του νερού).

Ο χάλυβας είναι πιο σκληρός και ισχυρότερος από το λεγόμενο μητρικό στοιχείο, το σίδερο. Ωστόσο, είναι εξαιρετικά ευέλικτο και γνωστό για το υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό (δηλαδή, η ικανότητά του να αντέχει σε φορτία ή δυνάμεις, χωρίς να χάνει το σχήμα του).

Η αντοχή σε εφελκυσμό όλων των τύπων χάλυβα είναι υψηλή σε σύγκριση με άλλα υλικά, αλλά διαφέρει σημαντικά μεταξύ των τύπων χάλυβα. Στο χαμηλό άκρο, οι τιμές είναι περίπου 290 N / mm²; στο υψηλό άκρο, η αντοχή εφελκυσμού είναι τόσο υψηλή όσο 870 N / mm².

• Ένα τετραγωνικό χιλιοστόμετρο (mm²) είναι μόνο το ένα εκατοστό του τετραγωνικού μέτρου. Αυτό σημαίνει ότι ο χάλυβας μπορεί να έχει εφελκυστική ισχύ 870 εκατομμυρίων Newton ανά τετραγωνικό μέτρο - ίση με μάζα 88,8 εκατομμυρίων κιλών, ή 195,7 εκατομμύρια λίβρες (97,831 τόνοι), στη Γη!

Εάν έχετε χρησιμοποιήσει ποτέ ένα κατσαρόλα από χυτοσίδηρο, ίσως έχετε παρατηρήσει πόσο εξαιρετικά ανθεκτικό (ή τουλάχιστον βαρύ) φαινόταν. Όταν ο σίδηρος είναι το μοναδικό ή σχεδόν μοναδικό συστατικό κάτι σαν τηγάνι, είναι πιο εύθραυστο από το χάλυβα.

Αλλά για τις περισσότερες καθημερινές θερμοκρασίες μαγειρέματος (που φαίνονται "ζεστές", αλλά δεν είναι πουθενά κοντά σε φούρνο) Η λειτουργική διαφορά μεταξύ σιδήρου και χάλυβα μπορεί να μην είναι άμεσα εμφανής, ακόμα κι αν φαίνονται συνήθως κάπως διαφορετικός.

Το μεγαλύτερο μέρος του χάλυβα που παράγεται σήμερα ονομάζεται απλά χάλυβας άνθρακα, ή απλός χάλυβας άνθρακα, παρόλο που μπορεί να περιέχει μέταλλα εκτός από σίδηρο και άνθρακα, όπως πυρίτιο και μαγγάνιο.

Η ποσότητα της διακύμανσης του χάλυβα μπορεί να μην φαίνεται σημαντική στην επιφάνεια, επειδή ο άνθρακας δεν αποτελεί ποτέ περισσότερο από 1,5 τοις εκατό του χάλυβα. Ωστόσο, όταν θεωρείτε ότι αυτό το μικρό κλάσμα μπορεί να κυμαίνεται από έναν συντελεστή 10 (0,15 τοις εκατό έως 1,5 τοις εκατό), αρχίζετε να εκτιμάτε τον φυσικό αντίκτυπο που μπορεί να έχει.

Ο χάλυβας μπορεί να χωριστεί σε διαφορετικές κατηγορίες χρησιμοποιώντας διάφορα κριτήρια. Εκείνοι που χρησιμοποιούνται από επιστήμονες (οι οποίοι συχνά ενδιαφέρονται περισσότερο για τις ιδιότητες των πραγμάτων παρά για την πραγματικότητα τη χρήση τους) είναι συχνά διαφορετικές από εκείνες των οποίων το κύριο μέλημα είναι τα είδη των τελικών προϊόντων από ατσάλι.

