Eigenschappen en gebruik van staal

Structuren die voornamelijk of grotendeels zijn gemaakt van het materiaal dat bekend staat als staal misschien wel de meest prominente toevoegingen van de mensheid aan het landschap van de aarde zijn.

Als al het leven op aarde naar elders zou worden geteleporteerd, en een groep buitenaardse wezens zou dit onderzoeken, zouden de meest duurzame en imposante objecten die ze zouden vinden die duidelijk niet voortgekomen uit natuurlijke geologische processen zou staal bevatten: wolkenkrabbers, bruggen, zware machines en in wezen alles wat nodig is om sterke krachten te weerstaan tijd.

Je hebt misschien enige kennis van waar staal 'vandaan komt' en wat het 'is'. Als er niets anders is, weet je zeker hoe het er in het algemeen uitziet, voelt en misschien zelfs klinkt in bepaalde gevallen.

Als je staal als metaal beschouwt, is dat natuurlijk, maar staal is in feite geclassificeerd als een legering of een mengsel van verschillende metalen. In dit geval is bijna al het primaire metaal ijzer, ongeacht het specifieke recept, maar zoals je zult zien, kunnen zelfs kleine hoeveelheden koolstof de eigenschappen van staal aanzienlijk veranderen.

Bereid je voor om veel te leren over wat met recht het belangrijkste materiaal in de geschiedenis van constructie en techniek kan worden genoemd,

Zoals u ongetwijfeld weet door uw aandeel in het materiaal te hebben gezien, gehoord en ermee in contact te zijn geweest, staat staal vooral bekend om zijn duurzaamheid, hardheid en taaiheid. In sommige gevallen staat het ook bekend om zijn glans.

Waar deze kwaliteiten zich in kwantificeerbare fysieke termen naar vertalen, is een zeer hoog smeltpunt (ongeveer 1.510 °C, hoger dan de meeste metalen; koper is bijvoorbeeld bijna 500 graden koeler) en a zeer hoge dichtheid (7,9 g/cm³, bijna acht keer die van water).

Staal is over het algemeen harder en sterker dan het zogenaamde moederelement, ijzer. Toch is het extreem flexibel en bekend om zijn hoge treksterkte (d.w.z. het vermogen om uitgeoefende belastingen of krachten te weerstaan, zonder zijn vorm te verliezen).

De treksterkte van alle staalsoorten is hoog in vergelijking met andere materialen, maar verschilt aanzienlijk tussen staalsoorten. Aan de onderkant zijn de waarden ongeveer 290 N/mm²; aan de bovenkant is de treksterkte zo hoog als 870 N/mm².

• Een vierkante millimeter (mm²) is slechts een miljoenste van een vierkante meter. Dit betekent dat staal een treksterkte van 870 miljoen newton per vierkante meter kan hebben - gelijk aan een massa van 88,8 miljoen kilogram, of 195,7 miljoen pond (97.831 ton), op aarde!

Als u ooit een gietijzeren koekenpan, heb je misschien gemerkt hoe opmerkelijk stevig (of op zijn minst zwaar) het leek. Als ijzer het enige of bijna enige onderdeel is van zoiets als een pan, is het brozer dan staal.

Maar voor de meeste dagelijkse kooktemperaturen (die "heet" lijken, maar lang niet in de buurt van smeltoven-achtig zijn), is de functioneel verschil tussen ijzer en staal is misschien niet meteen duidelijk, ook al zien ze er meestal een beetje uit anders.

Het meeste staal dat tegenwoordig wordt geproduceerd, heet eenvoudigweg: koolstofstaal, of gewoon koolstofstaal, ook al kan het behalve ijzer en koolstof ook metalen bevatten, zoals silicium en mangaan.

De hoeveelheid staalvariatie lijkt aan het oppervlak misschien niet significant, omdat koolstof nooit meer dan 1,5 procent van staal uitmaakt. Als je echter bedenkt dat deze kleine fractie zelf een factor 10 kan variëren (0,15 procent tot 1,5 procent), begin je de fysieke impact te waarderen die dit kan hebben.

Staal is aan de hand van een aantal criteria in te delen in verschillende categorieën. Die worden gebruikt door wetenschappers (die zich vaak meer bezighouden met de eigenschappen van dingen dan met daadwerkelijke) die ze gebruiken) zijn vaak anders dan die waarvan de voornaamste zorg de soorten eindproducten zijn waarvan wordt gemaakt staal.

