מאפיינים ושימושים בפלדה

מבנים שנעשו בעיקר או בעיקר מהחומר המכונה פְּלָדָה יכול להיות שזו התוספות הבולטות ביותר של האנושות לנוף כדור הארץ.

אם כל החיים על פני כדור הארץ היו מועברים למקום אחר, וקבוצת חייזרים במקרה הייתה חוקרת, את האובייקטים העמידים והמרשימים ביותר שהם ימצאו, שללא ספק לא שנבע מתהליכים גיאולוגיים טבעיים יכלול פלדה: גורדי שחקים, גשרים, מכונות כבדות ובעצם כל מה שנדרש כדי לעמוד בכוחות חזקים מעל זְמַן.

אולי יש לך קצת ידע מאיפה פלדה "נובעת" ומה היא "." אם שום דבר אחר, אתה בהחלט יודע איך זה נראה, מרגיש ואולי אפילו נשמע במקרים מסוימים.

אם אתה חושב על פלדה כמתכת, זה טבעי, אך פלדה מסווגת למעשה כ- סַגסוֹגֶת או תערובת של מתכות שונות. במקרה זה, כמעט כל המתכת הראשית היא ברזל ללא קשר למתכון הספציפי, אך כפי שתראו, אפילו כמויות קטנות של פחמן יכולות לשנות את תכונות הפלדה באופן משמעותי.

היכונו ללמוד הרבה על מה שניתן לכנות בצדק את החומר החשוב ביותר בתולדות הבנייה וההנדסה,

כפי שאתה ללא ספק יודע ממה שראיתם, שמעתם ומגעתם עם חלקכם בדברים, פלדה ידועה בעיקר בזכות עמידותה, קשיחותה וקשיחותה. במקרים מסוימים, היא ידועה גם בזכות הברק שלה.

מה שתכונות אלו מתורגמות אליו במונחים פיזיקליים ניתנים לכימות הוא נקודת התכה גבוהה מאוד (כ -1,510 מעלות צלזיוס, גבוה יותר מרוב המתכות; נחושת, למשל, קרירה כמעט 500 מעלות) ו צפיפות גבוהה מאוד (7.9 גרם / ס"מ³כמעט פי שמונה ממים).

הפלדה קשה וחזקה יותר ביחס לאלמנט ההורה שלה, ברזל. ובכל זאת זה כן גמיש במיוחד וידוע בזכותו חוזק מתיחה גבוה (כלומר, יכולתו לעמוד בעומסים המופעלים, או בכוחות, מבלי לאבד מצורתם).

חוזק המתיחה של כל סוגי הפלדה גבוה בהשוואה לחומרים אחרים אך משתנה משמעותית בין סוגי הפלדה. בקצה התחתון הערכים הם כ -290 N / מ"מ²; בקצה הגבוה, חוזק המתיחה הוא עד 870 ננומטר / מ"מ².

• מילימטר מרובע אחד (מ"מ²) הוא רק מליון מטר רבוע. המשמעות היא שלפלדה יכול להיות חוזק מתיחה של 870 מיליון ניוטון למ"ר - שווה למסה של 88.8 מיליון ק"ג, או 97.731 טון (195.7 מיליון פאונד), על פני כדור הארץ!

אם אי פעם השתמשת ב- מחבת ברזל יצוק, אולי שמת לב כמה זה נראה חסון להפליא (או לפחות כבד). כאשר ברזל הוא המרכיב הבלעדי או כמעט היחיד של משהו כמו מחבת, הוא שביר יותר מפלדה.

אבל לרוב טמפרטורות הבישול היומיומיות (שנראות "חמות", אך אינן בסביבה דמויי תנור התכה), ההבדל הפונקציונלי בין ברזל לפלדה לא יכול להיראות בקלות, גם אם הם בדרך כלל נראים מעט שונה.

רוב הפלדה המיוצרת כיום נקראת בפשטות פלדת פחמן, או פלדת פחמן רגילה, למרות שהוא עשוי להכיל מתכות מלבד ברזל ופחמן, כגון סיליקון ומנגן.

כמות וריאציות הפלדה עשויה שלא להיראות משמעותית על פני השטח, מכיוון שפחמן לעולם אינו מהווה יותר מ -1.5 אחוז מהפלדה. עם זאת, כאשר אתה מחשיב ששבר קטן זה יכול לנוע בעצמו בפקטור 10 (0.15 עד 1.5 אחוז), אתה מתחיל להעריך את ההשפעה הפיזית שיש לכך.

ניתן לחלק פלדה לקטגוריות שונות באמצעות מספר קריטריונים. אלה המשמשים מדענים (שלעתים קרובות עוסקים יותר בתכונות הדברים מאשר בפועל השימוש בהם) שונים לעיתים קרובות מאלה שהדאגה העיקרית שלהם היא סוגי מוצרי הקצה המיוצרים מהם פְּלָדָה.