Μηχανικός: Όπως σημειώθηκε, η αντοχή εφελκυσμού του χάλυβα μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 290 N / m² και 870 N / m². Η προσθήκη άνθρακα στο χάλυβα το καθιστά δυσκολότερο λόγω του τρόπου με τον οποίο τα άτομα άνθρακα διασκορπίζονται μεταξύ των ατόμων σιδήρου με τρόπο που καθιστά πολύ δύσκολη τη διαμόρφωση του υλικού "κόκκοι" του Fe₃ΝΤΟ. Αυτό καθιστά επίσης τον χάλυβα πιο εύθραυστο από τον σίδηρο, οπότε η μετατροπή του σιδήρου σε χάλυβα, παρά τα εμφανή πλεονεκτήματα του τελευταίου, δεν έχει μηδενικό πρακτικό κόστος.

Ο χάλυβας που ταξινομείται με βάση τις μηχανικές του ιδιότητες ξεκινά με "Fe" και αυτό που ακολουθεί είναι 1) E και η ελάχιστη τιμή τάσης απόδοσης είναι ο χάλυβας ταξινομείται κυρίως σε αυτή τη βάση_, ή 2) μόνο την τιμή της αντοχής σε εφελκυσμό εάν αυτό είναι το κύριο χαρακτηριστικό ταξινόμησης. (_Απόδοση στρες είναι ένα μέτρο αντίστασης στη μηχανική παραμόρφωση.)

• Για παράδειγμα, το "Fe 290" είναι χάλυβας με αντοχή εφελκυσμού 290 N / mm2. ενώ το "Fe E 220" είναι ατσάλι με τάση απόδοσης 220 N / mm².

Χημική ουσία: Οι απλοί χάλυβες άνθρακα που κυμαίνονται από 0,06 τοις εκατό άνθρακα έως 1,5 τοις εκατό άνθρακας χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους ανάλογα με τη συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε άνθρακα.

1. Νεκρός ήπιος χάλυβας - έως 0,15

   τοις εκατό

   άνθρακας 2. Χαμηλός άνθρακας ή ήπιος χάλυβας - 0,15

   τοις εκατό

   έως 0,45

   τοις εκατό

   άνθρακας 3. Μέσος άνθρακας χάλυβας - 0,45

   τοις εκατό

   έως 0,8

   τοις εκατό

   άνθρακας 4. Χάλυβας υψηλού άνθρακα - 0,8

   τοις εκατό

   έως 1.5

   τοις εκατό

   άνθρακας

Ανοξείδωτο ατσάλι είναι ένας τύπος χάλυβα που παίρνει το όνομά του από την αντοχή του οξείδωση (σκουριά) καθώς και διάβρωση, όπως αυτό που μπορεί να προκύψει από την εφαρμογή ενός ισχυρού οξέος. Εφευρέθηκε το 1913 από τον Βρετανό μεταλλουργό Χάρι Μπράρλι, ο οποίος το ανακάλυψε προσθέτοντας το μέταλλο χρώμιο σε χάλυβα σε υψηλές ποσότητες (13 τοις εκατό), το χρώμιο θα αντιδρά με οξυγόνο στον αέρα για να σχηματίσει ένα αυτοανανεώσιμο προστατευτικό φιλμ γύρω από το αντικείμενο.

Σήμερα χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι ανοξείδωτου χάλυβα:

• Μαρτενσιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες περιέχουν 12 έως 14

  τοις εκατό

  χρώμιο και 0,12 έως 0,35

  τοις εκατό

  άνθρακα και ήταν το πρώτο ανοξείδωτο χάλυβα που αναπτύχθηκε. Αυτοί οι χάλυβες είναι μαγνητικός και μπορεί να σκληρυνθεί με την επεξεργασία τους με θερμότητα. Αυτά χρησιμοποιούνται σε υδραυλικές αντλίες, αντλίες ατμού, αντλίες λαδιού και βαλβίδες, μεταξύ άλλων μηχανολογικού εξοπλισμού.
  * Φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας έχουν μεγαλύτερη ποσότητα χρωμίου (16 έως 18

