Vlastnosti a použitie ocele

Štruktúry vyrobené hlavne alebo z veľkej časti z materiálu známeho ako oceľ môžu byť len najvýznamnejšími prírastkami ľudstva do zemskej krajiny.

Keby sa všetok život na Zemi teleportoval inde a náhodou by skupina mimozemšťanov vyšetrovala najodolnejšie a najimpozantnejšie objekty, ktoré by našli, ktoré zjavne nemali vzniknuté z prírodných geologických procesov by obsahovali oceľ: mrakodrapy, mosty, ťažké stroje a v podstate čokoľvek potrebné na to, aby odolali silným silám čas.

Možno máte nejaké znalosti o tom, odkiaľ oceľ „pochádza“ a čo to „je“. Keď už nič iné, určite viete, ako to v určitých prípadoch vyzerá, cíti a možno aj znie.

Ak si myslíte, že oceľ je kov, je to prirodzené, ale oceľ je v skutočnosti klasifikovaná ako oceľ zliatina alebo zmes rôznych kovov. V tomto prípade je takmer všetkým primárnym kovom železo bez ohľadu na konkrétny recept, ale ako uvidíte, aj malé množstvo uhlíka môže výrazne zmeniť vlastnosti ocele.

Pripravte sa na to, aby ste sa dozvedeli veľa o tom, čo možno právom nazvať najdôležitejším materiálom v histórii staviteľstva,

Ako bezpochyby viete, že ste videli, počuli a boli v kontakte so svojím podielom na veciach, oceľ je známa predovšetkým svojou odolnosťou, tvrdosťou a húževnatosťou. V niektorých prípadoch je tiež známa svojou lesklosťou.

Tieto vlastnosti sa kvantifikujú fyzikálnym spôsobom a veľmi vysoká teplota topenia (asi 1 510 ° C, vyššia ako väčšina kovov; napríklad meď je takmer o 500 stupňov chladnejšia) a a veľmi vysoká hustota (7,9 g / cm³, takmer osemkrát vyššia ako voda).

Oceľ je celkovo tvrdšia a pevnejšia ako jej takzvaný základný prvok, železo. Napriek tomu je mimoriadne flexibilné a známy pre svoje vysoká pevnosť v ťahu (t. j. jeho schopnosť vydržať pôsobiace zaťaženie alebo sily bez straty tvaru).

Pevnosť v ťahu všetkých druhov ocele je v porovnaní s inými materiálmi vysoká, ale u jednotlivých druhov ocele sa výrazne líši. Na spodnom konci sú hodnoty približne 290 N / mm²; na vysokom konci je pevnosť v ťahu až 870 N / mm².

• Jeden štvorcový milimeter (mm²) je iba jedna milióntina štvorcového metra. To znamená, že oceľ môže mať pevnosť v ťahu 870 miliónov newtonov na meter štvorcový - čo sa rovná hmotnosti 88,8 milióna kilogramov (97 831 ton) na Zemi!

Ak ste niekedy používali a liatinová panvica, možno ste si všimli, ako pozoruhodne robustný (alebo aspoň ťažký) sa zdal. Keď je železo jediným alebo takmer jediným komponentom niečoho ako panvica, je krehkejšie ako oceľ.

Ale pre väčšinu každodenných teplôt varenia (ktoré sa zdajú byť „horúce“, ale ani zďaleka nie sú podobné taviacej peci), funkčný rozdiel medzi železom a oceľou nemusí byť zjavný, aj keď zvyčajne vyzerajú trochu rôzne.

Väčšina z dnes vyrábanej ocele sa jednoducho nazýva uhlíková oceľalebo obyčajná uhlíková oceľ, aj keď môže obsahovať okrem železa a uhlíka aj kovy, napríklad kremík a mangán.

