Konstrukcije izrađene uglavnom ili uglavnom od materijala poznatog kao željezo možda samo najistaknutiji dodaci čovječanstva zemaljskom krajoliku.
Kad bi se sav život na Zemlji teleportirao negdje drugdje, a slučajno bi istražila skupina izvanzemaljaca, pronašli bi najtrajnije i najimpozantnije predmete koji očito nisu proizašle iz prirodnih geoloških procesa sadržavale bi čelik: nebodere, mostove, teške strojeve i u osnovi sve što je potrebno da izdrži jake sile nad vrijeme.
Možda imate neko znanje o tome odakle čelik "dolazi" i što je "." Ako ništa drugo, zasigurno znate kako to općenito izgleda, osjeća se i možda čak zvuči kao u određenim slučajevima.
Ako čelik smatrate metalom, to je prirodno, ali čelik je zapravo klasificiran kao legura ili mješavina različitih metala. U ovom slučaju, gotovo sav primarni metal je željezo bez obzira na određeni recept, ali kao što ćete vidjeti, čak i male količine ugljika mogu značajno promijeniti svojstva čelika.
Pripremite se da naučite mnogo o onome što se s pravom može nazvati najvažnijim materijalom u povijesti građevine i inženjerstva,
Fizička i kemijska svojstva čelika
Kao što nesumnjivo znate po tome što ste vidjeli, čuli i bili u kontaktu sa svojim udjelom, čelik je poznat prije svega po svojoj trajnosti, tvrdoći i žilavosti. U nekim je slučajevima poznat i po svojoj sjajnosti.
Ono u što se ove osobine prevode u fizički izrazivim količinama jest a vrlo visoko talište (oko 1.510 ° C, više od većine metala; bakar je, na primjer, gotovo 500 stupnjeva hladniji) i a vrlo velika gustoća (7,9 g / cm3, gotovo osam puta više od vode).
Čelik je u cjelini tvrđi i čvršći od svog takozvanog matičnog elementa, željeza. Ipak je izuzetno fleksibilan a poznat po svom velika vlačna čvrstoća (tj. sposobnost da podnese opterećenja ili sile bez gubitka oblika).
Vlačna čvrstoća svih vrsta čelika visoka je u usporedbi s drugim materijalima, ali se značajno razlikuje od vrste čelika. Na donjem kraju vrijednosti su približno 290 N / mm2; na visokom kraju, vlačna čvrstoća iznosi čak 870 N / mm2.
- Jedan kvadratni milimetar (mm2) je samo milijunti dio kvadratnog metra. To znači da čelik može imati vlačnu čvrstoću od 870 milijuna newtona po kvadratnom metru - što je jednako masi od 88,8 milijuna kilograma, odnosno 195,7 milijuna funti (97.831 tona), na Zemlji!
Ako ste ikada koristili a tava od lijevanog željeza, možda ste primijetili kako se čini izuzetno nevjerojatnim (ili barem teškim). Kada je željezo jedina ili gotovo jedina komponenta nečega poput posude, lomljivije je od čelika.
Ali za većinu svakodnevnih temperatura kuhanja (koje se čine "vruće", ali nisu ni blizu peći za taljenje), funkcionalna razlika između željeza i čelika možda neće biti očita, čak i ako obično izgledaju donekle drugačiji.
Vrste čelika
Većina danas proizvedenog čelika jednostavno se naziva ugljični čelik, ili obični ugljični čelik, iako može sadržavati metale osim željeza i ugljika, poput silicija i mangana.
Količina varijacija čelika na površini možda neće izgledati značajna, jer ugljik nikada ne čini više od 1,5 posto čelika. Međutim, kad smatrate da se ta mala frakcija i sama može kretati u faktoru 10 (0,15 posto do 1,5 posto), počinjete cijeniti fizički utjecaj koji to može imati.
Čelik se može podijeliti u različite kategorije koristeći brojne kriterije. Oni koje koriste znanstvenici (koji se često više bave svojstvima stvari nego zapravo često se razlikuju od onih čija je glavna briga vrsta krajnjih proizvoda od kojih se proizvode željezo.
