Właściwości i zastosowania stali

Konstrukcje wykonane głównie lub w dużej mierze z materiału znanego jako stal może być po prostu najbardziej znaczącym dodatkiem ludzkości do ziemskiego krajobrazu.

Gdyby całe życie na Ziemi zostało teleportowane gdzie indziej, a grupa kosmitów by zbadała, najtrwalsze i najbardziej imponujące obiekty, jakie znaleźliby, które najwyraźniej nie miały powstały w wyniku naturalnych procesów geologicznych zawierałby stal: drapacze chmur, mosty, ciężkie maszyny i zasadniczo wszystko, co jest potrzebne do wytrzymania silnych sił czas.

Być może masz pewną wiedzę na temat tego, skąd „pochodzi” stal i czym „jest”. Jeśli nic więcej, na pewno wiesz, jak ogólnie wygląda, czuje, a może nawet brzmi w niektórych przypadkach.

Jeśli myślisz o stali jako o metalu, jest to naturalne, ale w rzeczywistości stal jest klasyfikowana jako an stop lub mieszanka różnych metali. W tym przypadku prawie cały pierwotny metal to żelazo, bez względu na konkretną recepturę, ale jak zobaczysz, nawet niewielkie ilości węgla mogą znacząco zmienić właściwości stali.

Przygotuj się, aby dowiedzieć się wiele o tym, co słusznie można nazwać najważniejszym materiałem w historii budownictwa i inżynierii,

Jak zapewne wiecie z tego, co widzieliście, słyszeliście i byliście w kontakcie z waszą częścią tego materiału, stal jest znana przede wszystkim ze swojej trwałości, twardości i twardości. W niektórych przypadkach słynie również ze swojego połysku.

To, na co te cechy przekładają się w wymiernych kategoriach fizycznych, to a bardzo wysoka temperatura topnienia (około 1510°C, wyższa niż większość metali; na przykład miedź jest prawie 500 stopni chłodniejsza) i a bardzo wysoka gęstość (7,9 g/cm³, prawie osiem razy więcej wody).

Stal jest ogólnie twardsza i mocniejsza niż jej tak zwany pierwiastek macierzysty, żelazo. Jednak to jest niezwykle elastyczny i znany ze swojego Wysoka wytrzymałość na rozciąganie (tj. jego zdolność do wytrzymywania przyłożonych obciążeń lub sił bez utraty kształtu).

Wytrzymałość na rozciąganie wszystkich rodzajów stali jest wysoka w porównaniu z innymi materiałami, ale różni się znacznie w zależności od rodzaju stali. Na dolnym końcu wartości wynoszą około 290 N/mm²; na najwyższym poziomie wytrzymałość na rozciąganie wynosi aż 870 N/mm².

• Jeden milimetr kwadratowy (mm²) to zaledwie jedna milionowa metra kwadratowego. Oznacza to, że stal może mieć wytrzymałość na rozciąganie 870 milionów niutonów na metr kwadratowy — co odpowiada masie 88,8 miliona kilogramów lub 195,7 miliona funtów (97831 ton) na Ziemi!

Jeśli kiedykolwiek używałeś żeliwna patelnia, być może zauważyłeś, jak wyjątkowo wytrzymały (lub przynajmniej ciężki) wydawał się. Kiedy żelazo jest jedynym lub prawie jedynym składnikiem czegoś takiego jak patelnia, jest bardziej kruche niż stal.

Ale w przypadku większości codziennych temperatur gotowania (które wydają się „gorące”, ale nie przypominają pieca do wytapiania), różnica funkcjonalna między żelazem a stalą może nie być łatwo widoczna, nawet jeśli zwykle wyglądają nieco różne.

Większość produkowanej dziś stali nazywa się po prostu Stal węglowa, lub zwykła stal węglowa, mimo że może zawierać metale oprócz żelaza i węgla, takie jak krzem i mangan.

Ilość zmienności stali może nie wydawać się znacząca na powierzchni, ponieważ węgiel nigdy nie stanowi więcej niż 1,5 procent stali. Jeśli jednak weźmiesz pod uwagę, że ta niewielka część może sama w sobie wynosić 10 razy (0,15% do 1,5%), zaczynasz doceniać fizyczny wpływ, jaki może to mieć.

Stal można podzielić na różne kategorie za pomocą wielu kryteriów. Te używane przez naukowców (które często bardziej interesują się właściwościami rzeczy niż faktycznymi) przy ich użyciu) często różnią się od tych, których główną troską są rodzaje wytwarzanych z nich produktów końcowych stal.