מֵכָנִי: כאמור, חוזק המתיחה של הפלדה יכול לנוע בין 290 ננומטר² ו- 870 ננומטר². הוספת פחמן לפלדה מקשה על האופן בו אטומי הפחמן למעשה מתפזרים את עצמם בין אטומי הברזל באופן שמקשה מאוד על פריקות החומר "דגנים" של Fe₃ג. זה גם הופך את הפלדה לפריכה יותר מברזל, ולכן המרת ברזל לפלדה, למרות היתרונות המובהקים של האחרונה, אינה כרוכה במחיר מעשי אפס.

פלדה המסווגת על בסיס תכונותיה המכניות מתחילה ב" Fe ", ומה שאחריו הוא 1) E וערך מתח התשואה המינימלי הוא הפלדה מסווגת בעיקר על בסיס זה_, או 2) רק ערך חוזק המתיחה אם זו תכונת הסיווג הראשונית. (_לחץ תשואה הוא מדד להתנגדות לעיוות מכני.)

• לדוגמא, "Fe 290" הוא פלדה עם חוזק מתיחה של 290 N / mm2. ואילו "Fe E 220" הוא פלדה עם מתח תפוקה של 220 N / mm².

כִּימִי: פלדות פחמן רגילות המשתנות בין 0.06 אחוז פחמן ל -1.5 אחוז פחמן מחולקות לסוגים הבאים בהתאם לתכולת הפחמן הספציפית שלהם.

1. פלדה מתה מתה - עד 0.15

   אָחוּז

   פחמן 2. פחמן נמוך או פלדה עדינה - 0.15

   אָחוּז

   ל 0.45

   אָחוּז

   פחמן 3. פלדת פחמן בינונית - 0.45

   אָחוּז

   ל -0.8

   אָחוּז

   פחמן 4. פלדת פחמן גבוהה - 0.8

   אָחוּז

   עד 1.5

   אָחוּז

   פַּחמָן

פלדת אל - חלד הוא סוג של פלדה שמקבל את שמו מהתנגדותו ל חִמצוּן (מחליד) כמו גם ל קורוזיה, כמו זה שעלול להתרחש מיישום של חומצה חזקה. הוא הומצא בשנת 1913 על ידי המטלורג הבריטי הארי ברירלי, שגילה זאת על ידי הוספת המתכת כְּרוֹם כדי לפלדל בכמויות גבוהות (13 אחוז), הכרום היה מגיב עם חמצן באוויר ויוצר סרט מגן המתחדש בעצמו סביב האובייקט.

מספר סוגים של נירוסטה נמצאים בשימוש כיום:

• פלדות אל חלד מרטנסיטיות מכילים 12 עד 14

  אָחוּז

  כרום ו- 0.12 עד 0.35

  אָחוּז

  פחמן והיו הנירוסטה הראשונה שפותחה. פלדות אלה הן מַגנֶטִי וניתן להקשיח על ידי טיפול בהם בחום. אלה משמשים במשאבות הידראוליות, משאבות קיטור, משאבות נפט ושסתומים, בין ציוד הנדסי אחר.
  * פלדות אל חלד פריטיות יש כמות גדולה יותר של כרום (16 עד 18

  אחוזים) וכ- 0.12

  אָחוּז

  פַּחמָן. פלדות אלו עמידות בפני קורוזיה יותר מפלדות אל חלד מרטנזיטיות, אך בעלות יכולת מועטה להתקשות בעזרת חום. פלדות אל חלד אלה משמשות בעיקר בתהליכי יצירה וכבישה בשל עמידותם הגבוהה בפני קורוזיה.
  * פלדות אל חלד אוסטניטיות מכילים כמות גדולה של כרום וניקל כאחד; קיימות שינויים רבים בהרכב הכימי המדויק, אך השימוש הנפוץ ביותר מורכב מ -18

  אָחוּז

  כרום ו- 8

  אָחוּז

  ניקל, עם פחמן המינימלי. הם מתנגדים לקורוזיה טוב מאוד במחיר שלא ניתן לטפל בהם בחום במידה ניכרת. פלדות אלה משמשות בפירי משאבה, מסגרות, מעטה ורכיבים יומיומיים כגון ברגים, אגוזים וברגים.

כבר ראיתם כיצד סגסוגות יכולות להפוך חומר שכבר שימושי לטוב יותר, או אולי יותר לעניין, למומחיות יותר. כיצד עובד תהליך זה ברמה המולקולרית?

