Teräksen ominaisuudet ja käyttötarkoitukset

Rakenteet, jotka on valmistettu pääasiassa tai suurelta osin materiaalista, joka tunnetaan nimellä teräs saattaa olla vain ihmiskunnan merkittävimpiä lisäyksiä maapallon maisemaan.

Jos koko maapallon elämä teleportoitaisiin muualle ja ryhmä ulkomaalaisia ​​sattuisi tutkimaan, heidän löytämänsä kestävimmät ja näyttävimmät esineet, jotka eivät selvästikään luonnon geologisissa prosesseissa syntyvät teräkset: pilvenpiirtäjiä, siltoja, raskaita koneita ja pohjimmiltaan mitä tahansa aika.

Sinulla on ehkä jonkin verran tietoa siitä, mistä teräs "tulee" ja mikä se on "." Jos ei muuta, tiedät varmasti, miltä se yleensä näyttää, tuntuu ja ehkä jopa kuulostaa tietyissä tapauksissa.

Jos ajattelet terästä metallina, se on luonnollista, mutta teräs on itse asiassa luokiteltu metalliksi metalliseos tai sekoitus erilaisia ​​metalleja. Tässä tapauksessa melkein kaikki primäärimetalli on rautaa, riippumatta siitä, mikä resepti on, mutta kuten näette, jopa pienet määrät hiiltä voivat muuttaa teräksen ominaisuuksia merkittävästi.

Valmistaudu oppimaan paljon siitä, mitä voidaan oikeutetusti kutsua rakennus- ja tekniikan historian tärkeimmäksi materiaaliksi,

Kuten epäilemättä tiedät nähneesi, kuulluistasi ja kosketuksestasi tavarasi osuuteen, teräs tunnetaan ennen kaikkea kestävyydestään, kovuudestaan ​​ja sitkeydestään. Joissakin tapauksissa se tunnetaan myös kiiltävyydestään.

Mitä nämä ominaisuudet tarkoittavat kvantifioitavissa fyysisin termein, on a erittäin korkea sulamispiste (noin 1 510 ° C, korkeampi kuin useimmat metallit; esimerkiksi kupari on lähes 500 astetta viileämpi) ja a erittäin tiheä (7,9 g / cm)³, melkein kahdeksankertainen verrattuna veteen).

Teräs on kovempaa ja vahvempaa kuin ns. Emoelementti, rauta. Silti se on erittäin joustava ja tunnettu sen korkea vetolujuus (ts. sen kyky kestää kohdistettuja kuormia tai voimia menettämättä muotoa).

Kaikentyyppisten terästen vetolujuus on korkea verrattuna muihin materiaaleihin, mutta vaihtelee merkittävästi terästyyppien välillä. Alimmassa päässä arvot ovat noin 290 N / mm²; yläpäässä vetolujuus on jopa 870 N / mm².

• Yksi neliömillimetri (mm²) on vain miljoonasosa neliömetristä. Tämä tarkoittaa, että teräksen vetolujuus voi olla 870 miljoonaa newtonia neliömetrillä - mikä vastaa 88,8 miljoonan kilon eli 195,7 miljoonan punnan (97831 tonnia) massaa Maan päällä!

Jos olet joskus käyttänyt a valurautainen paistinpannu, olet ehkä huomannut kuinka uskomattoman tukeva (tai ainakin raskas) se näytti. Kun rauta on pannun kaltaisen ainut tai lähes ainoa komponentti, se on hauraampaa kuin teräs.

Mutta useimmissa jokapäiväisissä ruoanlaittolämpötiloissa (jotka näyttävät "kuumilta", mutta eivät läheskään sulatusuunin kaltaisia), raudan ja teräksen välinen toiminnallinen ero ei välttämättä ole ilmeinen, vaikka ne yleensä näyttävätkin jonkin verran eri.

Suurinta osaa nykyään tuotetusta teräksestä kutsutaan yksinkertaisesti hiiliterästai tavallinen hiiliteräs, vaikka se voi sisältää raudan ja hiilen lisäksi metalleja, kuten piitä ja mangaania.

Teräsvaihteluiden määrä ei välttämättä näytä merkittävältä pinnalla, koska hiili ei koskaan muodosta yli 1,5 prosenttia teräksestä. Kun kuitenkin katsot, että tämä pieni osa voi itse vaihdella kertoimella 10 (0,15 - 1,5 prosenttia), alat ymmärtää fyysisiä vaikutuksia, joita sillä voi olla.

Teräs voidaan jakaa eri luokkiin useilla kriteereillä. Ne, joita tutkijat käyttävät (jotka ovat usein kiinnostuneempia asioiden ominaisuuksista kuin itse asiassa käyttävät niitä) ovat usein erilaisia ​​kuin ne, joiden tärkein huolenaihe on lopputuotetyypit teräs.

