Свойства и использование стали

Конструкции, сделанные в основном или в основном из материала, известного как стали может быть самым заметным дополнением человечества к ландшафту Земли.

Если бы все живое на Земле было телепортировано в другое место, и группа инопланетян занялась расследованием, они бы нашли самые прочные и внушительные объекты, которые явно не возникшие в результате естественных геологических процессов, будут содержать сталь: небоскребы, мосты, тяжелую технику и практически все, что требуется, чтобы противостоять сильным силам над время.

Возможно, вы знаете, откуда «берется» сталь и что она «такое». По крайней мере, вы наверняка знаете, как он обычно выглядит, ощущается и, возможно, даже звучит в определенных случаях.

Если вы думаете о стали как о металле, это естественно, но на самом деле сталь классифицируется как металл. сплав или смесь разных металлов. В этом случае почти весь первичный металл - это железо, независимо от конкретного рецепта, но, как вы увидите, даже небольшое количество углерода может значительно изменить свойства стали.

Приготовьтесь узнать много нового о том, что по праву можно назвать самым важным материалом в истории строительства и инженерии,

Как вы, несомненно, знаете из того, что видели, слышали и соприкасались с вашей долей материала, сталь известна прежде всего своей прочностью, твердостью и твердостью. В некоторых случаях он также славится своим сиянием.

В количественном выражении эти качества выражаются в очень высокая температура плавления (около 1510 ° C, выше, чем у большинства металлов; медь, например, почти на 500 градусов ниже) и очень высокая плотность (7,9 г / см³, почти в восемь раз больше воды).

Сталь в целом тверже и прочнее, чем ее так называемый родительский элемент, железо. Все же это чрезвычайно гибкий и известен своим высокая прочность на разрыв (т.е. его способность противостоять приложенным нагрузкам или силам, не теряя своей формы).

Прочность на растяжение всех типов стали высока по сравнению с другими материалами, но значительно различается между типами стали. На нижнем уровне значения составляют примерно 290 Н / мм.²; в верхней части предел прочности на разрыв достигает 870 Н / мм.².

• Один квадратный миллиметр (мм²) составляет всего одну миллионную квадратного метра. Это означает, что у стали может быть предел прочности на разрыв 870 миллионов ньютонов на квадратный метр, что равняется массе в 88,8 миллиона килограммов, или 195,7 миллиона фунтов (97 831 тонна) на Земле!

Если вы когда-нибудь использовали чугунная сковорода, вы, возможно, заметили, насколько он казался на удивление прочным (или, по крайней мере, тяжелым). Когда железо является единственным или почти единственным компонентом чего-то вроде сковороды, оно более хрупкое, чем сталь.

Но для большинства повседневных температур приготовления (которые кажутся "горячими", но далеко не такими, как в плавильных печах), функциональная разница между чугуном и сталью может быть не очевидна, даже если они обычно выглядят несколько разные.

Большая часть производимой сегодня стали называется просто углеродистая сталь, или же Простая углеродистая сталь, даже если он может содержать металлы помимо железа и углерода, такие как кремний и марганец.

Степень вариации стали на поверхности может выглядеть незначительной, потому что углерод никогда не составляет более 1,5% стали. Однако, если учесть, что эта небольшая доля сама может варьироваться в 10 раз (от 0,15 до 1,5 процента), вы начинаете понимать, какое физическое воздействие это может иметь.

Сталь можно разделить на разные категории по ряду критериев. Те, которые используются учеными (которые часто больше озабочены свойствами вещей, чем фактическими с их помощью) часто отличаются от тех, чья главная забота - это типы конечных продуктов, изготовленных из стали.

Механический: Как уже отмечалось, предел прочности стали на разрыв может составлять 290 Н / м.² и 870 Н / м². Добавление углерода в сталь усложняет задачу из-за того, что атомы углерода фактически рассеиваются. между атомами железа, что делает дислокации материала очень трудными, образуя «крупинки» Fe₃С. Это также делает сталь более хрупкой, чем железо, поэтому преобразование железа в сталь, несмотря на очевидные преимущества последней, не требует нулевых практических затрат.

Сталь, классифицируемая на основе ее механических свойств, начинается с «Fe», и далее следует: 1) E и минимальное значение предела текучести, если сталь классифицируется в основном на этом основании_, или 2) просто значение прочности на разрыв, если это основной классификационный признак. (_Предел текучести является мерой сопротивления механической деформации.)

• Например, «Fe 290» - это сталь с пределом прочности на разрыв 290 Н / мм2. а «Fe E 220» - сталь с пределом текучести 220 Н / мм.².

Химическая: Обычные углеродистые стали с содержанием углерода от 0,06 до 1,5 процентов делятся на следующие типы в зависимости от их удельного содержания углерода.

1. Мертвая низкоуглеродистая сталь - до 0,15

   процентов

   углерод 2. Низкоуглеродистая или низкоуглеродистая сталь - 0,15

   процентов

   до 0,45

   процентов

   углерод 3. Среднеуглеродистая сталь - 0,45

   процентов

   до 0,8

   процентов

   углерод 4. Высокоуглеродистая сталь - 0,8

   процентов

   до 1,5

   процентов

   углерод

Нержавеющая сталь это тип стали, получивший свое название из-за ее устойчивости к окисление (ржавчина), а также коррозия, как то, что может произойти от применения сильной кислоты. Он был изобретен в 1913 году британским металлургом. Гарри Брерли, который обнаружил, что добавив металл хром к стали в больших количествах (13 процентов), хром вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя самообновляющуюся защитную пленку вокруг объекта.