Mechanisch: Zoals gezegd kan de treksterkte van staal variëren van 290 N/m² en 870 N/m². Het toevoegen van koolstof aan staal maakt het moeilijker vanwege de manier waarop de koolstofatomen zich in feite verspreiden zich tussen de ijzeratomen op een manier die dislocaties van materiaal erg moeilijk maakt, "granen" van Fe₃C. Dit maakt staal ook brozer dan ijzer, zodat het omzetten van ijzer in staal, ondanks de duidelijke voordelen van dit laatste, niet zonder praktische kosten komt.

Staal dat is geclassificeerd op basis van zijn mechanische eigenschappen begint met "Fe", en wat volgt is 1) E en de minimale vloeigrenswaarde is dat het staal voornamelijk op deze basis wordt geclassificeerd_, of 2) alleen de waarde van de treksterkte als dit het primaire classificatiekenmerk is. (_Opbrengstspanning is een maat voor de weerstand tegen mechanische vervorming.)

• Zo is "Fe 290" staal met een treksterkte van 290 N/mm2. terwijl "Fe E 220" staal is met een vloeigrens van 220 N/mm².

Chemisch: Gewoon koolstofstaal dat varieert van 0,06 procent koolstof tot 1,5 procent koolstof, wordt onderverdeeld in de volgende typen, afhankelijk van hun specifieke koolstofgehalte.

1. Dood zacht staal - tot 0,15

   procent

   koolstof 2. Koolstofarm of zacht staal - 0,15

   procent

   tot 0,45

   procent

   koolstof 3. Middelgroot koolstofstaal — 0.45

   procent

   tot 0.8

   procent

   koolstof 4. Hoog koolstofstaal — 0.8

   procent

   tot 1.5

   procent

   koolstof

Roestvrij staal is een staalsoort die zijn naam dankt aan zijn weerstand tegen oxidatie (roesten) en ook om corrosie, zoals die welke kunnen optreden bij de toepassing van een sterk zuur. Het werd in 1913 uitgevonden door de Britse metallurg Harry Brearley, die dat ontdekte door het metaal toe te voegen chroom tot staal in grote hoeveelheden (13 procent), zou het chroom reageren met zuurstof in de lucht om een ​​zelfvernieuwende beschermende film rond het object te vormen.

Er zijn tegenwoordig een aantal soorten roestvrij staal in gebruik:

• Martensitisch roestvast staal bevatten 12 tot 14

  procent

  chroom en 0,12 tot 0,35

  procent

  koolstof en waren de eerste roestvrijstalen ontwikkeld. Deze staalsoorten zijn: magnetisch en kunnen worden uitgehard door ze met warmte te behandelen. Deze worden onder andere gebruikt in hydraulische pompen, stoompompen, oliepompen en kleppen.
  * Ferritisch roestvast staal een grotere hoeveelheid chroom hebben (16 tot 18

  procent) en ongeveer 0,12

  procent

  koolstof. Deze staalsoorten zijn corrosiebestendiger dan martensitische roestvaste staalsoorten, maar hebben weinig capaciteit om door middel van warmte te worden gehard. Deze roestvaste staalsoorten worden voornamelijk gebruikt bij het vormen en persen vanwege hun hoge weerstand tegen corrosie.
  * Austenitisch roestvast staal bevatten een grote hoeveelheid zowel chroom als nikkel; er zijn veel variaties in precieze chemische samenstelling, maar de meest gebruikte bestaat uit 18

  procent

  chroom en 8

  procent

  nikkel, waarbij koolstof tot een minimum wordt beperkt. Ze zijn zeer goed bestand tegen corrosie ten koste van het feit dat ze niet in noemenswaardige mate met warmte kunnen worden behandeld. Deze staalsoorten worden gebruikt in pompassen, frames, mantels en alledaagse componenten zoals schroeven, moeren en bouten.

Je hebt al gezien hoe legeringen een al bruikbaar materiaal beter, of misschien meer to the point, meer gespecialiseerd kunnen maken. Hoe werkt dit proces op moleculair niveau?

De meeste pure metalen, hoewel veel hard lijken, zijn eigenlijk te zacht om in zware productie te worden gebruikt. (Een opmerkelijke uitzondering is de auto-industrie, waar staal grotendeels ongelegeerd blijft en bijna puur ijzer bevat.) Maar het mengen van andere metalen kan uitstekende resultaten opleveren.

