Terase omadused ja kasutusviisid

Ehitised, mis on valmistatud peamiselt või suures osas materjalist, mis on tuntud kui terasest võib olla lihtsalt inimkonna silmapaistvamaid täiendusi Maa maastikule.

Kui kogu elu Maal teleportreeruks mujale ja juhtuks uurima tulnukate rühm, siis leiaksid nad kõige vastupidavamad ja imposantsemad objektid, mis ilmselgelt polnud looduslike geoloogiliste protsesside käigus tekkinud teras sisaldaks pilvelõhkujaid, sildu, rasketehnikat ja sisuliselt kõike, mis on vajalik tugevate jõudude talumiseks. aeg.

Teil on ehk mõningaid teadmisi selle kohta, kust teras tuleb ja mis see on. Kui mitte midagi muud, siis kindlasti teate, kuidas see teatud juhtudel üldiselt välja näeb, tundub ja võib-olla isegi kõlab.

Kui mõelda terasest kui metallist, on see loomulik, kuid teras klassifitseeritakse tegelikult metalliks sulam või segu erinevatest metallidest. Sel juhul on peaaegu kogu esmane metall raud, hoolimata konkreetsest retseptist, kuid nagu näete, võivad isegi väikesed süsinikukogused terase omadusi oluliselt muuta.

Valmistuge õppima palju selle kohta, mida võib õigusega nimetada kõige olulisemaks materjaliks ehitus- ja inseneriajaloos,

Nagu te kahtlemata teate, kui olete oma kraami osa näinud, kuulnud ja sellega kokku puutunud, on teras tuntud eelkõige oma vastupidavuse, kõvaduse ja sitkuse poolest. Mõnel juhul on see tuntud ka oma läikivuse poolest.

Mida need omadused väljendavad kvantifitseeritavas füüsilises mõttes, on a väga kõrge sulamistemperatuur (umbes 1510 ° C, kõrgem kui enamikul metallidel; näiteks vask on ligi 500 kraadi jahedam) ja a väga kõrge tihedusega (7,9 g / cm)³, peaaegu kaheksa korda suurem kui vees).

Teras on kõvem ja tugevam kui selle nn põhielement raud. Ometi on äärmiselt paindlik ja tuntud selle poolest kõrge tõmbetugevus (s.t selle võime vastu pidada rakendatavatele koormustele või jõududele, kaotamata oma kuju).

Kõigi terasetüüpide tõmbetugevus on teiste materjalidega võrreldes kõrge, kuid varieerub terasetüüpides oluliselt. Madalamas otsas on väärtused umbes 290 N / mm²; kõrgemas otsas on tõmbetugevus kuni 870 N / mm².

• Üks ruutmillimeeter (mm²) on ainult miljonik ruutmeeter. See tähendab, et terase tõmbetugevus võib olla 870 miljonit njuutonit ruutmeetri kohta - võrdne 88,8 miljoni kilogrammi ehk 195,7 miljoni naela (97 831 tonni) massiga Maal!

Kui olete kunagi kasutanud a malmist pann, võite olla märganud, kui märkimisväärselt vastupidav (või vähemalt raske) see tundus. Kui raud on panni taolise ainus või peaaegu ainus koostisosa, on see rabedam kui teras.

Kuid enamiku igapäevaste toiduvalmistamistemperatuuride jaoks (mis tunduvad olevat "kuumad", kuid pole lähedased sulatusahjude sarnastele), raua ja terase funktsionaalne erinevus ei pruugi olla ilmselge, isegi kui need tavaliselt mõnevõrra välja näevad erinevad.

Enamikku tänapäeval toodetud terasest nimetatakse lihtsalt süsinikterasvõi tavaline süsinikteras, kuigi see võib sisaldada metalli peale raua ja süsiniku, näiteks räni ja mangaani.

Terase kõikumise hulk ei pruugi pinnal märkimisväärne välja näha, sest süsinik ei moodusta kunagi üle 1,5 protsendi terasest. Kui aga arvestate, et see väike osa võib ise varieeruda 10 korda (0,15–1,5 protsenti), hakkate hindama selle võimalikku füüsilist mõju.

Terast saab mitmete kriteeriumide alusel jagada erinevatesse kategooriatesse. Need, mida kasutavad teadlased (kes on sageli rohkem seotud asjade omaduste kui tegelike omadustega) nende kasutamine) on sageli erinevad nendest, mille peamine probleem on lõpptoote tüübid terasest.

