Proprietà e usi dell'acciaio

Strutture costituite principalmente o in gran parte dal materiale noto come acciaio potrebbero essere solo le aggiunte più importanti dell'umanità al paesaggio terrestre.

Se tutta la vita sulla Terra fosse teletrasportata altrove, e un gruppo di alieni investigasse, troverebbero gli oggetti più durevoli e imponenti che chiaramente non avevano derivante da processi geologici naturali conterrebbe acciaio: grattacieli, ponti, macchinari pesanti e essenzialmente tutto ciò che è necessario per resistere a forti forze tempo.

Forse sai da dove "viene" l'acciaio e cosa "è". Se non altro, sicuramente sai come appare, si sente e forse anche suona in certi casi.

Se pensi all'acciaio come a un metallo, è naturale, ma l'acciaio è in effetti classificato come un... lega o una miscela di metalli diversi. In questo caso, quasi tutto il metallo primario è il ferro, indipendentemente dalla ricetta specifica, ma come vedrai, anche piccole quantità di carbonio possono modificare in modo significativo le proprietà dell'acciaio.

Preparati a imparare molto su quello che può essere giustamente definito il materiale più importante nella storia delle costruzioni e dell'ingegneria,

Come senza dubbio saprai per aver visto, sentito ed essere stato in contatto con la tua parte di materiale, l'acciaio è noto soprattutto per la sua durata, durezza e tenacità. In alcuni casi è rinomato anche per la sua lucentezza.

Ciò in cui queste qualità si traducono in termini fisici quantificabili è a punto di fusione molto alto (circa 1.510 °C, superiore alla maggior parte dei metalli; rame, per esempio, è quasi 500 gradi più freddo) e a densità molto alta (7,9 g/cm³, quasi otto volte quella dell'acqua).

L'acciaio è complessivamente più duro e più forte del suo cosiddetto elemento genitore, il ferro. Eppure lo è estremamente flessibile e noto per la sua alta resistenza alla trazione (cioè, la sua capacità di resistere a carichi applicati, o forze, senza perdere la sua forma).

La resistenza alla trazione di tutti i tipi di acciaio è elevata rispetto ad altri materiali, ma varia in modo significativo tra i tipi di acciaio. Nella fascia bassa i valori sono circa 290 N/mm²; nella fascia alta, la resistenza alla trazione arriva fino a 870 N/mm².

• Un millimetro quadrato (mm²) è solo un milionesimo di metro quadrato. Ciò significa che l'acciaio può avere una resistenza alla trazione di 870 milioni di newton per metro quadrato, pari a una massa di 88,8 milioni di chilogrammi, o 195,7 milioni di libbre (97.831 tonnellate), sulla Terra!

Se hai mai usato un Padella di ferro, potresti aver notato quanto sembrasse straordinariamente robusto (o almeno pesante). Quando il ferro è l'unico o quasi unico componente di qualcosa come una padella, è più fragile dell'acciaio.

Ma per la maggior parte delle temperature di cottura quotidiane (che sembrano "calde", ma non sono affatto simili a quelle di un forno di fusione), il la differenza funzionale tra ferro e acciaio potrebbe non essere immediatamente evidente, anche se di solito sembrano in qualche modo diverso.

La maggior parte dell'acciaio prodotto oggi si chiama semplicemente acciaio al carbonio, o acciaio al carbonio normale, anche se può contenere metalli oltre al ferro e al carbonio, come silicio e manganese.

La quantità di variazione dell'acciaio potrebbe non sembrare significativa in superficie, perché il carbonio non costituisce mai più dell'1,5% dell'acciaio. Tuttavia, se si considera che questa piccola frazione può essa stessa variare di un fattore 10 (dallo 0,15% all'1,5 percento), si inizia ad apprezzare l'impatto fisico che può avere.

L'acciaio può essere suddiviso in diverse categorie utilizzando una serie di criteri. Quelli usati dagli scienziati (che spesso si preoccupano più delle proprietà delle cose che della realtà) che li utilizzano) sono spesso diversi da quelli la cui principale preoccupazione sono i tipi di prodotti finali realizzati da acciaio.