Bijvoorbeeld, nikkel en chroom zijn corrosiebestendig en staan ​​bekend om hun opname in chirurgische instrumenten van roestvrij staal. Als een legering met een hogere magnetische permeabiliteit gewenst is voor gebruik in staalmagneten, kobalt is een uitstekende keuze.

Mangaan wordt vanwege zijn grote sterkte en hardheid gebruikt in grotere projecten zoals zware spoorwegovergangen. Tenslotte, molybdeen is in staat om zijn sterkte te behouden bij ongewoon hoge temperaturen, zelfs volgens de normen van metalen, en wordt gebruikt in precisietoepassingen zoals boorpunten met hoge snelheid.

• Wanneer grotere ionen aan het bestaande stalen rooster worden toegevoegd, verstoort dit het rooster zodanig dat het maakt het moeilijker voor aangrenzende "lagen" om langs elkaar te schuiven, waardoor de staal hardheid. Het toevoegen van kleinere atomen kan hetzelfde effect hebben via een andere vorm van mechanische verstoring van de ijzerkristalroosterstructuur.

Een van de vele gewenste eigenschappen van staal is dat het milieuvriendelijk is. Het ziet er misschien niet altijd zo uit met grote staalconstructies die het luchtlandschap op vaak onaangename locaties bedekken, maar het is geweldig duurzaamheid betekent dat het bijvoorbeeld niet afbreekt tot iets giftigs en ongezien uitspoelt naar grondwater en andere gebieden. Hernieuwbare energiebronnen (bijvoorbeeld zonne-, wind- en waterkracht) maken ruimschoots gebruik van roestvrij staal.

• Staal is nu het meest gerecyclede materiaal op aarde; hoewel het zwaar is, maken zijn magnetische eigenschappen het gemakkelijker te recupereren uit stromen en andere plaatsen dan andere vormen van afval. Het kan CO. verminderen₂ uitstoot.

Vergeleken met andere materialen heeft staal weinig energie nodig bij het construeren van relatief lichtgewicht stalen elementen en kan het in verschillende vormen worden gevormd. Het geeft een betere vorm en rand dan ijzer dat wordt gebruikt om wapens te maken.

Zoals gezegd wordt staal gebruikt in de auto-industrie. Denk aan het aantal auto's op de wegen van alleen je eigen stad tijdens de spits, allemaal met carrosserieën, deuren, motoren, ophangingen en interieurs die grotendeels uit staal bestaan.

• Gemiddeld is 50 procent van een auto gemaakt van staal.

Afgezien van zijn rol in personenauto's, wordt staal gebruikt bij de productie van landbouwvoertuigen en machines.

De meeste apparaten in moderne huizen, zoals koelkasten, televisies, spoelbakken, ovens, enzovoort, zijn gemaakt van "gewoon" staal. Ook degenen met een yen om tijd door te brengen in de keuken zijn zich terdege bewust van de rol van roestvrij staal in fijn bestek. Roestvrij staal leent zich met name voor het gemakkelijke onderhoud van een steriele omgeving, wat een van de eigenschappen is die het een goede keuze maken voor chirurgische instrumenten en implantaten.

Omdat het zich leent voor de gemakkelijke vorming van lassen, staal, meer dan alleen het onzichtbare maken raamwerk van moderne structuren, is op zichzelf staand in voorbeelden van hedendaagse architectuur. Zogenaamd "zacht" staal wordt gebruikt voor de dagelijkse bouwconstructie, vooral in gebieden waar harde wind een kenmerk is van het lokale klimaat.

Staal zelf is een legering en heeft per definitie geen chemische of moleculaire formule, ongeacht het type. Het is niettemin nuttig om enkele van de belangrijke reacties te onderzoeken die plaatsvinden in het staalproductieproces.

De verbranding van ijzer plus staalschroot, of in sommige gevallen alleen staalschroot, gaat gepaard met een aantal verschillende reacties. Enkele van de belangrijkste zijn:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 P₅O₂
2 mn + uit₂ → 2 MnO
de CO (kooldioxide) is een afvalproduct, maar de rest wordt toegevoegd aan kalk om het staalproductieproces voort te zetten door vorming slakken.