Množstvo variácií ocele nemusí na povrchu vyzerať výrazne, pretože uhlík nikdy netvorí viac ako 1,5 percenta ocele. Keď však vezmete do úvahy, že táto malá frakcia sa môže sama pohybovať v faktore 10 (0,15% až 1,5%), začnete oceňovať fyzický dopad, ktorý to môže mať.

Oceľ možno rozdeliť do rôznych kategórií podľa mnohých kritérií. Tie, ktoré používajú vedci (ktorí sa často zaoberajú viac vlastnosťami vecí ako skutočnými ich použitie) sa často líšia od tých, ktorých hlavným záujmom sú typy konečných výrobkov, z ktorých sa vyrába oceľ.

Mechanický: Ako je uvedené, pevnosť v ťahu ocele sa môže pohybovať medzi 290 N / m² a 870 N / m². Pridávanie uhlíka do ocele to sťažuje kvôli spôsobu, akým sa atómy uhlíka skutočne rozptyľujú medzi atómami železa spôsobom, ktorý veľmi sťažuje formovanie dislokácií materiálu „zrná“ Fe₃C. Vďaka tomu je oceľ tiež krehkejšia ako železo, takže premena železa na oceľ napriek zjavným výhodám tejto ocele neprináša nulové praktické náklady.

Oceľ, ktorá sa klasifikuje na základe svojich mechanických vlastností, začína na „Fe“ a nasleduje 1) E a minimálna hodnota medze klzu je oceľ, ktorá sa klasifikuje hlavne na tomto základe_, alebo 2) iba hodnota pevnosti v ťahu, ak je to primárny znak klasifikácie. (_ Výnosový stres je miera odolnosti proti mechanickej deformácii.)

• Napríklad „Fe 290“ je oceľ s pevnosťou v ťahu 290 N / mm2. zatiaľ čo „Fe E 220“ je oceľ s medzou klzu 220 N / mm².

Chemické: Obyčajné uhlíkové ocele, ktoré sa pohybujú od 0,06 percenta uhlíka do 1,5 percenta uhlíka, sa delia na nasledujúce typy v závislosti od ich špecifického obsahu uhlíka.

1. Mŕtva mäkká oceľ - až 0,15

   percent

   uhlík 2. Nízko uhlíková alebo mäkká oceľ - 0,15

   percent

   až 0,45

   percent

   uhlík 3. Stredne uhlíková oceľ - 0,45

   percent

   na 0,8

   percent

   uhlík 4. Vysoko uhlíková oceľ - 0,8

   percent

   do 1.5

   percent

   uhlík

Nehrdzavejúca oceľ je typ ocele, ktorá si získala meno podľa odolnosti voči oxidácia (hrdzavenie) ako aj korózia, ako to, ktoré môže nastať pri aplikácii silnej kyseliny. To bolo vynájdené v roku 1913 britským hutníkom Harry Brearley, ktorý to zistil pridaním kovu chróm na oceľ vo vysokých množstvách (13 percent) by chróm reagoval s kyslíkom vo vzduchu a vytvoril okolo objektu samoobnovujúci ochranný film.

V súčasnosti sa používa niekoľko druhov nehrdzavejúcej ocele:

• Martenzitické nehrdzavejúce ocele obsahujú 12 až 14

  percent

  chróm a 0,12 až 0,35

  percent

  uhlík a boli prvou vyvinutou nehrdzavejúcou oceľou. Tieto ocele sú magnetické a je možné ich kaliť pôsobením tepla. Používajú sa okrem iných strojárskych zariadení aj v hydraulických čerpadlách, parných čerpadlách, olejových čerpadlách a ventiloch.
  * Feritické nehrdzavejúce ocele majú väčšie množstvo chrómu (16 až 18