Mekaaninen: Kuten todettiin, teräksen vetolujuus voi vaihdella välillä 290 N / m² ja 870 N / m². Hiilen lisääminen teräkseen vaikeuttaa sitä, koska hiiliatomit leviävät itsensä rautatomien joukossa tavalla, joka tekee materiaalin sijoiltaan muodostumisen erittäin vaikeaksi Fe: n "jyvät"₃C. Tämä tekee teräksestä myös hauraampaa kuin rauta, joten raudan muuntaminen teräkseksi ei sen käytännöllisistä kustannuksista huolimatta ole nolla.

Mekaanisten ominaisuuksiensa perusteella luokiteltu teräs alkaa kirjaimella "Fe", ja seuraava on 1) E ja pienin myötöraja-arvo on, että teräs luokitellaan pääasiassa tällä perusteella_, tai 2) vain vetolujuuden arvo, jos tämä on ensisijainen luokituspiirre. (_Tuoton stressi on mitta mekaanisen muodonmuutoksen vastustuskyvystä.)

• Esimerkiksi "Fe 290" on terästä, jonka vetolujuus on 290 N / mm2. kun taas "Fe E 220" on terästä, jonka myötöraja on 220 N / mm².

Kemiallinen: Tavalliset hiiliteräkset, jotka vaihtelevat 0,06 prosentista 1,5 prosenttiin hiiltä, ​​jaetaan seuraaviin tyyppeihin riippuen niiden hiilipitoisuudesta.

1. Kuollut mieto teräs - jopa 0,15

   prosenttia

   hiili 2. Vähähiilinen tai mieto teräs - 0,15

   prosenttia

   arvoon 0,45

   prosenttia

   hiili 3. Keskihiiliteräs - 0,45

   prosenttia

   arvoon 0,8

   prosenttia

   hiili 4. Hiiliteräs - 0,8

   prosenttia

   arvoon 1,5

   prosenttia

   hiiltä

Ruostumaton teräs on terästyyppi, joka saa nimensä sen kestävyydestä hapettuminen (ruostuminen) sekä korroosio, kuin mitä voi esiintyä levittämällä vahvaa happoa. Sen keksi vuonna 1913 brittiläinen metallurgisti Harry Brearley, joka huomasi sen lisäämällä metallia kromi teräkseen suurina määrinä (13 prosenttia), kromi reagoi ilmassa olevan hapen kanssa muodostaen itsensä uusiutuvan suojakalvon kohteen ympärille.

Nykyään käytössä on useita ruostumattomasta teräksestä valmistettuja tyyppejä:

• Martensiittiset ruostumattomat teräkset sisältää 12-14

  prosenttia

  kromia ja 0,12 - 0,35

  prosenttia

  hiili ja ne olivat ensimmäisiä kehitettyjä ruostumattomia Nämä teräkset ovat magneettinen ja voidaan kovettaa käsittelemällä niitä lämmöllä. Näitä käytetään muun muassa hydraulipumpuissa, höyrypumpuissa, öljypumppuissa ja venttiileissä.
  * Ferriittiset ruostumattomat teräkset on suurempi määrä kromia (16-18

  prosenttia) ja noin 0,12

  prosenttia

  hiili. Nämä teräkset ovat korroosionkestävämpiä kuin martensiittiset ruostumattomat teräkset, mutta niillä ei ole kovin kovettumiskykyä lämmön avulla. Näitä ruostumattomia teräksiä käytetään pääasiassa muovaus- ja puristustöissä niiden korkean korroosionkestävyyden vuoksi.
  * Austeniittiset ruostumattomat teräkset sisältävät suuren määrän sekä kromia että nikkeliä; tarkassa kemiallisessa koostumuksessa on monia vaihteluita, mutta yleisimmin käytetyt koostumukset ovat 18

  prosenttia

  kromia ja 8

  prosenttia

  nikkeli, hiili pidetään minimissä. Ne kestävät hyvin korroosiota kustannuksella, että niitä ei voida lämpökäsitellä missään tuntuvassa määrin. Näitä teräksiä käytetään pumpun akseleissa, kehyksissä, vaipassa ja jokapäiväisissä osissa, kuten ruuveissa, muttereissa ja pulteissa.

Olet jo nähnyt, kuinka seokset voivat tehdä jo hyödyllisestä materiaalista paremman tai kenties enemmän erikoistuneen. Kuinka tämä prosessi toimii molekyylitasolla?

Suurin osa puhtaista metalleista, vaikka monet näyttävät kovilta, ovat itse asiassa liian pehmeitä käytettäväksi raskaassa valmistuksessa. (Yksi merkittävä poikkeus on autoteollisuus, jossa teräs jätetään enimmäkseen seostamattomaksi ja sisältää melkein puhdasta rautaa.) Mutta sekoittaminen muihin metalleihin voi tuottaa erinomaisia ​​tuloksia.