Meccanico: Come notato, la resistenza alla trazione dell'acciaio può variare tra 290 N/m² e 870 N/m². L'aggiunta di carbonio all'acciaio lo rende più difficile a causa del modo in cui gli atomi di carbonio in effetti si disperdono stessi tra gli atomi di ferro in un modo che rende molto difficili le dislocazioni di materiale, formando "grani" di Fe₃c. Questo rende anche l'acciaio più fragile del ferro, quindi la conversione del ferro in acciaio, nonostante i vantaggi evidenti di quest'ultimo, non ha un costo pratico zero.

L'acciaio che viene classificato in base alle sue proprietà meccaniche inizia con "Fe", e ciò che segue è 1) E e il valore di tensione di snervamento minimo è l'acciaio è classificato principalmente su questa base_, oppure 2) solo il valore della resistenza a trazione se questo è il tratto di classificazione primario. (_Tensione di snervamento è una misura della resistenza alla deformazione meccanica.)

• Ad esempio, "Fe 290" è un acciaio con una resistenza alla trazione di 290 N/mm2. mentre "Fe E 220" è acciaio con carico di snervamento di 220 N/mm².

Chimico: Gli acciai al carbonio semplici che variano dallo 0,06% di carbonio all'1,5% di carbonio sono suddivisi nei seguenti tipi a seconda del loro contenuto di carbonio specifico.

1. Acciaio dolce morto - fino a 0,15

   per cento

   carbonio 2. Acciaio a basso tenore di carbonio o dolce — 0,15

   per cento

   a 0.45

   per cento

   carbonio 3. Acciaio al carbonio medio — 0,45

   per cento

   a 0.8

   per cento

   carbonio 4. Acciaio ad alto tenore di carbonio — 0.8

   per cento

   a 1.5

   per cento

   carbonio

Acciaio inossidabile è un tipo di acciaio che prende il nome dalla sua resistenza a ossidazione (arrugginire) così come per corrosione, come quello che potrebbe verificarsi dall'applicazione di un acido forte. È stato inventato nel 1913 dal metallurgista britannico Harry Brearley, che ha scoperto che aggiungendo il metallo cromo all'acciaio in quantità elevate (13 percento), il cromo reagirebbe con l'ossigeno nell'aria per formare una pellicola protettiva autorinnovante attorno all'oggetto.

Oggi sono in uso diversi tipi di acciaio inossidabile:

• Acciai inossidabili martensitici contengono da 12 a 14

  per cento

  cromo e da 0,12 a 0,35

  per cento

  carbonio e sono stati i primi acciai inossidabili sviluppati. Questi acciai sono magnetico e possono essere induriti trattandoli con il calore. Questi sono utilizzati in pompe idrauliche, pompe a vapore, pompe dell'olio e valvole, tra le altre apparecchiature di ingegneria.
  * Acciai inossidabili ferritici avere una maggiore quantità di cromo (da 16 a 18

  percento) e circa 0,12

  per cento

  carbonio. Questi acciai sono più resistenti alla corrosione degli acciai inossidabili martensitici, ma hanno poca capacità di indurimento con l'uso del calore. Questi acciai inossidabili sono utilizzati principalmente nelle operazioni di formatura e stampaggio grazie alla loro elevata resistenza alla corrosione.
  * Acciai inossidabili austenitici contengono una grande quantità sia di cromo che di nichel; esistono molte variazioni nella composizione chimica precisa, ma le più utilizzate sono costituite da 18

  per cento

  cromo e 8

  per cento

  nichel, con carbonio ridotto al minimo. Resistono molto bene alla corrosione a costo di non essere trattabili termicamente in misura apprezzabile. Questi acciai sono utilizzati negli alberi delle pompe, nei telai, nelle guaine e nei componenti di uso quotidiano come viti, dadi e bulloni.

Hai già visto come le leghe possono rendere migliore, o forse più precisamente, più specializzato un materiale già utile. Come funziona questo processo a livello molecolare?

La maggior parte dei metalli puri, sebbene molti sembrino duri, sono in realtà troppo morbidi da soli per essere utilizzati nella produzione pesante. (Un'eccezione degna di nota è l'industria automobilistica, dove l'acciaio viene lasciato per lo più non legato e contiene ferro quasi puro.) Ma la miscelazione con altri metalli può produrre risultati eccezionali.