Mechaniczny: Jak wspomniano, wytrzymałość stali na rozciąganie może wynosić od 290 N/m² i 870 N/m². Dodanie węgla do stali utrudnia to ze względu na sposób, w jaki atomy węgla rozpraszają się się między atomami żelaza w sposób, który bardzo utrudnia dyslokacje materiału, tworząc „ziarna” Fe₃DO. Sprawia to również, że stal jest bardziej krucha niż żelazo, więc przekształcenie żelaza w stal, pomimo oczywistych zalet tego ostatniego, nie ma zerowych kosztów praktycznych.

Stal klasyfikowana na podstawie jej właściwości mechanicznych zaczyna się od „Fe”, a co za tym idzie 1) E, a minimalna granica plastyczności to stal jest klasyfikowana głównie na tej podstawie_, lub 2) tylko wartość wytrzymałości na rozciąganie, jeśli jest to główna cecha klasyfikacyjna. (_Naprężenie wydajności jest miarą odporności na odkształcenia mechaniczne.)

• Na przykład „Fe 290” to stal o wytrzymałości na rozciąganie 290 N/mm2. natomiast „Fe E 220” to stal o granicy plastyczności 220 N/mm².

Chemiczny: Zwykłe stale węglowe, które zawierają od 0,06 procent węgla do 1,5 procent węgla, dzielą się na następujące typy w zależności od ich specyficznej zawartości węgla.

1. Martwa stal miękka — do 0,15

   procent

   węgiel 2. Stal niskowęglowa lub miękka — 0,15

   procent

   do 0,45

   procent

   węgiel 3. Stal średniowęglowa — 0,45

   procent

   do 0,8

   procent

   węgiel 4. Stal wysokowęglowa — 0,8

   procent

   do 1,5

   procent

   węgiel

Stal nierdzewna to rodzaj stali, który swoją nazwę zawdzięcza odporności na utlenianie (rdzewieje) oraz do korozja, jak to, które może wystąpić po zastosowaniu mocnego kwasu. Został wynaleziony w 1913 roku przez brytyjskiego metalurga Harry'ego Brearleya, który odkrył to przez dodanie metalu chrom W przypadku stali w dużych ilościach (13 procent), chrom reagowałby z tlenem z powietrza, tworząc samoodnawialną warstwę ochronną wokół przedmiotu.

Obecnie w użyciu jest kilka rodzajów stali nierdzewnej:

• Martenzytyczne stale nierdzewne zawierają od 12 do 14

  procent

  chrom i 0,12 do 0,35

  procent

  węgla i były pierwszą opracowaną stalą nierdzewną. Te stale są magnetyczny i można je utwardzić przez obróbkę cieplną. Są one stosowane między innymi w pompach hydraulicznych, pompach parowych, pompach olejowych i zaworach.
  * Ferrytyczne stale nierdzewne mają większą ilość chromu (16 do 18

  procent) i około 0,12

  procent

  węgiel. Stale te są bardziej odporne na korozję niż stale nierdzewne martenzytyczne, ale mają niewielką zdolność do hartowania za pomocą ciepła. Te stale nierdzewne są używane głównie w operacjach formowania i prasowania ze względu na ich wysoką odporność na korozję.
  * Austenityczne stale nierdzewne zawierają dużą ilość zarówno chromu, jak i niklu; istnieje wiele odmian dokładnego składu chemicznego, ale najszerzej stosowane są 18 consist

  procent

  chrom i 8

  procent

  nikiel, z ograniczeniem węgla do minimum. Bardzo dobrze są odporne na korozję kosztem braku podatności na obróbkę cieplną w jakimkolwiek znaczącym stopniu. Stale te są stosowane w wałach pomp, ramach, osłonach i elementach codziennego użytku, takich jak śruby, nakrętki i śruby.

Widzieliście już, jak stopy mogą uczynić już użyteczny materiał lepszym, a może bardziej konkretnym, bardziej wyspecjalizowanym. Jak ten proces działa na poziomie molekularnym?

Większość czystych metali, choć wiele z nich wydaje się twardych, w rzeczywistości jest zbyt miękka, aby można je było stosować w ciężkiej produkcji. (Jedynym godnym uwagi wyjątkiem jest przemysł motoryzacyjny, w którym stal jest w większości niestopowa i zawiera prawie czyste żelazo). Ale mieszanie z innymi metalami może dać znakomite wyniki.

