Konstrukcijos, pagamintos daugiausia arba daugiausia iš medžiagos, žinomos kaip plienas gali būti tik ryškiausi žmonijos papildymai Žemės kraštovaizdyje.
Jei visa gyvybė Žemėje būtų teleportuota kitur, o atsitiktinai ištirtų ateivių grupė, jie rastų patvariausius ir impozantiškiausius daiktus, natūralių geologinių procesų metu susidarytų plieno: dangoraižių, tiltų, sunkiųjų mašinų ir iš esmės viskas, ko reikia norint atlaikyti stiprias jėgas laikas.
Galbūt jūs turite tam tikrų žinių apie tai, iš kur „atsiranda“ plienas ir kas tai yra. Jei nieko nėra, jūs tikrai žinote, kaip jis atrodo, jaučiasi ir galbūt net skamba tam tikrais atvejais.
Jei manote, kad plienas yra metalas, tai natūralu, tačiau plienas iš tikrųjų priskiriamas metalui lydinio arba skirtingų metalų mišinys. Šiuo atveju beveik visas pirminis metalas yra geležis, neatsižvelgiant į konkretų receptą, tačiau, kaip pamatysite, net ir nedidelis anglies kiekis gali žymiai pakeisti plieno savybes.
Pasiruoškite daug sužinoti apie tai, kas teisėtai gali būti vadinama svarbiausia medžiaga statybų ir inžinerijos istorijoje,
Fizinės ir cheminės plieno savybės
Kaip jūs, be abejo, žinote iš to, kad matėte, girdėjote ir bendravote su savo dalimi, plienas žinomas visų pirma dėl savo patvarumo, kietumo ir tvirtumo. Kai kuriais atvejais jis taip pat garsėja blizgesiu.
Tai, ką šios savybės reiškia fiziškai išreiškiamais kiekiais, yra: labai aukšta lydymosi temperatūra (apie 1 510 ° C, aukštesnė nei dauguma metalų; pavyzdžiui, varis yra beveik 500 laipsnių vėsesnis) ir a labai didelis tankis (7,9 g / cm.)3, beveik aštuonis kartus didesnis nei vandens).
Plienas apskritai yra kietesnis ir tvirtesnis nei vadinamasis pirminis elementas - geležis. Vis dėlto taip yra itin lankstus ir žinomas dėl jo didelis atsparumas tempimui (t. y. jo sugebėjimas atlaikyti taikomas apkrovas ar jėgas, neprarandant formos).
Visų rūšių plieno atsparumas tempimui yra didelis, palyginti su kitomis medžiagomis, tačiau skirtingų plieno rūšių stipris skiriasi. Apatinėje dalyje vertės yra maždaug 290 N / mm2; viršuje tempimo stipris siekia net 870 N / mm2.
- Vienas kvadratinis milimetras (mm2) yra tik viena milijonoji kvadratinio metro dalis. Tai reiškia, kad plieno tempiamasis stipris gali būti 870 milijonų niutonų kvadratiniame metre - lygus 88,8 milijono kilogramų arba 195,7 milijono svarų (97 831 tonos) masei Žemėje!
Jei kada nors vartojote a ketaus keptuvė, galbūt pastebėjote, koks nepaprastai tvirtas (ar bent jau sunkus) atrodė. Kai geležis yra vienintelis ar beveik vienintelis panašaus į keptuvę komponentas, jis yra trapesnis nei plienas.
Tačiau daugumai kasdien kepimo temperatūrų (kurios atrodo „karštos“, bet nė iš tolo neprilygsta lydymo krosnims), funkcinis geležies ir plieno skirtumas gali būti lengvai nematomas, net jei jie paprastai atrodo šiek tiek skirtingi.
Plieno rūšys
Didžioji dalis šiandien gaminamo plieno yra tiesiog vadinama anglinio plienoarba paprastas anglinis plienas, nors jame be geležies ir anglies gali būti metalų, tokių kaip silicis ir manganas.
Plieno variacijos dydis gali neatrodyti reikšmingas ant paviršiaus, nes anglis niekada nesudaro daugiau kaip 1,5 proc. Plieno. Tačiau, kai manote, kad ši maža dalis pati gali svyruoti 10 kartų (0,15–1,5 proc.), Pradėsite vertinti fizinį poveikį, kurį tai gali turėti.
Pagal daugybę kriterijų plieną galima suskirstyti į skirtingas kategorijas. Tie, kuriuos naudoja mokslininkai (kuriems dažnai rūpi daiktų savybės, o ne iš tikrųjų jų vartojimas) dažnai skiriasi nuo tų, kurių pagrindinis rūpestis yra galutinių produktų, pagamintų iš plienas.