Mehanički: Kao što je napomenuto, vlačna čvrstoća čelika može se kretati između 290 N / m2 i 870 N / m2. Dodavanje ugljika čeliku otežava zbog načina na koji se atomi ugljika zapravo raspršuju koji se nalaze među atomima željeza na način koji otežava formiranje dislokacija materijala "zrna" Fe3C. To također čini čelik lomljivijim od željeza, pa pretvaranje željeza u čelik, unatoč očitim prednostima potonjeg, nema nula praktičnih troškova.
Čelik koji se klasificira na temelju njegovih mehaničkih svojstava započinje s "Fe", a ono što slijedi je 1) E, a minimalna vrijednost napona tečenja je čelik koji se klasificira uglavnom na temelju toga_, ili 2) samo vrijednost vlačne čvrstoće ako je ovo primarno svojstvo klasifikacije. (_Prinos prinosa je mjera otpornosti na mehaničke deformacije.)
- Na primjer, "Fe 290" je čelik vlačne čvrstoće 290 N / mm2. dok je "Fe E 220" čelik s naponom tečenja od 220 N / mm2.
Kemijska: Obični ugljični čelici koji variraju od 0,06 posto do 1,5 posto ugljika podijeljeni su u sljedeće vrste, ovisno o njihovom specifičnom udjelu ugljika.
-
Mrtvi blagi čelik - do 0,15
posto
ugljik 2. Nisko-ugljični ili blagi čelik - 0,15
posto
do 0,45
posto
ugljik 3. Srednje ugljični čelik - 0,45
posto
do 0,8
posto
ugljik 4. Čelik s visokim ugljikom - 0,8
posto
do 1,5
posto
ugljik
Ne hrđajući Čelik je vrsta čelika koja svoje ime dobiva po otpornosti na oksidacija (zahrđao) kao i na korozija, kao ono što bi moglo nastati primjenom jake kiseline. Izumio ga je 1913. godine britanski metalurg Harry Brearley, koji je to otkrio dodavanjem metala krom na čelik u velikim količinama (13 posto), krom bi reagirao s kisikom u zraku stvarajući samoobnavljajući zaštitni film oko predmeta.
Danas se koriste brojne vrste nehrđajućeg čelika:
-
Martenzitni nehrđajući čelici sadrže 12 do 14
posto
krom i 0,12 do 0,35
posto
ugljika i bili su prvi razvijeni nehrđajući čelik. Ovi čelici su magnetski a mogu se stvrdnuti tretiranjem toplinom. Koriste se u hidrauličkim pumpama, parnim crpkama, uljnim crpkama i ventilima, između ostalog inženjerske opreme.
* Feritni nehrđajući čelici imaju veću količinu kroma (16 do 18posto) i oko 0,12
posto
ugljik. Ti su čelici otporniji na koroziju od martenzitnih nehrđajućih čelika, ali imaju malu sposobnost očvršćavanja pomoću topline. Ovi se nehrđajući čelici koriste prvenstveno u postupcima oblikovanja i prešanja zbog visoke otpornosti na koroziju.
* Austenitni nehrđajući čelici sadrže veliku količinu i kroma i nikla; postoje mnoge varijacije u preciznom kemijskom sastavu, ali najčešće korištene sastoje se od 18posto
krom i 8
posto
nikla, s ugljikom svedenim na minimum. Oni se vrlo dobro opiru koroziji po cijenu što se u bilo kojoj značajnoj mjeri ne mogu podvrgnuti toplinskoj obradi. Ovi se čelici koriste u osovinama pumpi, okvirima, oblogama i svakodnevnim komponentama poput vijaka, matica i vijaka.
Svrha legura
Već ste vidjeli kako legure mogu već korisni materijal učiniti boljim, ili možda točnije, specijaliziranijim. Kako taj proces djeluje na molekularnoj razini?
Većina čistih metala, iako se mnogi čine čvrstim, zapravo su premekani da bi se mogli koristiti u teškoj proizvodnji. (Jedna značajna iznimka je automobilska industrija, gdje je čelik uglavnom nelegiran i sadrži gotovo čisto željezo.) Ali miješanje ostalih metala može donijeti izvanredne rezultate.