Per esempio, nichel e cromo sono resistenti alla corrosione e sono noti per la loro inclusione in strumenti chirurgici in acciaio inossidabile. Se si desidera una lega con una maggiore permeabilità magnetica per l'uso in magneti in acciaio, cobalto è un'ottima scelta.

Manganese viene utilizzato in progetti su larga scala come attraversamenti ferroviari pesanti grazie alla sua notevole resistenza e durezza. Finalmente, molibdeno è in grado di mantenere la sua resistenza a temperature insolitamente elevate anche per gli standard dei metalli e viene utilizzato in applicazioni di precisione come punte di trapano ad alta velocità.

• Quando vengono aggiunti ioni più grandi al reticolo d'acciaio esistente, questo interrompe il reticolo in modo tale da renderlo rende più difficile lo scorrimento degli "strati" adiacenti l'uno sull'altro, il che aumenta l'acciaio durezza. L'aggiunta di atomi più piccoli può avere lo stesso effetto attraverso una diversa forma di interruzione meccanica della struttura del reticolo cristallino di ferro.

Tra le molte proprietà desiderabili dell'acciaio c'è quella di essere rispettoso dell'ambiente. Potrebbe non sembrare sempre così con grandi strutture in acciaio che punteggiano il cielo in luoghi spesso spiacevoli, ma è fantastico durabilità significa che, ad esempio, non si degraderà in qualcosa di tossico e non si riverserà nelle acque sotterranee e altro and le zone. Le fonti di energia rinnovabile (ad es. solare, eolica e idroelettrica) fanno ampio uso dell'acciaio inossidabile.

• L'acciaio è ora il materiale più riciclato sulla Terra; sebbene sia pesante, le sue proprietà magnetiche ne facilitano il recupero da corsi d'acqua e altri luoghi rispetto ad altre forme di rifiuti. Può ridurre la CO₂ emissioni.

Rispetto ad altri materiali, l'acciaio richiede una bassa quantità di energia durante la costruzione di elementi in acciaio relativamente leggeri e può essere modellato in varie forme. Dà una forma e un bordo migliori rispetto al ferro che viene utilizzato per fabbricare armi.

L'acciaio, come notato, viene utilizzato nell'industria automobilistica. Pensa al numero di auto sulle strade della tua città nelle ore di punta, tutte con carrozzeria, porte, motori, sospensioni e interni in gran parte in acciaio.

• In media, il 50 percento di un'auto è realizzato in acciaio.

Oltre al suo ruolo nei veicoli passeggeri, l'acciaio è utilizzato nella produzione di veicoli e macchine agricole.

La maggior parte degli elettrodomestici nelle case moderne, come frigoriferi, televisori, lavelli, forni e così via, sono realizzati in acciaio "semplice". Inoltre, coloro che hanno una gran voglia di passare del tempo in cucina sono profondamente consapevoli del ruolo dell'acciaio inossidabile nelle posate raffinate. Gli acciai inossidabili si prestano notevolmente alla facile manutenzione di un ambiente sterile, che è una delle qualità che li rende una buona scelta per strumenti chirurgici e impianti.

Perché si presta alla facile formazione di saldature, acciaio, molto più che realizzare l'invisibile quadro di strutture moderne, è diventato a pieno titolo in esempi di contemporanei architettura. Il cosiddetto acciaio "dolce" viene utilizzato per la costruzione di edifici di tutti i giorni, specialmente nelle aree in cui i venti forti sono una caratteristica del clima locale.

L'acciaio stesso è una lega e per definizione non ha formula chimica o molecolare, indipendentemente dal tipo. È tuttavia utile esaminare alcune delle reazioni importanti che avvengono nel processo di fabbricazione dell'acciaio.

La combustione del ferro più rottame di acciaio, o in alcuni casi solo rottame di acciaio, comporta una serie di reazioni diverse. Alcuni di quelli importanti sono:
2C + 0₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 P₅oh₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
Il CO (diossido di carbonio) è un prodotto di scarto, ma il resto viene aggiunto alla calce per continuare il processo di fabbricazione dell'acciaio mediante formatura scorie.