Mechaninis: Kaip pažymėta, plieno atsparumas tempimui gali svyruoti tarp 290 N / m2 ir 870 N / m2. Pridėjus anglies į plieną, sunku, nes anglies atomai išsisklaido patenka tarp geležies atomų tokiu būdu, kuris labai apsunkina medžiagos dislokaciją ir susidaro Fe „grūdeliai“3C. Dėl to plienas tampa trapesnis nei geležis, todėl, nepaisant akivaizdžių pastarojo pranašumų, geležies pavertimas plienu nėra praktiškas.
Plienas, kuris klasifikuojamas pagal jo mechanines savybes, prasideda „Fe“, o toliau pateikiama 1) E, o minimali išeigos įtempio vertė yra tai, kad plienas klasifikuojamas daugiausia tuo pagrindu_, arba 2) tik tempiamojo stiprio vertė, jei tai yra pagrindinis klasifikavimo bruožas. (_Pajamos stresas yra atsparumo mechaninei deformacijai matas.)
- Pavyzdžiui, „Fe 290“ yra plienas, kurio tempiamasis stipris yra 290 N / mm2. o „Fe E 220“ yra plienas, kurio takumo įtampa yra 220 N / mm2.
Cheminis: Paprastas anglinis plienas, kurio anglies kiekis skiriasi nuo 0,06 iki 1,5 procento, yra suskirstytas į šias rūšis, atsižvelgiant į jų specifinį anglies kiekį.
-
Negyvas švelnus plienas - iki 0,15
procentų
anglis 2. Mažai anglies turinčio arba švelnaus plieno - 0,15
procentų
iki 0,45
procentų
anglis 3. Vidutinio anglinio plieno - 0,45
procentų
iki 0,8
procentų
anglis 4. Daug anglies turinčio plieno - 0,8
procentų
iki 1,5
procentų
anglies
Nerūdijantis plienas yra plieno rūšis, kuri savo pavadinimą gauna iš atsparumo oksidacija (rūdijimas), taip pat korozija, kaip kad gali atsirasti naudojant stiprią rūgštį. Ją 1913 metais išrado britų metalurgas Haris Brearley, kuris tai atrado pridėdamas metalą chromas plienui dideliais kiekiais (13 proc.), chromas reaguotų su ore esančiu deguonimi ir aplink objektą susidarytų savaime atsinaujinanti apsauginė plėvelė.
Šiandien naudojami keli nerūdijančio plieno tipai:
-
Martensitinis nerūdijantis plienas yra nuo 12 iki 14
procentų
chromo ir nuo 0,12 iki 0,35
procentų
anglies ir buvo pirmieji sukurti nerūdijančio plieno. Šie plienai yra magnetinis ir gali būti sukietėjęs juos apdorojant šiluma. Jie naudojami hidrauliniuose siurbliuose, garo siurbliuose, alyvos siurbliuose ir vožtuvuose, be kitų inžinerinių įrenginių.
* Feritinis nerūdijantis plienas turi didesnį chromo kiekį (16-18)procentų) ir apie 0,12
procentų
anglies. Šie plienai yra atsparesni korozijai nei martensitiniai nerūdijantieji plienai, tačiau turi mažai galimybių sukietėti naudojant šilumą. Šie nerūdijantis plienas pirmiausia naudojamas formavimo ir presavimo operacijoms dėl didelio atsparumo korozijai.
* Nerūdijantis austenitinis plienas yra didelis kiekis chromo ir nikelio; egzistuoja daug tikslios cheminės sudėties variantų, tačiau plačiausiai naudojami 18procentų
chromas ir 8
procentų
nikelio, kurio anglies kiekis yra minimalus. Jie labai gerai atsparūs korozijai, tuo pačiu kainuodami, kad nėra termiškai apdorojami. Šie plienai naudojami siurblio ašyse, rėmuose, apvalkaluose ir kasdieniuose komponentuose, tokiuose kaip varžtai, veržlės ir varžtai.
Lydinių tikslai
Jūs jau matėte, kaip lydiniai gali padaryti jau naudingą medžiagą geresnę, o gal tiksliau - labiau specializuotą. Kaip šis procesas vyksta molekuliniu lygiu?
Nors dauguma grynų metalų atrodo kieti, iš tikrųjų yra per minkšti, kad būtų naudojami sunkiojoje gamyboje. (Viena pastebima išimtis yra automobilių pramonė, kurioje plienas dažniausiai paliekamas nelegiruotas ir turi beveik gryną geležį.) Tačiau maišant kitus metalus galima gauti puikių rezultatų.
