Structuri realizate în principal sau în mare parte din materialul cunoscut sub numele de oţel ar putea fi doar cele mai proeminente adăugiri ale omenirii în peisajul Pământului.
Dacă toată viața de pe Pământ ar fi teleportată în altă parte și un grup de extratereștri s-ar întâmpla să investigheze, cele mai durabile și impunătoare obiecte pe care le-ar găsi, care în mod clar nu au fost provenite din procesele geologice naturale ar conține oțel: zgârie-nori, poduri, mașini grele și, în esență, orice este necesar pentru a rezista forțelor puternice peste timp.
Poate că aveți cunoștințe de unde „provine” oțelul și de ce „este”. Dacă nu altceva, cu siguranță știți cum arată, simte și poate chiar sună în anumite cazuri.
Dacă vă gândiți la oțel ca la un metal, este natural, dar oțelul este de fapt clasificat ca un aliaj sau un amestec de metale diferite. În acest caz, aproape tot metalul primar este fier, indiferent de rețeta specifică, dar, după cum veți vedea, chiar și cantități mici de carbon pot modifica proprietățile oțelului în mod semnificativ.
Pregătiți-vă să aflați multe despre ceea ce poate fi numit pe bună dreptate cel mai important material din istoria construcțiilor și ingineriei,
Proprietățile fizice și chimice ale oțelului
După cum știți, fără îndoială, după ce ați văzut, auzit și ați fost în contact cu partea dvs. de lucruri, oțelul este cunoscut în primul rând pentru durabilitatea, duritatea și duritatea sa. În unele cazuri, este renumit și pentru strălucirea sa.
La ce se traduc aceste calități în termeni fizici cuantificabili este a punct de topire foarte ridicat (aproximativ 1.510 ° C, mai mare decât majoritatea metalelor; cuprul, de exemplu, este cu aproape 500 de grade mai rece) și a densitate foarte mare (7,9 g / cm3, de aproape opt ori mai mare decât a apei).
Oțelul este mai dur și mai puternic în general decât așa-numitul element părinte, fierul. Totuși este extrem de flexibil și cunoscut pentru rezistență ridicată la tracțiune (adică capacitatea sa de a rezista la sarcini sau forțe aplicate, fără a-și pierde forma).
Rezistența la tracțiune a tuturor tipurilor de oțel este ridicată în comparație cu alte materiale, dar variază semnificativ între tipurile de oțel. La capătul inferior, valorile sunt de aproximativ 290 N / mm2; la capătul înalt, rezistența la tracțiune este de până la 870 N / mm2.
- Un milimetru pătrat (mm2) este doar o milionime dintr-un metru pătrat. Aceasta înseamnă că oțelul poate avea o rezistență la tracțiune de 870 milioane de newtoni pe metru pătrat - egală cu o masă de 88,8 milioane de kilograme, sau 195,7 milioane de lire sterline (97.831 tone), pe Pământ!
Dacă ați folosit vreodată un tigaie din fonta, poate ați observat cât de remarcabil de robust (sau cel puțin greu) părea. Când fierul este singura sau aproape singura componentă a ceva ca o tigaie, este mai fragil decât oțelul.
Dar pentru majoritatea temperaturilor de gătit de zi cu zi (care par „fierbinți”, dar nu sunt nici pe departe aproape de cuptor) diferența funcțională dintre fier și oțel ar putea să nu fie ușor evidentă, chiar dacă de obicei arată oarecum diferit.
Tipuri de oțel
Majoritatea oțelului produs astăzi se numește pur și simplu otel carbon, sau oțel carbon simplu, chiar dacă poate conține metale în afară de fier și carbon, cum ar fi siliciu și mangan.
Cantitatea de variație a oțelului poate să nu pară semnificativă la suprafață, deoarece carbonul nu reprezintă niciodată mai mult de 1,5% din oțel. Cu toate acestea, atunci când considerați că această mică fracțiune poate varia ea însăși cu un factor de 10 (0,15% până la 1,5%), începeți să apreciați impactul fizic pe care acesta îl poate avea.
Oțelul poate fi împărțit în diferite categorii folosind o serie de criterii. Cele folosite de oamenii de știință (care sunt adesea preocupați mai mult de proprietățile lucrurilor decât de fapt folosindu-le) sunt adesea diferite de cele a căror preocupare principală este tipurile de produse finale fabricate din oţel.