  τοις εκατό) και περίπου 0,12

  τοις εκατό

  άνθρακας. Αυτοί οι χάλυβες είναι πιο ανθεκτικοί στη διάβρωση από τους μαρτενσιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες, αλλά έχουν μικρή χωρητικότητα για σκλήρυνση με τη χρήση θερμότητας. Αυτοί οι ανοξείδωτοι χάλυβες χρησιμοποιούνται κυρίως στη διαδικασία σχηματισμού και συμπίεσης λόγω της υψηλής αντοχής τους στη διάβρωση.
  * Ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες Περιέχει μεγάλη ποσότητα χρωμίου και νικελίου. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές στην ακριβή χημική σύνθεση, αλλά οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες αποτελούνται από 18

  τοις εκατό

  χρώμιο και 8

  τοις εκατό

  νικέλιο, με τον άνθρακα να διατηρείται στο ελάχιστο. Αντέχουν στη διάβρωση πολύ καλά με το κόστος της μη θερμικής κατεργασίας σε οποιοδήποτε σημαντικό βαθμό. Αυτοί οι χάλυβες χρησιμοποιούνται σε άξονες αντλιών, κουφώματα, θήκες και καθημερινά εξαρτήματα όπως βίδες, παξιμάδια και μπουλόνια.

Έχετε ήδη δει πώς τα κράματα μπορούν να κάνουν ένα ήδη χρήσιμο υλικό καλύτερο, ή ίσως περισσότερο στο σημείο, πιο εξειδικευμένο. Πώς λειτουργεί αυτή η διαδικασία σε μοριακό επίπεδο;

Τα περισσότερα καθαρά μέταλλα, αν και πολλά μοιάζουν σκληρά, στην πραγματικότητα είναι πολύ μαλακά από μόνα τους για να χρησιμοποιηθούν σε βαριά κατασκευή. (Μία αξιοσημείωτη εξαίρεση είναι η αυτοκινητοβιομηχανία, όπου ο χάλυβας αφήνεται ως επί το πλείστον χωρίς κράμα και περιέχει σχεδόν καθαρό σίδηρο.) Αλλά η ανάμιξη σε άλλα μέταλλα μπορεί να αποφέρει εξαιρετικά αποτελέσματα.

Για παράδειγμα, νικέλιο και χρώμιο είναι ανθεκτικά στη διάβρωση και είναι γνωστά για την ένταξή τους σε χειρουργικά εργαλεία κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα. Εάν ένα κράμα με μεγαλύτερη μαγνητική διαπερατότητα είναι επιθυμητό για χρήση σε χάλυβα μαγνήτες, κοβάλτιο είναι μια εξαιρετική επιλογή.

Μαγγάνιο χρησιμοποιείται σε έργα μεγαλύτερης κλίμακας, όπως σιδηροδρομικές διαβάσεις βαρέως τύπου, λόγω της σημαντικής αντοχής και σκληρότητάς της. Τελικά, μολυβδαίνιο είναι σε θέση να διατηρήσει την αντοχή του σε ασυνήθιστα υψηλές θερμοκρασίες ακόμη και σύμφωνα με τα πρότυπα των μετάλλων και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές ακριβείας όπως άκρα τρυπανιού υψηλής ταχύτητας.

• Όταν προστίθενται μεγαλύτερα ιόντα στο υπάρχον χαλύβδινο πλέγμα, αυτό διαταράσσει το πλέγμα με τέτοιο τρόπο ώστε καθιστά πιο δύσκολο για τα γειτονικά "στρώματα" να γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο, γεγονός που αυξάνει το χάλυβα σκληρότητα. Η προσθήκη μικρότερων ατόμων μπορεί να έχει το ίδιο αποτέλεσμα μέσω μιας διαφορετικής μορφής μηχανικής διακοπής στη δομή του δικτυωτού πλέγματος από κρυστάλλους σιδήρου.

