主にまたは主にとして知られている材料から作られた構造 鋼 地球の景観への人類の最も顕著な追加であるかもしれません。
地球上のすべての生命が他の場所にテレポートされ、エイリアンのグループがたまたま調査した場合、彼らが見つけたであろう最も耐久性があり印象的な物体は明らかにそうではありませんでした 自然の地質学的プロセスから生じるものには、鋼が含まれます：高層ビル、橋、重機、そして本質的に強い力に耐えるために必要なものすべて 時間。
あなたはおそらく、鋼が「どこから来たのか」そしてそれが何であるかについてある程度の知識を持っているでしょう。 他に何もないとしても、あなたは確かにそれが一般的にどのように見え、感じ、そしておそらく特定の例ではどのように聞こえるかを知っています。
鋼を金属と考えるとそれは当然ですが、実際には鋼は 合金 または異なる金属のブレンド。 この場合、特定のレシピに関係なく、ほとんどすべての一次金属は鉄ですが、ご覧のとおり、少量の炭素でも鋼の特性を大幅に変える可能性があります。
建設と工学の歴史の中で最も重要な材料と正当に呼ぶことができるものについて多くを学ぶ準備をしてください、
鋼の物理的および化学的性質
あなたが見たり、聞いたり、あなたのシェアのものと接触したことから間違いなく知っているように、鋼はその耐久性、硬度、そして強靭さで何よりも知られています。 場合によっては、その光沢でも有名です。
これらの品質が定量化可能な物理的用語で変換されるのは、 非常に高い融点 （約1,510°C、ほとんどの金属よりも高い; たとえば、銅は500度近く冷たくなります） 非常に高密度 （7.9 g / cm3、水のほぼ8倍）。
鋼は、いわゆる親元素である鉄よりも全体的に硬くて強いです。 それでもそれは 非常に柔軟 そしてそのことで知られています 高い引張強度 （つまり、形状を失うことなく、加えられた荷重または力に耐える能力）。
すべての種類の鋼の引張強度は他の材料と比較して高いですが、鋼の種類によって大きく異なります。 ローエンドでは、値は約290 N / mmです。2; ハイエンドでは、引張強度は870 N / mmと高くなります。2.
- 1平方ミリメートル（mm2）はわずか100万分の1平方メートルです。 これは、鋼の引張強度が1平方メートルあたり8億7000万ニュートンになる可能性があることを意味します。これは、地球上で8880万キログラム、つまり1億9,570万ポンド（97,831トン）の質量に相当します。
使用したことがある場合 鋳鉄フライパン、あなたはそれがどれほど非常に頑丈（または少なくとも重い）に見えたかに気づいたかもしれません。 鉄が鍋のようなものの唯一またはほぼ唯一の構成要素である場合、それは鋼よりももろいです。
しかし、ほとんどの毎日の調理温度（「暑い」ように見えますが、高炉のようなものにはほど遠い）では、 鉄と鋼の機能の違いは、通常は多少見えても、すぐにはわからない場合があります 違います。
鋼の種類
今日生産されている鋼のほとんどは単に呼ばれています 炭素鋼、または 普通炭素鋼、シリコンやマンガンなど、鉄や炭素以外の金属が含まれている場合でも。
炭素が鋼の1.5％を超えることは決してないため、鋼の変動量は表面上はそれほど重要ではないように見える場合があります。 ただし、この小さな割合自体が10倍（0.15パーセントから1.5パーセント）の範囲である可能性があることを考慮すると、これが持つ可能性のある物理的な影響を理解し始めます。
鋼は、いくつかの基準を使用してさまざまなカテゴリに分類できます。 科学者が使用するもの（実際よりも物の性質に関心を持つことが多い） それらを使用すること）は、主な関心事がから作られた最終製品の種類であるものとはしばしば異なります 鋼。
機械的：前述のように、鋼の引張強度は290 N / mの範囲です。2 および870N / m2. 鋼に炭素を加えると、実際には炭素原子が分散する方法のために困難になります 材料の転位を非常に困難にし、形成する方法で鉄原子の中でそれ自体 Feの「粒」3C。 これはまた、鋼を鉄よりも脆くするので、鉄を鋼に変換することは、後者の明白な利点にもかかわらず、実用的なコストがゼロになることはありません。
機械的性質に基づいて分類される鋼は「Fe」で始まり、次は1）Eであり、最小降伏応力値は主にこれに基づいて分類されます_、 または2）これが主要な分類特性である場合は、引張強度の値のみ。 （_降伏応力 は、機械的変形に対する抵抗の尺度です。）
- たとえば、「Fe290」は引張強度が290N / mm2の鋼です。 一方、「Fe E 220」は、降伏応力が220 N / mmの鋼です。2.