Mecanic: După cum sa menționat, rezistența la tracțiune a oțelului poate varia între 290 N / m2 și 870 N / m2. Adăugarea carbonului la oțel o face mai dificilă din cauza modului în care atomii de carbon se dispersează efectiv ei înșiși printre atomii de fier într-un mod care face dislocările materialului foarte dificile, formându-se „boabe” de Fe3C. Acest lucru face, de asemenea, oțelul mai fragil decât fierul, astfel încât transformarea fierului în oțel, în ciuda avantajelor manifeste ale acestuia, nu are costuri practice zero.
Oțelul care este clasificat pe baza proprietăților sale mecanice începe cu „Fe”, iar ceea ce urmează este 1) E, iar valoarea minimă a tensiunii de producție este oțelul este clasificat în principal pe această bază_, sau 2) doar valoarea rezistenței la tracțiune dacă aceasta este trăsătura principală de clasificare. (_Reducerea stresului este o măsură a rezistenței la deformarea mecanică.)
- De exemplu, "Fe 290" este oțel cu o rezistență la tracțiune de 290 N / mm2. în timp ce „Fe E 220” este oțel cu o tensiune de curgere de 220 N / mm2.
Chimic: Oțelurile cu carbon simplu, care variază de la 0,06% carbon la 1,5% carbon, sunt împărțite în următoarele tipuri, în funcție de conținutul lor specific de carbon.
-
Oțel moale mort - până la 0,15
la sută
carbon 2. Oțel slab carbonat sau oțel ușor - 0,15
la sută
la 0,45
la sută
carbon 3. Oțel carbon mediu - 0,45
la sută
la 0,8
la sută
carbon 4. Oțel cu conținut ridicat de carbon - 0,8
la sută
până la 1,5
la sută
carbon
Oțel inoxidabil este un tip de oțel care își ia numele din rezistența sa la oxidare (ruginind) precum și la coroziune, ca ceea ce ar putea apărea din aplicarea unui acid puternic. A fost inventat în 1913 de metalurgistul britanic Harry Brearley, care a descoperit asta adăugând metalul crom la oțel în cantități mari (13%), cromul ar reacționa cu oxigenul din aer pentru a forma o peliculă de protecție autoînnoitoare în jurul obiectului.
O serie de tipuri de oțel inoxidabil sunt utilizate astăzi:
-
Oțeluri inoxidabile martensitice conțin 12-14
la sută
crom și 0,12 până la 0,35
la sută
carbon și au fost primul oțel inoxidabil dezvoltat. Aceste oțeluri sunt magnetic și poate fi întărit tratându-le cu căldură. Acestea sunt utilizate în pompe hidraulice, pompe de abur, pompe de ulei și supape, printre alte echipamente tehnice.
* Oțeluri inoxidabile feritice au o cantitate mai mare de crom (16-18procente) și aproximativ 0,12
la sută
carbon. Aceste oțeluri sunt mai rezistente la coroziune decât oțelurile inoxidabile martensitice, dar au o capacitate redusă de a fi întărite cu utilizarea căldurii. Aceste oțeluri inoxidabile sunt utilizate în principal în operații de formare și presare datorită rezistenței lor ridicate la coroziune.
* Oțeluri inoxidabile austenitice conțin o cantitate mare atât de crom, cât și de nichel; există multe variații ale compoziției chimice precise, dar cele mai utilizate sunt 18la sută
crom și 8
la sută
nichel, cu carbon minimizat. Rezistă foarte bine la coroziune cu prețul de a nu fi tratabile termic într-o măsură apreciabilă. Aceste oțeluri sunt utilizate în arbori de pompare, cadre, înveliș și componente de zi cu zi, cum ar fi șuruburi, piulițe și șuruburi.
Scopurile aliajelor
Ați văzut deja cum aliajele pot face ca un material deja util să fie mai bun sau, mai precis, mai specializat. Cum funcționează acest proces la nivel molecular?
Majoritatea metalelor pure, deși multe par dure, sunt de fapt prea moi pentru a fi utilizate în fabricarea grea. (O excepție notabilă este industria auto, unde oțelul este lăsat în mare parte nealiat și conține fier aproape pur.) Dar amestecul cu alte metale poate produce rezultate remarcabile.
