Tērauda īpašības un pielietojums

Struktūras izgatavotas galvenokārt vai galvenokārt no materiāla, kas pazīstams kā tērauds varētu būt tikai cilvēces ievērojamākie papildinājumi Zemes ainavā.

Ja visa dzīvība uz Zemes tiktu teleportēta citur un notiktu izmeklēšana ar citplanētiešiem, visizturīgākie un impozantākie priekšmeti, kas viņiem noteikti nebūtu dabisko ģeoloģisko procesu rezultātā radušies tērauds: debesskrāpji, tilti, smagā tehnika un būtībā viss, kas vajadzīgs spēcīgu spēku laiks.

Jums, iespējams, ir zināmas zināšanas par to, no kurienes tērauds "nāk" un kas tas ir "." Ja nekas cits, jūs noteikti zināt, kā tas parasti izskatās, jūtas un varbūt pat izklausās dažos gadījumos.

Ja jūs domājat par tēraudu kā metālu, tas ir dabiski, bet tērauds faktiski tiek klasificēts kā sakausējums vai dažādu metālu maisījums. Šajā gadījumā gandrīz viss primārais metāls ir dzelzs neatkarīgi no konkrētās receptes, taču, kā redzēsit, pat neliels oglekļa daudzums var ievērojami mainīt tērauda īpašības.

Sagatavojieties daudz uzzināt par to, ko pamatoti var saukt par vissvarīgāko materiālu būvniecības un inženierzinātņu vēsturē,

Kā jūs, bez šaubām, zināt, redzot, dzirdot un sazinoties ar savu daļu, tērauds galvenokārt ir pazīstams ar savu izturību, cietību un izturību. Dažos gadījumos tā ir slavena arī ar savu spīdumu.

Tas, ko šīs īpašības izsaka skaitļos izsakāmos fiziskos izteiksmēs, ir a ļoti augsta kušanas temperatūra (aptuveni 1 510 ° C, augstāka nekā lielākajai daļai metālu; piemēram, vara ir gandrīz par 500 grādiem vēsāks) un a ļoti augsts blīvums (7,9 g / cm³, gandrīz astoņas reizes lielāks par ūdens daudzumu).

Tērauds kopumā ir cietāks un izturīgāks par tā saukto pamatelementu - dzelzi. Tomēr tā ir ārkārtīgi elastīgs un pazīstams ar to augsta stiepes izturība (t.i., tā spēja izturēt pielietotās slodzes vai spēkus, nezaudējot formu).

Visu veidu tērauda stiepes izturība, salīdzinot ar citiem materiāliem, ir augsta, bet dažādos tērauda veidos tā ievērojami atšķiras. Apakšējā galā vērtības ir aptuveni 290 N / mm²; augstākajā galā stiepes izturība ir pat 870 N / mm².

• Viens kvadrātveida milimetrs (mm²) ir tikai viena miljonā kvadrātmetra daļa. Tas nozīmē, ka tērauda stiepes izturība var būt 870 miljoni ņūtonu uz kvadrātmetru - vienāda ar 88,8 miljonu kilogramu jeb 195,7 miljonu mārciņu (97 831 tonnu) masu uz Zemes!

Ja esat kādreiz lietojis čuguna kastrolītis, iespējams, pamanījāt, cik izcili izturīgs (vai vismaz smags) tas šķita. Ja dzelzs ir vienīgā vai gandrīz vienīgā sastāvdaļa tādai kā pannai, tā ir trauslāka nekā tērauds.

Bet lielākajā daļā ikdienas gatavošanas temperatūru (kas šķiet "karsta", bet ne tuvu nav līdzīga kausēšanas krāsnīm), funkcionālā atšķirība starp dzelzi un tēraudu var nebūt viegli redzama, pat ja tie parasti izskatās nedaudz savādāk.

Lielāko daļu šodien saražotā tērauda vienkārši sauc oglekļa tēraudsvai vienkāršs oglekļa tērauds, pat ja tajā bez dzelzs un oglekļa var būt metāli, piemēram, silīcijs un mangāns.

Tērauda variāciju daudzums uz virsmas var nebūt nozīmīgs, jo ogleklis nekad nepārsniedz 1,5 procentus no tērauda. Tomēr, ja ņemat vērā, ka šī mazā daļa pati par sevi var svārstīties ar koeficientu 10 (0,15% līdz 1,5%), jūs sākat novērtēt fizisko ietekmi, kāda tam var būt.

Tēraudu var iedalīt dažādās kategorijās, izmantojot vairākus kritērijus. Tie, kurus izmanto zinātnieki (kuri bieži vairāk rūpējas par lietu īpašībām, nevis par patiesībā to izmantošana) bieži atšķiras no tiem, kuru galvenā problēma ir galaproduktu veidi, kas izgatavoti no tērauds.