Μεταξύ των πολλών επιθυμητών ιδιοτήτων του χάλυβα είναι ότι είναι φιλικό προς το περιβάλλον. Μπορεί να μην φαίνεται πάντα έτσι με μεγάλες χαλύβδινες κατασκευές που στρίβουν το τοπίο σε συχνά δυσάρεστες τοποθεσίες, αλλά είναι υπέροχο ανθεκτικότητα σημαίνει ότι, για παράδειγμα, δεν θα υποβαθμιστεί σε κάτι τοξικό και δεν θα διαρρεύσει αόρατο σε υπόγεια ύδατα και άλλα περιοχές. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (π.χ. ηλιακή, αιολική και υδροηλεκτρική) χρησιμοποιούν άφθονο ανοξείδωτο χάλυβα

• Ο χάλυβας είναι πλέον το πιο ανακυκλωμένο υλικό στη Γη. Αν και είναι βαρύ, οι μαγνητικές του ιδιότητες διευκολύνουν την ανάκτηση από ρεύματα και άλλα μέρη από άλλες μορφές αποβλήτων. Μπορεί να μειώσει το CO₂ εκπομπές.

Σε σύγκριση με άλλα υλικά, ο χάλυβας απαιτεί χαμηλή ποσότητα ενέργειας κατά την κατασκευή σχετικά ελαφρού χάλυβα στοιχείων και μπορεί να διαμορφωθεί σε διάφορες μορφές. Δίνει καλύτερο σχήμα και άκρη από το σίδερο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή όπλων.

Ο χάλυβας, όπως σημειώνεται, χρησιμοποιείται στην αυτοκινητοβιομηχανία. Σκεφτείτε τον αριθμό των αυτοκινήτων στους δρόμους της δικής σας πόλης κατά την ώρα αιχμής, όλα με αμάξωμα, πόρτες, κινητήρες, αναρτήσεις και εσωτερικούς χώρους που αποτελούνται κυρίως από ατσάλι.

• Κατά μέσο όρο, το 50 τοις εκατό ενός αυτοκινήτου είναι κατασκευασμένο από χάλυβα.

Εκτός από το ρόλο του στα επιβατικά οχήματα, ο χάλυβας χρησιμοποιείται στην παραγωγή αγροτικών οχημάτων και μηχανημάτων.

Οι περισσότερες συσκευές σε σύγχρονα σπίτια, όπως ψυγεία, τηλεοράσεις, νεροχύτες, φούρνοι και ούτω καθεξής είναι κατασκευασμένες από "απλό" ατσάλι. Επίσης, όσοι έχουν γεν για να ξοδεψουν χρόνο στην κουζίνα γνωρίζουν πολύ καλά τον ρόλο του ανοξείδωτου χάλυβα στα ωραία μαχαιροπήρουνα. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες προσφέρονται κυρίως για την εύκολη συντήρηση ενός αποστειρωμένου περιβάλλοντος, το οποίο είναι μια από τις ιδιότητες που το καθιστά μια καλή επιλογή για χειρουργικά εργαλεία και εμφυτεύματα.

Επειδή προσφέρεται για τον εύκολο σχηματισμό συγκολλήσεων, χάλυβα, κάτι περισσότερο από το να αποτελεί το αόρατο πλαίσιο των σύγχρονων κατασκευών, έχει γίνει αυτόνομο σε παραδείγματα σύγχρονων αρχιτεκτονική. Ο λεγόμενος "ήπιος" χάλυβας χρησιμοποιείται για την καθημερινή κατασκευή κτιρίων, ειδικά σε περιοχές όπου οι ισχυροί άνεμοι αποτελούν χαρακτηριστικό του τοπικού κλίματος.

Ο ίδιος ο χάλυβας είναι ένα κράμα και εξ ορισμού δεν έχει χημικό ή μοριακό τύπο, ανεξάρτητα από τον τύπο. Ωστόσο, είναι χρήσιμο να εξεταστούν ορισμένες από τις σημαντικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στη διαδικασία παραγωγής χάλυβα.

Η καύση σιδήρου συν θραύσματα χάλυβα ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, μόνο θραύσματα χάλυβα, περιλαμβάνει διάφορες αντιδράσεις. Μερικά από τα σημαντικά είναι:
2 C + O₂ → 2 CO
Σι + Ο₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 Σ₅Ο₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
Η συνεργασία (διοξείδιο του άνθρακα) είναι ένα απόβλητο προϊόν, αλλά το υπόλοιπο προστίθεται στον ασβέστη για να συνεχιστεί η διαδικασία κατασκευής χάλυβα σχηματίζοντας σκωρία.