De exemplu, nichel și crom sunt rezistente la coroziune și sunt cunoscute pentru includerea lor în instrumente chirurgicale din oțel inoxidabil. Dacă se dorește un aliaj cu o permeabilitate magnetică mai mare pentru utilizarea în magneți de oțel, cobalt este o alegere excelentă.
Mangan este utilizat în proiecte la scară mai mare, cum ar fi traversările feroviare grele datorită rezistenței și durității sale considerabile. In cele din urma, molibden este capabil să-și mențină rezistența la temperaturi neobișnuit de ridicate chiar și conform standardelor metalelor și este utilizat în aplicații de precizie, cum ar fi vârfurile de foraj de mare viteză.
- Când se adaugă ioni mai mari la rețeaua de oțel existentă, acest lucru perturbă rețeaua în așa fel încât aceasta face mai dificilă alunecarea „straturilor” adiacente una lângă alta, ceea ce mărește oțelul duritate. Adăugarea unor atomi mai mici poate avea același efect printr-o formă diferită de perturbare mecanică a structurii rețelei de cristal de fier.
Avantajele oțelului
Printre numeroasele proprietăți dorite ale oțelului este că este ecologic. S-ar putea să nu arate întotdeauna așa, cu structuri mari de oțel care punctează peisajul zăpezesc în locații adesea neplăcute, dar este minunat durabilitatea înseamnă că, de exemplu, nu se va degrada în ceva toxic și nu se va scurge nevăzut în apele subterane și altele zone. Sursele de energie regenerabile (de exemplu, energia solară, eoliană și hidroelectrică) utilizează pe larg oțelul inoxidabil.
- Oțelul este acum cel mai reciclat material de pe Pământ; deși este greu, proprietățile sale magnetice facilitează recuperarea din fluxuri și din alte locuri decât alte forme de deșeuri. Poate reduce CO2 emisiilor.
Comparativ cu alte materiale, oțelul necesită o cantitate redusă de energie atunci când se construiesc elemente din oțel relativ ușoare și poate fi modelat în diferite forme. Oferă o formă și o margine mai bune decât fierul, care este folosit pentru fabricarea armelor.
Diverse utilizări și funcții ale oțelului
După cum sa menționat, oțelul este utilizat în industria automobilelor. Gândiți-vă la numărul de mașini pe drumurile propriului oraș în timpul orelor de vârf, toate cu caroserii, uși, motoare, suspensii și interioare constând în mare parte din oțel.
- În medie, 50% dintr-o mașină este fabricată din oțel.
În afară de rolul său în vehiculele de pasageri, oțelul este utilizat în producția de vehicule agricole și mașini.
Majoritatea aparatelor din casele moderne, precum frigidere, televizoare, chiuvete, cuptoare și așa mai departe sunt fabricate din oțel „simplu”. De asemenea, cei cu yeni care își petrec timpul în bucătărie sunt foarte conștienți de rolul oțelului inoxidabil în tacâmurile fine. Oțelurile inoxidabile se pretează, în special, la întreținerea ușoară a unui mediu steril, care este una dintre calitățile care îl fac o alegere bună pentru instrumentele și implanturile chirurgicale.
Deoarece se pretează la formarea ușoară a sudurilor, a oțelului, mai mult decât a face invizibilul cadru al structurilor moderne, a devenit prezentat în sine în exemplele contemporane arhitectură. Așa-numitul oțel „blând” este utilizat pentru construcția zilnică a clădirilor, în special în zonele în care vânturile puternice sunt o caracteristică a climatului local.
Formule și reacții chimice din oțel
Oțelul în sine este un aliaj și, prin definiție, nu are formulă chimică sau moleculară, indiferent de tip. Cu toate acestea, este util să examinăm unele dintre reacțiile importante care au loc în procesul de fabricare a oțelului.
Arderea fierului și a resturilor de oțel sau, în unele cazuri, numai a resturilor de oțel implică o serie de reacții diferite. Unele dintre cele mai importante sunt:
2 C + O2 → 2 CO
Si + O2 → SiO2
4P + 5 O2 → 4 P5O2
2 Mn + O2 → 2 MnO
CO (dioxid de carbon) este un produs rezidual, dar restul este adăugat la var pentru a continua procesul de fabricare a oțelului prin formare zgură.