למרות שרוב המתכות הטהורות נראות קשות, הן בעצם רכות מכדי לשמש לייצור כבד. (יוצא מן הכלל הבולט הוא תעשיית הרכב, שם הפלדה נותרת בעיקר ללא סגסוג ומכילה כמעט ברזל טהור.) אך ערבוב מתכות אחרות יכול להניב תוצאות יוצאות מן הכלל.

לדוגמה, ניקל ו כְּרוֹם עמידים בפני קורוזיה וידועים בהכללתם במכשירי ניתוח העשויים מפלדת אל-חלד. אם רצוי סגסוגת עם חדירות מגנטית גבוהה יותר לשימוש במגנטים מפלדה, קובלט זו בחירה מצוינת.

מַנגָן משמש בפרויקטים רחבי היקף כמו מעברי רכבת כבדים בשל חוזקו והקשיות הניכרים בו. סוף כל סוף, מוליבדן מסוגל לשמור על חוזקו בטמפרטורות גבוהות במיוחד גם על פי סטנדרטים של מתכות ומשמש ביישומים מדויקים כגון קצות קידוח מהירים.

• כאשר מוסיפים לסריג הפלדה הקיים יונים גדולים יותר, הדבר משבש את הסריג באופן שהוא מקשה על "שכבות" סמוכות להחליק אחת על השנייה, מה שמגדיל את הפלדה קַשִׁיוּת. להוספת אטומים קטנים יותר יכולה להיות השפעה זהה באמצעות צורה שונה של הפרעה מכנית למבנה סריג גביש הברזל.

בין המאפיינים הרצויים הרבים של פלדה הוא היותה ידידותית לסביבה. זה לא תמיד יכול להיראות ככה עם מבני פלדה גדולים המנקדים את נוף השמיים במקומות לא נעימים לרוב, אבל זה נהדר עמידות פירושה שלמשל, היא לא תתפרק למשהו רעיל ותתגלה במי תהום ואחרים אזורים. מקורות אנרגיה מתחדשים (למשל אנרגיה סולארית, רוח והידרו) משתמשים בשפע בפלדת אל-חלד.

• פלדה היא כיום החומר הממוחזר ביותר על פני כדור הארץ; למרות שהוא כבד, התכונות המגנטיות שלו מקלות על התאוששות מנחלים וממקומות אחרים מאשר צורות אחרות של פסולת. זה יכול להפחית את CO₂ פליטות.

בהשוואה לחומרים אחרים, פלדה דורשת כמות נמוכה של אנרגיה בעת בניית אלמנטים מפלדה יחסית קלה, והיא יכולה להיות מעוצבת לצורות שונות. זה נותן צורה וקצה טובים יותר מברזל המשמש לייצור נשק.

פלדה, כאמור, משמשת בתעשיית הרכב. חשוב על מספר המכוניות בכבישים של עירך בלבד בשעות העומס, כולן עם מרכבים, דלתות, מנועים, מתלים וחללי פנים המורכבים ברובם מפלדה.

• בממוצע, 50 אחוז ממכונית עשויה פלדה.

מלבד תפקידה ברכבי נוסעים, נעשה שימוש בפלדה בייצור רכבים חקלאיים ומכונות.

רוב המכשירים בבתים מודרניים, כמו מקררים, טלוויזיות, כיורים, תנורים וכדומה עשויים פלדה "רגילה". כמו כן, בעלי יין לבילוי במטבח מודעים היטב לתפקיד הנירוסטה בסכו"ם משובח. פלדות אל חלד במיוחד מעניקות תחזוקה קלה של סביבה סטרילית, שהיא אחת התכונות ההופכות אותה לבחירה טובה עבור מכשירים כירורגיים ושתלים.

מכיוון שהוא מעניק את עצמו ליצירה קלה של ריתוכים, פלדה, יותר מאשר רק המרכיב את הבלתי נראה מסגרת של מבנים מודרניים, הוצגה בפני עצמה בדוגמאות של עכשוויות ארכיטקטורה. מה שמכונה פלדה "קלה" משמשת לבניית מבנים יומיומית, במיוחד באזורים בהם הרוחות העזות הן תכונה של האקלים המקומי.

הפלדה עצמה היא סגסוגת ובהגדרה אין לה נוסחה כימית או מולקולרית, ללא קשר לסוג. בכל זאת כדאי לבחון כמה מהתגובות החשובות המתרחשות בתהליך ייצור הפלדה.

הבעירה של ברזל פלוס גרוטאות, או במקרים מסוימים גרוטאות פלדה בלבד, כרוכה במספר תגובות שונות. חלק מהחשובים הם:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 עמ '₅או₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (פחמן דו חמצני) הוא מוצר פסולת, אך את השאר מוסיפים לסיד כדי להמשיך בתהליך ייצור הפלדה על ידי היווצרות סִיג.