Na primjer, nikla i krom otporni su na koroziju i poznati su po tome što ih uključuju u kirurške instrumente izrađene od nehrđajućeg čelika. Ako se želi koristiti slitina s većom magnetskom propusnošću za upotrebu u čeličnim magnetima, kobalt je izvrstan izbor.
Mangan koristi se u projektima većih razmjera poput željezničkih prijelaza za velika opterećenja zbog svoje značajne čvrstoće i tvrdoće. Konačno, molibden sposoban je održavati svoju čvrstoću na neobično visokim temperaturama čak i prema standardima metala i koristi se u preciznim primjenama poput brzih vrhova bušenja.
- Kad se u postojeću čeličnu rešetku dodaju veći ioni, to remeti rešetku na takav način da ona otežava klizanje jedan pored drugog susjednih "slojeva", što povećava čelik tvrdoća. Dodavanje manjih atoma može imati isti učinak putem različitog oblika mehaničkog poremećaja na strukturi rešetke kristalnog željeza.
Prednosti čelika
Među mnogim poželjnim svojstvima čelika je i to što je ekološki prihvatljiv. Možda ne izgleda uvijek tako s velikim čeličnim konstrukcijama na kojima se neboderi nalaze često na neugodnim mjestima, ali sjajno trajnost znači da se, na primjer, neće razgraditi u nešto otrovno i nevidljivo se isprati u podzemne vode i drugo područja. Obnovljivi izvori energije (npr. Solarna, vjetra i hidroenergija) obilno koriste nehrđajući čelik.
- Čelik je sada najviše reciklirani materijal na Zemlji; iako je težak, svojim magnetskim svojstvima olakšava se oporavak od potoka i drugih mjesta od ostalih oblika otpada. Može smanjiti CO2 emisije.
U usporedbi s drugim materijalima, čelik zahtijeva malu količinu energije prilikom izrade relativno laganih čeličnih elemenata i može se oblikovati u različite oblike. Daje bolji oblik i rub od željeza koje se koristi za izradu oružja.
Razne primjene i funkcije čelika
Kao što je navedeno, čelik se koristi u automobilskoj industriji. Razmislite o broju automobila na cestama samo vašeg grada tijekom špice, svi oni s karoserijama, vratima, motorima, ovjesima i unutrašnjošću koji se uglavnom sastoje od čelika.
- U prosjeku je 50 posto automobila izrađeno od čelika.
Osim uloge u putničkim vozilima, čelik se koristi u proizvodnji poljoprivrednih vozila i strojeva.
Većina uređaja u modernim domovima, poput hladnjaka, televizora, sudopera, peći i tako dalje, izrađeni su od "običnog" čelika. Također, oni koji imaju jena za provođenje vremena u kuhinji itekako su svjesni uloge nehrđajućeg čelika u finom priboru za jelo. Nehrđajući čelici posebno su pogodni za lako održavanje sterilnog okruženja, što je jedna od osobina koja ga čini dobrim izborom za kirurške instrumente i implantate.
Budući da je prikladan za jednostavno oblikovanje zavarenih spojeva, čelika, više od pukog stvaranja nevidljivog okvira modernih struktura, postalo je samo po sebi primjerom suvremenih arhitektura. Takozvani "blagi" čelik koristi se za svakodnevnu izgradnju zgrada, posebno u područjima gdje su jaki vjetrovi značajka lokalne klime.
Kemijske formule i reakcije čelika
Sam čelik je legura i po definiciji nema kemijsku ili molekularnu formulu, bez obzira na vrstu. Ipak je korisno ispitati neke od važnih reakcija koje se odvijaju u procesu izrade čelika.
Izgaranje željeza i otpadnog čelika, ili u nekim slučajevima samo otpadni čelik, uključuje brojne različite reakcije. Neki od važnih su:
2 C + O2 → 2 CO
Si + O2 → SiO2
4P + 5 O2 → 4 str5O2
2 Mn + O2 → 2 MnO
CO (ugljični dioksid) je otpadni proizvod, ali ostatak se dodaje vapnu da bi se nastao postupak izrade čelika oblikovanjem šljaka.