Mehānisks: Kā norādīts, tērauda stiepes izturība var svārstīties no 290 N / m² un 870 N / m². Oglekļa pievienošana tēraudam to apgrūtina faktiskā oglekļa atomu izkliedes veida dēļ sevi starp dzelzs atomiem tādā veidā, ka materiāla dislokācijas ir ļoti apgrūtinošas, veidojot Fe "graudi"₃C. Tas arī padara tēraudu trauslāku nekā dzelzs, tāpēc dzelzs pārveidošana par tēraudu, neskatoties uz tā acīmredzamajām priekšrocībām, nenozīmē nulles praktiskas izmaksas.

Tērauds, kas tiek klasificēts, pamatojoties uz tā mehāniskajām īpašībām, sākas ar "Fe", un sekojošais ir 1) E, un minimālā tecēšanas sprieguma vērtība ir tērauds, kas klasificēts galvenokārt uz šī pamata_, vai 2) tikai stiepes izturības vērtību, ja tā ir galvenā klasifikācijas iezīme. (_Produktīvais stress ir izturības pret mehānisko deformāciju mērs.)

• Piemēram, "Fe 290" ir tērauds ar stiepes izturību 290 N / mm2. bet "Fe E 220" ir tērauds ar stiepes spriegumu 220 N / mm².

Ķīmiskais: Parastie oglekļa tēraudi, kas svārstās no 0,06% līdz 1,5% oglekļa, ir sadalīti šādos veidos atkarībā no to īpatnējā oglekļa satura.

1. Nedzīvs maigs tērauds - līdz 0,15

   procenti

   ogleklis 2. Zema oglekļa vai maiga tērauda - 0,15

   procenti

   līdz 0,45

   procenti

   ogleklis 3. Vidēja oglekļa tērauds - 0,45

   procenti

   līdz 0.8

   procenti

   ogleklis 4. Augsta oglekļa tērauds - 0,8

   procenti

   līdz 1,5

   procenti

   ogleklis

Nerūsējošais tērauds ir tērauda veids, kas savu nosaukumu iegūst no izturības pret oksidēšanās (rūsējot), kā arī uz korozija, kas var rasties, lietojot stipru skābi. To 1913. gadā izgudroja britu metalurgs Harijs Brīlijs, kurš to atklāja, pievienojot metālu hroms tēraudam lielos daudzumos (13 procenti), hroms reaģētu ar skābekli gaisā, veidojot ap objektu pašatjaunojošu aizsargplēvi.

Mūsdienās tiek izmantoti vairāki nerūsējošā tērauda veidi:

• Martensīta nerūsējošais tērauds satur 12 līdz 14

  procenti

  hroms un 0,12 līdz 0,35

  procenti

  ogleklis un tie bija pirmie nerūsējošā tērauda izstrādājumi. Šie tēraudi ir magnētisks un to var sacietēt, apstrādājot tos ar karstumu. Tos izmanto hidrauliskajos sūkņos, tvaika sūkņos, eļļas sūkņos un vārstos, kā arī citas inženiertehniskās iekārtas.
  * Ferīta nerūsējošais tērauds ir lielāks hroma daudzums (16 līdz 18

  procenti) un aptuveni 0,12

  procenti

  ogleklis. Šie tēraudi ir izturīgāki pret koroziju nekā martensīta nerūsējošie tēraudi, taču tiem ir mazas spējas sacietēt, izmantojot siltumu. Šie nerūsējošie tēraudi galvenokārt tiek izmantoti formēšanai un presēšanai, jo tiem ir augsta izturība pret koroziju.
  * Austenīta nerūsējošais tērauds satur lielu daudzumu gan hroma, gan niķeļa; pastāv daudzas precīzā ķīmiskā sastāva variācijas, bet visplašāk izmantotās sastāv no 18

  procenti

  hroms un 8

  procenti

  niķelis ar oglekļa daudzumu līdz minimumam. Viņi ļoti labi iztur koroziju, maksājot par to, ka tos nav iespējams termiski apstrādāt. Šos tēraudus izmanto sūkņu šahtās, rāmjos, apvalkos un ikdienas sastāvdaļās, piemēram, skrūvēs, uzgriežņos un skrūvēs.

Jūs jau esat redzējuši, kā sakausējumi var padarīt jau tā noderīgu materiālu labāku vai, iespējams, precīzāku, specializētāku. Kā šis process darbojas molekulārā līmenī?

Lai gan daudzi tīrie metāli šķiet grūti, tie paši par sevi ir pārāk mīksti, lai tos varētu izmantot smagajā ražošanā. (Viens ievērojams izņēmums ir automobiļu rūpniecība, kur tērauds galvenokārt paliek neleģēts un satur gandrīz tīru dzelzi.) Bet citu metālu sajaukšana var dot izcilus rezultātus.