Mehaaniline: Nagu märgitud, võib terase tõmbetugevus olla vahemikus 290 N / m² ja 870 N / m². Süsiniku lisamine terasele muudab selle raskemaks tegelikult süsinikuaatomite hajumise viisi tõttu ise raua aatomite hulka viisil, mis muudab materjali nihestused väga raskeks, moodustades Fe "terad"₃C. See muudab ka terase rabedamaks, seega ei tule raua muundamine teraseks, vaatamata viimase ilmsetele eelistele, praktiliste kuludega null.

Mehaaniliste omaduste alusel klassifitseeritud teras algab tähega "Fe" ja järgnev on 1) E ja minimaalne voolavuspiiri väärtus on teras klassifitseeritud peamiselt selle alusel_, või 2) lihtsalt tõmbetugevuse väärtus, kui see on peamine klassifikatsioonitunnus. (_Tootlikkus stress on mehaanilise deformatsiooni suhtes vastupidavuse mõõt.)

• Näiteks on "Fe 290" teras, mille tõmbetugevus on 290 N / mm2. "Fe E 220" on teras, mille voolavuspiir on 220 N / mm².

Keemiline: Tavalised süsinikterased, mis varieeruvad vahemikus 0,06 kuni 1,5 protsenti süsinikku, jagunevad järgmistesse tüüpidesse, sõltuvalt nende spetsiifilisest süsinikusisaldusest.

1. Surnud pehme teras - kuni 0,15

   protsenti

   süsinik 2. Madala süsinikusisaldusega või pehme teras - 0,15

   protsenti

   kuni 0,45

   protsenti

   süsinik 3. Keskmine süsinikteras - 0,45

   protsenti

   kuni 0,8

   protsenti

   süsinik 4. Kõrge süsinikusisaldusega teras - 0,8

   protsenti

   kuni 1,5

   protsenti

   süsinik

Roostevaba teras on terasetüüp, mis saab oma nime vastupidavuse suhtes oksüdeerumine (roostetades) kui ka korrosioonnagu see, mis võib tekkida tugeva happe pealekandmisel. Selle leiutas 1913. aastal Briti metallurg Harry Brearley, kes avastas selle metalli lisamisega kroom terase saamiseks suures koguses (13 protsenti) reageeriks kroom õhus oleva hapnikuga, moodustades objekti ümber iseenesest taastuva kaitsekile.

Tänapäeval kasutatakse mitut tüüpi roostevaba terast:

• Martensiitsed roostevabad terased sisaldavad 12 kuni 14

  protsenti

  kroom ja 0,12 kuni 0,35

  protsenti

  ja need olid esimesed roostevabast terasest väljatöötatud tooted. Need terased on magnetiline ja neid saab karastada, töödeldes neid kuumusega. Neid kasutatakse muude inseneriseadmete hulgas ka hüdropumpades, aurupumpades, õlipumpades ja ventiilides.
  * Ferriitsed roostevabad terased teil on suurem kogus kroomi (16-18

  protsenti) ja umbes 0,12

  protsenti

  süsinik. Need terased on korrosioonikindlamad kui martensiitsed roostevabad terased, kuid neil on vähe soojuse kasutamisel kõvenemise võimalusi. Neid roostevabasid teraseid kasutatakse peamiselt korrosioonikindluse tõttu vormimis- ja pressimistöödel.
  * Austeniitsed roostevabad terased sisaldavad suures koguses nii kroomi kui niklit; täpse keemilise koostise variatsioone on palju, kuid kõige sagedamini kasutatakse neid 18

  protsenti

  kroom ja 8

  protsenti

  nikkel, mille süsinik on minimaalne. Nad peavad korrosioonile väga hästi vastu, kuna see ei ole kuumusega märgataval määral töödeldav. Neid teraseid kasutatakse pumba võllides, raamides, mantlites ja igapäevastes komponentides nagu kruvid, mutrid ja poldid.

Olete juba näinud, kuidas sulamid muudavad juba kasuliku materjali paremaks või võib-olla täpsemaks, spetsialiseerunumaks. Kuidas see protsess molekulaarsel tasandil töötab?