Na przykład, nikiel i chrom są odporne na korozję i są znane z tego, że znajdują się w instrumentach chirurgicznych wykonanych ze stali nierdzewnej. Jeżeli do zastosowania w magnesach stalowych pożądany jest stop o wyższej przenikalności magnetycznej, kobalt to doskonały wybór.

Mangan ze względu na dużą wytrzymałość i twardość znajduje zastosowanie w projektach o większej skali, takich jak przejazdy kolejowe o dużej ładowności. Wreszcie, molibden jest w stanie utrzymać swoją wytrzymałość w niezwykle wysokich temperaturach, nawet jak na standardy metali i jest używany w precyzyjnych zastosowaniach, takich jak szybkie końcówki wierteł.

• Gdy do istniejącej sieci stalowej dodawane są większe jony, powoduje to rozerwanie sieci w taki sposób, że utrudnia przesuwanie się sąsiednich „warstw” obok siebie, co zwiększa wytrzymałość stali twardość. Dodanie mniejszych atomów może mieć ten sam efekt poprzez inną formę mechanicznego rozerwania struktury sieci krystalicznej żelaza.

Wśród wielu pożądanych właściwości stali jest to, że jest ona przyjazna dla środowiska. Nie zawsze może tak wyglądać z dużymi stalowymi konstrukcjami rozsianymi po niebie w często nieprzyjemnych lokalizacjach, ale jest świetny trwałość oznacza, że ​​np. nie ulegnie degradacji w coś toksycznego i niezauważalnie wypłucze do wód gruntowych i innych obszary. Odnawialne źródła energii (np. energia słoneczna, wiatrowa i wodna) w dużym stopniu wykorzystują stal nierdzewną.

• Stal jest obecnie najczęściej przetwarzanym materiałem na Ziemi; chociaż jest ciężki, jego właściwości magnetyczne ułatwiają odzyskiwanie ze strumieni i innych miejsc niż inne formy odpadów. Może obniżyć CO₂ emisje.

W porównaniu z innymi materiałami stal wymaga niewielkiej ilości energii przy konstruowaniu stosunkowo lekkich elementów stalowych i można ją kształtować w różne formy. Daje lepszy kształt i ostrze niż żelazo używane do produkcji broni.

Jak już wspomniano, stal jest wykorzystywana w przemyśle samochodowym. Pomyśl o liczbie samochodów na drogach Twojego własnego miasta w godzinach szczytu, wszystkie z nadwoziami, drzwiami, silnikami, zawieszeniem i wnętrzami składającymi się głównie ze stali.

• Średnio 50 procent samochodu jest wykonane ze stali.

Oprócz roli w pojazdach osobowych stal wykorzystywana jest do produkcji pojazdów i maszyn rolniczych.

Większość urządzeń w nowoczesnych domach, takich jak lodówki, telewizory, zlewozmywaki, piekarniki itp., wykonana jest z „zwykłej” stali. Również ci, którzy lubią spędzać czas w kuchni, doskonale zdają sobie sprawę z roli stali nierdzewnej w szlachetnych sztućcach. Stale nierdzewne szczególnie nadają się do łatwego utrzymania sterylnego środowiska, co jest jedną z cech, które sprawiają, że jest to dobry wybór dla narzędzi chirurgicznych i implantów.

Ponieważ nadaje się do łatwego tworzenia spawów, stali, więcej niż tylko tworzenia niewidzialnego ramy nowoczesnych struktur, sam w sobie znalazł się na przykładach współczesnych architektura. Tak zwana „miękka” stal jest używana do codziennego wznoszenia budynków, zwłaszcza na obszarach, gdzie silne wiatry są cechą lokalnego klimatu.

Sama stal jest stopem iz definicji nie ma wzoru chemicznego ani molekularnego, niezależnie od rodzaju. Niemniej jednak przydatne jest zbadanie niektórych ważnych reakcji zachodzących w procesie wytwarzania stali.

Spalanie żelaza i złomu stalowego lub w niektórych przypadkach samego złomu stalowego obejmuje szereg różnych reakcji. Niektóre z najważniejszych to:
2 stopni Celsjusza₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4 pensy + 5 pensów₂ → 4P₅O₂
2 mln + O₂ → 2 MnO
CO (dwutlenek węgla) jest produktem odpadowym, ale reszta jest dodawana do wapna w celu kontynuowania procesu wytwarzania stali poprzez formowanie żużel.