Piemēram, niķelis un hroms ir izturīgi pret koroziju un ir pazīstami ar to iekļaušanu ķirurģiskajos instrumentos, kas izgatavoti no nerūsējošā tērauda. Ja tērauda magnētos ir vēlams izmantot sakausējumu ar lielāku magnētisko caurlaidību, kobalta ir lieliska izvēle.

Mangāns tiek izmantots lielāka mēroga projektos, piemēram, lieljaudas dzelzceļa pārbrauktuvēs, pateicoties tā ievērojamajai izturībai un cietībai. Visbeidzot, molibdēns spēj uzturēt izturību neparasti augstā temperatūrā pat pēc metālu standartiem, un to izmanto precīzi, piemēram, ātrgaitas urbšanas uzgaļos.

• Kad esošajam tērauda režģim pievieno lielākus jonus, tas režģi izjauc tā, ka tas apgrūtina blakus esošo slāņu slīdēšanu viens otram garām, kas palielina tērauda slāņus cietība. Mazāku atomu pievienošanai var būt tāds pats efekts, izmantojot atšķirīgu dzelzs kristāla režģa struktūras mehānisku traucējumu formu.

Starp daudzajām vēlamajām tērauda īpašībām ir tas, ka tas ir videi draudzīgs. Tas ne vienmēr var izskatīties šādi, jo lielās tērauda konstrukcijas izceļ debess ainavu bieži vien nepatīkamās vietās, taču tas ir lieliski izturība nozīmē, ka, piemēram, tas nesadalīsies par kaut ko toksisku un neredzētu izskalosies gruntsūdeņos un citos apgabali. Atjaunojamie enerģijas avoti (piemēram, saules, vēja un hidroenerģija) plaši izmanto nerūsējošo tēraudu.

• Tērauds tagad ir visvairāk pārstrādātais materiāls uz Zemes; lai gan tas ir smags, tā magnētiskās īpašības atvieglo reģenerāciju no plūsmām un citām vietām, nevis citiem atkritumu veidiem. Tas var samazināt CO₂ emisijas.

Salīdzinot ar citiem materiāliem, būvējot salīdzinoši vieglus tērauda elementus, tēraudam ir vajadzīgs mazs enerģijas daudzums, un to var veidot dažādās formās. Tas dod labāku formu un malu nekā dzelzs, ko izmanto ieroču izgatavošanai.

Tērauds, kā atzīmēts, tiek izmantots automobiļu rūpniecībā. Padomājiet par automašīnu skaitu sastrēgumstundu laikā tikai uz savas pilsētas ceļiem, un visām automašīnām ir virsbūve, durvis, dzinēji, balstiekārtas un interjers, kas galvenokārt sastāv no tērauda.

• Vidēji 50 procenti automašīnas ir izgatavoti no tērauda.

Papildus lomai pasažieru transportlīdzekļos, tēraudu izmanto lauksaimniecības transportlīdzekļu un mašīnu ražošanā.

Lielākā daļa mūsdienu mājās esošo ierīču, piemēram, ledusskapji, televizori, izlietnes, krāsnis un tā tālāk, ir izgatavotas no "vienkārša" tērauda. Arī tie, kuriem ir jena laika pavadīšanai virtuvē, ļoti labi apzinās nerūsējošā tērauda lomu smalkos galda piederumos. Nerūsējošais tērauds ir viegli piemērots sterilas vides uzturēšanai, kas ir viena no īpašībām, kas padara to par labu ķirurģisko instrumentu un implantu izvēli.

Tāpēc, ka tas ļauj viegli izveidot metinātās šuves, vairāk nekā tikai neredzamo mūsdienu struktūru ietvars, ir kļuvis par sevi raksturīgs mūsdienu paraugos arhitektūra. Tā saukto "maigo" tēraudu izmanto ikdienas ēku celtniecībai, īpaši vietās, kur vietējā klimata iezīme ir stiprs vējš.

Pats tērauds ir sakausējums, un pēc definīcijas tam nav ķīmiskās vai molekulārās formulas, neatkarīgi no veida. Tomēr ir lietderīgi izpētīt dažas svarīgās reakcijas, kas notiek tērauda ražošanas procesā.

Dzelzs un tērauda lūžņu vai atsevišķos gadījumos metāllūžņu sadedzināšana ietver vairākas dažādas reakcijas. Daži no svarīgākajiem ir:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 P₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (oglekļa dioksīds) ir atkritumu produkts, bet pārējo pievieno kaļķiem, lai turpinātu tērauda ražošanas procesu, veidojot izdedži.