化学薬品：0.06％炭素から1.5％炭素まで変化する普通炭素鋼は、特定の炭素含有量に応じて次のタイプに分類されます。
-
死んだ軟鋼—最大0.15
パーセント
カーボン2。 低炭素または軟鋼— 0.15
パーセント
0.45まで
パーセント
カーボン3。 中炭素鋼— 0.45
パーセント
0.8まで
パーセント
カーボン4。 高炭素鋼— 0.8
パーセント
1.5まで
パーセント
炭素
ステンレス鋼 は、その抵抗からその名前が付けられた鋼の一種です。 酸化 （錆びる）だけでなく 腐食、強酸の適用から発生する可能性があるものとして。 それは1913年に英国の冶金学者によって発明されました ハリー・ブレアリー、金属を追加することによってそれを発見した人 クロム 大量（13パーセント）の鋼に対して、クロムは空気中の酸素と反応して、物体の周りに自己再生保護膜を形成します。
今日、多くの種類のステンレス鋼が使用されています。
-
マルテンサイト系ステンレス鋼 12から14を含む
パーセント
クロムと0.12から0.35
パーセント
炭素と開発された最初のステンレス鋼でした。 これらの鋼は 磁気 そしてそれらを熱で処理することによって硬化することができます。 これらは、他のエンジニアリング機器の中でも、油圧ポンプ、蒸気ポンプ、オイルポンプ、バルブで使用されます。
* フェライト系ステンレス鋼 クロムの量が多い（16から18パーセント）および約0.12
パーセント
炭素。 これらの鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性がありますが、熱を使用して硬化する能力はほとんどありません。 これらのステンレス鋼は、耐食性が高いため、主に成形およびプレス加工に使用されます。
* オーステナイト系ステンレス鋼 クロムとニッケルの両方を大量に含んでいます。 正確な化学組成には多くのバリエーションがありますが、最も広く使用されているのは18パーセント
クロムと8
パーセント
炭素を最小限に抑えたニッケル。 それらは、感知できる程度に熱処理できないという犠牲を払って、腐食に非常によく抵抗する。 これらの鋼は、ポンプシャフト、フレーム、外装、およびネジ、ナット、ボルトなどの日常のコンポーネントに使用されます。
合金の目的
あなたはすでに、合金がどのようにしてすでに有用な材料をより良く、あるいはもっと要点を言えば、より専門的にすることができるかを見てきました。 このプロセスは分子レベルでどのように機能しますか？
ほとんどの純金属は硬いように見えますが、実際にはそれ自体が柔らかすぎて重工業で使用できません。 （注目すべき例外の1つは自動車産業で、鋼はほとんど合金化されておらず、ほとんど純粋な鉄が含まれています。）しかし、他の金属と混合すると、優れた結果が得られます。
例えば、 ニッケル そして クロム 耐食性があり、ステンレス鋼製の手術器具に含まれていることで知られています。 より高い透磁率の合金が鋼の磁石で使用するために望まれるならば、 コバルト 優れた選択肢です。
マンガン かなりの強度と硬度があるため、頑丈な踏切などの大規模プロジェクトで使用されます。 最後に、 モリブデン 金属規格でも異常高温でも強度を維持でき、高速ドリルチップなどの精密用途に使用されています。
- より大きなイオンが既存の鋼の格子に追加されると、これは次のように格子を破壊します 隣接する「層」が互いにすれ違うのがより困難になり、鋼の 硬度。 より小さな原子を追加すると、鉄の結晶格子構造に異なる形態の機械的破壊を介して同じ効果をもたらすことができます。
鋼の利点
鋼の多くの望ましい特性の中には、環境に優しいというものがあります。 しばしば不快な場所で空の景色に点在する大きな鉄骨構造では、常にそのように見えるとは限りませんが、その素晴らしい 耐久性とは、例えば、毒性のあるものに分解したり、地下水やその他の場所に見えないように浸出したりしないことを意味します エリア。 再生可能エネルギー源（太陽光、風力、水力など）は、ステンレス鋼を十分に活用しています。
- 鉄鋼は現在、地球上で最もリサイクルされている材料です。 重いですが、その磁気特性により、他の形態の廃棄物よりも小川や他の場所からの回収が容易です。 COを削減できます2 排出量。
他の材料と比較して、鋼は比較的軽量の鋼要素を構築する際に必要なエネルギー量が少なく、さまざまな形に成形することができます。 武器の製造に使用される鉄よりも優れた形状とエッジを提供します。
鋼のさまざまな用途と機能
前述のように、鉄鋼は自動車産業で使用されています。 ラッシュアワーの間にあなたの街の道路を走る車の数を考えてみてください。それらはすべて、ボディ、ドア、エンジン、サスペンション、そして主にスチールで構成されたインテリアを備えています。
- 平均して、車の50パーセントは鋼でできています。
乗用車での役割とは別に、鉄鋼は農用車両や機械の製造に使用されています。
冷蔵庫、テレビ、流し台、オーブンなど、現代の家庭のほとんどの電化製品は「普通の」鋼でできています。 また、厨房で過ごす円を持っている人は、高級カトラリーにおけるステンレス鋼の役割を痛感しています。 ステンレス鋼は、特に、無菌環境の維持が容易であることに役立ちます。これは、手術器具やインプラントに適した品質の1つです。
それは単に目に見えないものを作るだけでなく、溶接、鋼の容易な形成に役立つからです 現代の構造のフレームワークは、現代の例でそれ自体で取り上げられるようになりました 建築。 いわゆる「軟鋼」は、特に強風が地域の気候の特徴である地域で、日常の建物の建設に使用されます。
鋼の化学式と反応
鋼自体は合金であり、定義上、種類に関係なく化学式や分子式はありません。 それにもかかわらず、製鋼プロセスで発生する重要な反応のいくつかを調べることは有用です。
鉄とスクラップ鋼、または場合によってはスクラップ鋼のみの燃焼には、さまざまな反応が伴います。 重要なもののいくつかは次のとおりです。
2 C + O2 →2CO
Si + O2 →SiO2
4P + 5 O2 →4P5O2
2 Mn + O2 →2MnO
CO（二酸化炭素）は廃棄物ですが、残りは石灰に加えて製鋼工程を継続します。 スラグ.