Esimerkiksi, nikkeli ja kromi ovat korroosionkestäviä ja tunnetaan sisällyttämisestä ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin kirurgisiin instrumentteihin. Jos halutaan korkeamman magneettisen läpäisevyyden omaavaa seosta käytettäväksi teräsmagneeteissa, koboltti on erinomainen valinta.

Mangaani käytetään huomattavan lujuuden ja kovuuden vuoksi suuremman mittakaavan projekteissa, kuten raskaissa risteyksissä. Lopuksi, molybdeeni pystyy säilyttämään lujuutensa epätavallisen korkeissa lämpötiloissa jopa metallien standardien mukaisesti ja sitä käytetään tarkkuussovelluksissa, kuten suurten nopeuksien porakärjissä.

• Kun olemassa olevaan teräsristikkoon lisätään suurempia ioneja, se häiritsee hilaa siten, että se vaikeuttaa vierekkäisten "kerrosten" liukumista toistensa ohi, mikä lisää teräksen kovuus. Pienempien atomien lisäämisellä voi olla sama vaikutus rautakiteen hilarakenteen erilaisen mekaanisen hajoamisen kautta.

Teräksen monien toivottavien ominaisuuksien joukossa on, että se on ympäristöystävällistä. Se ei välttämättä aina näytä siltä, ​​kun suuret teräsrakenteet pilkottavat pilven maisemaa usein epämiellyttävissä paikoissa, mutta se on hienoa Kestävyys tarkoittaa, että esimerkiksi se ei hajoa myrkylliseksi ja huuhtoutuu näkymättömäksi pohjaveteen ja muuhun alueilla. Uusiutuvat energialähteet (esim. Aurinko-, tuuli- ja vesivoima) käyttävät runsaasti ruostumatonta terästä.

• Teräs on nyt maailman kierrätetyin materiaali; vaikka se on raskas, sen magneettiset ominaisuudet tekevät siitä helpommin talteen otettavan virroista ja muista paikoista kuin muusta jätteestä. Se voi vähentää CO: ta₂ päästöjä.

Verrattuna muihin materiaaleihin, teräs vaatii vähän energiaa rakentaessaan suhteellisen kevyitä teräselementtejä, ja se voidaan muotoilla eri muodoiksi. Se antaa paremman muodon ja reunan kuin rauta, jota käytetään aseiden valmistamiseen.

Terästä, kuten todettiin, käytetään autoteollisuudessa. Ajattele autojen lukumäärää vain oman kaupunkisi teillä ruuhka-aikoina, joissa kaikissa on korit, ovet, moottorit, jouset ja sisätilat, jotka koostuvat pääosin teräksestä.

• Keskimäärin 50 prosenttia autosta on valmistettu teräksestä.

Sen lisäksi, että terästä käytetään henkilöautoissa, sitä käytetään maatalousajoneuvojen ja koneiden tuotannossa.

Suurin osa nykyaikaisen kodin laitteista, kuten jääkaapit, televisiot, lavuaarit, uunit ja niin edelleen, on valmistettu "tavallisesta" teräksestä. Myös ne, joilla on jeniä viettämään aikaa keittiössä, ovat tietoisia ruostumattoman teräksen roolista hienoissa ruokailuvälineissä. Ruostumattomat teräkset soveltuvat erityisesti steriilin ympäristön helppoon ylläpitoon, mikä on yksi niistä ominaisuuksista, jotka tekevät siitä hyvän valinnan kirurgisiin instrumentteihin ja implantteihin.

Koska se soveltuu hitsien, teräksen, helppoon muodostumiseen, ei vain pelkään näkymätön muodostamiseen nykyaikaisten rakenteiden puitteissa, on tullut esiin itsenäisesti nykyaikaisissa esimerkeissä arkkitehtuuri. Niin sanottua "mietoa" terästä käytetään jokapäiväisessä talonrakentamisessa, erityisesti alueilla, joilla voimakas tuuli on ominaista paikalliseen ilmastoon.

Teräs itsessään on seos, eikä sillä ole määritelmän mukaan kemiallista tai molekyylikaavaa tyypistä riippumatta. On kuitenkin hyödyllistä tutkia joitain tärkeitä reaktioita, jotka tapahtuvat teräksen valmistusprosessissa.

Raudan ja teräsromun tai joissakin tapauksissa yksinomaan teräsromun palamiseen liittyy useita erilaisia ​​reaktioita. Jotkut tärkeistä ovat:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5O₂ → 4 P₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (hiilidioksidi) on jätetuote, mutta loput lisätään kalkkiin teräksen valmistusprosessin jatkamiseksi muodostamalla kuona.