Сегодня используются несколько видов нержавеющей стали:

• Мартенситные нержавеющие стали содержать от 12 до 14

  процентов

  хром и от 0,12 до 0,35

  процентов

  углерода и были первой разработанной нержавеющей сталью. Эти стали магнитный и их можно укрепить, обработав их теплом. Они используются в гидравлических насосах, паровых насосах, масляных насосах и клапанах, а также в другом инженерном оборудовании.
  * Ферритные нержавеющие стали имеют большее количество хрома (от 16 до 18

  процентов) и около 0,12

  процентов

  углерод. Эти стали более устойчивы к коррозии, чем мартенситные нержавеющие стали, но обладают небольшой способностью закаливаться при нагревании. Эти нержавеющие стали используются в основном в операциях формовки и прессования из-за их высокой устойчивости к коррозии.
  * Аустенитные нержавеющие стали содержат большое количество как хрома, так и никеля; существует множество вариаций точного химического состава, но наиболее широко используются 18

  процентов

  хром и 8

  процентов

  никель с минимальным содержанием углерода. Они очень хорошо сопротивляются коррозии за счет того, что не поддаются термической обработке в какой-либо значительной степени. Эти стали используются в валах насосов, рамах, оболочках и в повседневных компонентах, таких как винты, гайки и болты.

Вы уже видели, как сплавы могут сделать уже полезный материал лучше или, возможно, точнее, более специализированным. Как этот процесс работает на молекулярном уровне?

Большинство чистых металлов, хотя многие из них кажутся твердыми, на самом деле сами по себе слишком мягкие, чтобы их можно было использовать в тяжелой промышленности. (Заметным исключением является автомобильная промышленность, где сталь остается в основном нелегированной и содержит почти чистое железо.) Но смешивание других металлов может дать выдающиеся результаты.

Например, никель а также хром устойчивы к коррозии и известны тем, что используются в хирургических инструментах из нержавеющей стали. Если для использования в стальных магнитах требуется сплав с более высокой магнитной проницаемостью, кобальт отличный выбор.

Марганец используется в крупных проектах, таких как железнодорожные переезды для тяжелых условий эксплуатации, благодаря своей значительной прочности и твердости. Ну наконец то, молибден способен сохранять свою прочность при необычайно высоких температурах даже по стандартам металлов и используется в прецизионных приложениях, таких как наконечники высокоскоростных сверл.

• Когда к существующей стальной решетке добавляются ионы большего размера, это разрушает решетку таким образом, что она затрудняет скольжение соседних «слоев» друг за другом, что увеличивает твердость. Добавление более мелких атомов может иметь тот же эффект за счет другой формы механического нарушения структуры кристаллической решетки железа.

Среди многих желаемых свойств стали - то, что она безвредна для окружающей среды. Это может не всегда выглядеть так с большими стальными конструкциями, усеивающими небосклон в часто неприятных местах, но это здорово. Долговечность означает, что, например, он не разлагается во что-то токсичное и невидимо выщелачивается в грунтовые воды и другие области. В возобновляемых источниках энергии (например, солнечная, ветровая и гидроэнергетика) широко используется нержавеющая сталь.

• Сталь сейчас является самым перерабатываемым материалом на Земле; хотя он и тяжелый, его магнитные свойства облегчают извлечение из ручьев и других мест, чем другие формы отходов. Это может уменьшить CO₂ выбросы.

По сравнению с другими материалами, сталь требует небольшого количества энергии при создании относительно легких стальных элементов, и ей можно придавать различные формы. Он дает лучшую форму и остроту, чем железо, которое используется для изготовления оружия.

Как уже отмечалось, сталь используется в автомобильной промышленности. Подумайте о количестве автомобилей на дорогах вашего собственного города в час пик, все они с кузовами, дверями, двигателями, подвесками и интерьерами, в основном состоящими из стали.

• В среднем автомобиль на 50 процентов сделан из стали.

Помимо производства легковых автомобилей, сталь используется в производстве сельскохозяйственных машин и машин.

Большинство приборов в современных домах, таких как холодильники, телевизоры, раковины, духовки и т. Д., Изготовлены из «простой» стали. Кроме того, те, кто любит проводить время на кухне, хорошо осведомлены о роли нержавеющей стали в производстве прекрасных столовых приборов. Нержавеющая сталь особенно легко поддерживает стерильную среду, что является одним из качеств, делающих ее хорошим выбором для хирургических инструментов и имплантатов.

Потому что он поддается легкому формированию сварных швов, стали, больше, чем просто создание невидимых каркас современных структур, стал сам по себе представлен в примерах современных архитектура. Так называемая «мягкая» сталь используется для повседневного строительства зданий, особенно в районах, где сильные ветры являются особенностью местного климата.

Сама сталь является сплавом и по определению не имеет химической или молекулярной формулы, независимо от типа. Тем не менее полезно изучить некоторые важные реакции, происходящие в процессе производства стали.

Сжигание чугуна и стального лома или, в некоторых случаях, только стального лома, включает ряд различных реакций. Вот некоторые из наиболее важных:
2 К + О₂ → 2 СО
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 П₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
Сотрудничество (углекислый газ) является побочным продуктом, но остальное добавляется к извести для продолжения процесса производства стали путем формования шлак.