Pavyzdžiui, nikelio ir chromas yra atsparūs korozijai ir yra žinomi dėl jų įtraukimo į chirurginius instrumentus, pagamintus iš nerūdijančio plieno. Jei norima naudoti didesnio magnetinio pralaidumo lydinį naudoti plieniniuose magnetuose, kobalto yra puikus pasirinkimas.
Manganas dėl didelio tvirtumo ir kietumo yra naudojamas didesnio masto projektuose, pavyzdžiui, sunkiųjų geležinkelio pervažose. Pagaliau, molibdenas net ir pagal metalų standartus sugeba išlaikyti savo stiprumą neįprastai aukštoje temperatūroje ir yra naudojamas tikslumo tikslais, pavyzdžiui, greitaeigiams gręžimo antgaliams.
- Kai prie esamo plieninio gardelio pridedami didesni jonai, tai groteles sutrikdo taip, kad ji apsunkina gretimų „sluoksnių“ slinkimą vienas šalia kito, o tai padidina plieno sluoksnius kietumas. Mažesnių atomų pridėjimas gali turėti tą patį poveikį dėl kitokio mechaninio geležinės kristalinės gardelės struktūros pažeidimo.
Plieno privalumai
Tarp daugelio pageidaujamų plieno savybių yra tai, kad jis yra ekologiškas. Tai ne visada atrodo taip, kai didelės plieninės konstrukcijos taško dangoraižį dažnai nepatinkančiose vietose, tačiau puiku ilgaamžiškumas reiškia, kad, pavyzdžiui, jis nesuirtų į toksišką medžiagą ir neišplautų nematyto požeminio vandens ir kitų srityse. Atsinaujinantys energijos šaltiniai (pvz., Saulės, vėjo ir hidroenergija) daug naudoja nerūdijantį plieną.
- Plienas dabar yra labiausiai perdirbama medžiaga Žemėje; nors jis yra sunkus, jo magnetinės savybės palengvina atsigavimą iš srautų ir kitų vietų nei kitos atliekos. Tai gali sumažinti CO2 išmetamų teršalų.
Lyginant su kitomis medžiagomis, statant palyginti lengvus plieno elementus, plienui reikia nedaug energijos, jis gali būti formuojamas įvairiomis formomis. Tai suteikia geresnę formą ir briaunas nei geležis, naudojama ginklams gaminti.
Įvairūs plieno naudojimo būdai ir funkcijos
Plienas, kaip pažymėta, naudojamas automobilių pramonėje. Pagalvokite apie automobilių skaičių piko valandomis tik savo miesto keliuose, visi jie turi kėbulus, duris, variklius, pakabas ir interjerą, daugiausia sudarytus iš plieno.
- Vidutiniškai 50 procentų automobilio pagaminta iš plieno.
Be vaidmens keleivinėse transporto priemonėse, plienas naudojamas žemės ūkio transporto priemonių ir mašinų gamybai.
Dauguma šiuolaikinių namų prietaisų, tokių kaip šaldytuvai, televizoriai, kriauklės, orkaitės ir pan., Yra pagaminti iš „paprasto“ plieno. Taip pat tie, kurie turi jeną leisti laiką virtuvėje, puikiai žino, koks yra nerūdijančio plieno vaidmuo dailiuose stalo įrankiuose. Nerūdijantis plienas ypač palengvina sterilios aplinkos priežiūrą, o tai yra viena iš savybių, dėl kurios jis yra geras chirurginių instrumentų ir implantų pasirinkimas.
Nes tai leidžia lengvai suvirinti plieną, ne tik sudaryti nematomą šiuolaikinių struktūrų karkasas, tapo savaime šiuolaikinių pavyzdžių pavyzdžiu architektūra. Vadinamasis „švelnusis“ plienas yra naudojamas kasdieninėms pastatų statyboms, ypač tose vietose, kur didelis vėjas yra vietinio klimato ypatybė.
Plieno cheminės formulės ir reakcijos
Pats plienas yra lydinys ir pagal apibrėžimą neturi cheminės ar molekulinės formulės, neatsižvelgiant į tipą. Nepaisant to, naudinga išnagrinėti kai kurias svarbias plieno gamybos procese vykstančias reakcijas.
Deginant vien tik geležį ir plieno laužą, arba atskirais atvejais - dėl plieno laužo, vyksta daugybė skirtingų reakcijų. Kai kurie iš svarbiausių yra šie:
2 C + O2 → 2 CO
Si + O2 → SiO2
4P + 5 O2 → 4 P.5O2
2 Mn + O2 → 2 MnO
CO (anglies dvideginis) yra atliekos, tačiau likusi dalis dedama į kalkes, kad formavimas tęstų plieno gamybos procesą šlakas.