Enamik puhtaid metalle, kuigi paljud tunduvad kõvad, on tegelikult iseenesest liiga pehmed, et neid rasketööstuses kasutada. (Üks märkimisväärne erand on autotööstus, kus teras jääb enamasti legeerimata ja sisaldab peaaegu puhast rauda.) Kuid teiste metallide segamine võib anda silmapaistvaid tulemusi.

Näiteks, nikkel ja kroom on korrosioonikindlad ja on tuntud oma lisamise poolest roostevabast terasest valmistatud kirurgilistesse instrumentidesse. Kui terasmagnetites kasutamiseks soovitakse sulamist, millel on suurem magnetiline läbilaskvus, koobalt on suurepärane valik.

Mangaan kasutatakse selle märkimisväärse tugevuse ja kõvaduse tõttu suuremahulistes projektides, näiteks raskeveokite ülesõidukohtades. Lõpuks molübdeen suudab säilitada tugevust ebatavaliselt kõrgel temperatuuril isegi metallide standardite järgi ja seda kasutatakse täppisrakendustes, näiteks kiirete puurotsikute jaoks.

• Kui olemasolevale terasvõreele lisatakse suuremaid ioone, rikub see võre nii, et see raskendab külgnevate "kihtide" üksteisest mööda libisemist, mis suurendab terasest kõvadus. Väiksemate aatomite lisamisel võib olla sama efekt rauakristallvõre struktuuri erineva mehaanilise purunemise kaudu.

Terase paljude soovitavate omaduste hulgas on see, et see on keskkonnasõbralik. See ei pruugi alati nii välja näha, kui suured teraskonstruktsioonid tähistavad pilvelaastet sageli ebameeldivates kohtades, kuid see on suurepärane vastupidavus tähendab, et näiteks see ei lagune mürgiseks ja leostub põhjaveeks ja muuks nähtamatuks piirkondades. Taastuvad energiaallikad (nt päikese-, tuule- ja hüdroenergia) kasutavad roostevaba terast rohkesti.

• Teras on nüüd Maa enim ümbertöödeldud materjal; kuigi see on raske, muudavad selle magnetilised omadused vooludest ja muudest kohtadest taastumise lihtsamaks kui muud liiki jäätmed. See võib vähendada CO₂ heitkogused.

Võrreldes teiste materjalidega nõuab teras suhteliselt kergete teraselementide ehitamisel väikest energiat ja seda saab vormida erinevateks vormideks. See annab parema kuju ja serva kui raud, mida kasutatakse relvade valmistamiseks.

Nagu märgitud, kasutatakse terast autotööstuses. Mõelge tipptunnil ainult oma linna teedel olevate autode arvule, millel kõigil on peamiselt terasest kered, uksed, mootorid, vedrustus ja sisustus.

• Keskmiselt 50 protsenti autost on valmistatud terasest.

Lisaks rollile sõiduautodes kasutatakse terast põllumajandussõidukite ja masinate tootmisel.

Enamik kaasaegsete kodude seadmeid, nagu külmikud, televiisorid, valamud, ahjud ja nii edasi, on valmistatud "tavalisest" terasest. Samuti on need, kellel on jeen köögis aja veetmiseks, teravalt teadlik roostevaba terase rollist peenetes söögiriistades. Roostevabast terasest saab steriilset keskkonda hõlpsasti hooldada, mis on üks omadusi, mis muudab selle heaks valikuks kirurgiliste instrumentide ja implantaatide jaoks.

Kuna see sobib keevisõmbluste, terasest, hõlpsaks moodustamiseks, mitte ainult nähtamatuks muutmiseks moodsate struktuuride raamistik, on tänapäevaste näidete järgi omaette esile tõstetud arhitektuur. Niinimetatud "pehmet" terast kasutatakse igapäevaseks ehitamiseks, eriti piirkondades, kus kohalike kliimale on iseloomulik tugev tuul.

Teras ise on sulam ja sellel pole definitsiooni järgi keemilist ega molekulaarset valemit, olenemata tüübist. Sellest hoolimata on kasulik uurida mõningaid olulisi reaktsioone, mis terase valmistamise protsessis aset leiavad.

Raua pluss vanaraua või teatud juhtudel vanaraua põletamine hõlmab mitmeid erinevaid reaktsioone. Mõned olulised on:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5O₂ → 4 lk₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (süsinikdioksiid) on jääkaine, kuid ülejäänu lisatakse lubjale, et jätkata vormimise teel terase valmistamise protsessi räbu.