  percent) a asi 0,12

  percent

  uhlík. Tieto ocele sú odolnejšie voči korózii ako martenzitické nehrdzavejúce ocele, ale majú malú kapacitu na kalenie pomocou tepla. Tieto nehrdzavejúce ocele sa používajú hlavne pri formovacích a lisovacích operáciách kvôli svojej vysokej odolnosti proti korózii.
  * Austenitické nehrdzavejúce ocele obsahujú veľké množstvo chrómu aj niklu; existuje veľa variácií v presnom chemickom zložení, ale najpoužívanejšie sú 18

  percent

  chróm a 8

  percent

  nikel, s uhlíkom obmedzeným na minimum. Veľmi dobre odolávajú korózii za cenu, že nie sú vo výraznej miere tepelne spracovateľné. Tieto ocele sa používajú v hriadeľoch čerpadiel, rámoch, opláštení a v každodenných komponentoch, ako sú skrutky, matice a skrutky.

Už ste videli, ako môžu zliatiny vylepšiť už aj tak užitočný materiál, alebo možno viac špecializovať. Ako tento proces funguje na molekulárnej úrovni?

Väčšina čistých kovov, hoci sa zdá veľa tvrdých, je sama o sebe príliš mäkká na to, aby sa dala použiť v ťažkej výrobe. (Jednou významnou výnimkou je automobilový priemysel, kde oceľ zostáva väčšinou nelegovaná a obsahuje takmer čisté železo.) Ale primiešanie iných kovov môže priniesť vynikajúce výsledky.

Napríklad, nikel a chróm sú odolné proti korózii a sú známe tým, že sa používajú v chirurgických nástrojoch vyrobených z nehrdzavejúcej ocele. Ak je na použitie v oceľových magnetoch požadovaná zliatina s vyššou magnetickou permeabilitou, kobalt je vynikajúca voľba.

Mangán sa kvôli svojej značnej pevnosti a tvrdosti používa vo väčších projektoch, ako sú ťažké železničné priecestia. Nakoniec molybdén si dokáže udržať svoju pevnosť pri neobvykle vysokých teplotách aj podľa noriem kovov a používa sa v presných aplikáciách, ako sú napríklad vysokorýchlostné vrtáky.

• Keď sa k existujúcej oceľovej mriežke pridajú väčšie ióny, naruší sa to mriežkou takým spôsobom, že to dôjde sťažuje kĺzanie susedných „vrstiev“ okolo seba, čo zvyšuje oceľ tvrdosť. Pridávanie menších atómov môže mať rovnaký účinok prostredníctvom inej formy mechanického narušenia štruktúry mriežky železného kryštálu.

Medzi veľa požadovaných vlastností ocele patrí, že je šetrná k životnému prostrediu. Možno to tak nevyzerá vždy s veľkými oceľovými konštrukciami, ktoré dotvárajú panorámu oblohy na často nepríjemných miestach, ale je to skvelé trvanlivosť znamená, že sa napríklad nerozpadne na niečo toxické a nevídane sa vylúhuje do podzemných vôd a iných oblastiach. Obnoviteľné zdroje energie (napr. Slnečná, veterná a vodná energia) hojne využívajú nehrdzavejúcu oceľ.

• Oceľ je teraz najviac recyklovaným materiálom na Zemi; aj keď je ťažký, jeho magnetické vlastnosti uľahčujú regeneráciu z potokov a na iných miestach ako iné formy odpadu. Môže znížiť CO₂ emisie.

V porovnaní s inými materiálmi vyžaduje oceľ pri konštrukcii relatívne ľahkých oceľových prvkov malé množstvo energie a je možné ju tvarovať do rôznych foriem. Dáva lepší tvar a hranu ako železo, ktoré sa používa na výrobu zbraní.

Oceľ, ako je uvedené, sa používa v automobilovom priemysle. Spomeňte si na počet automobilov na cestách len vo vašom vlastnom meste počas dopravnej špičky. Všetky majú karosérie, dvere, motory, zavesenie kolies a interiéry pozostávajúce prevažne z ocele.

• V priemere je 50 percent automobilu vyrobeného z ocele.

Okrem úlohy v osobných vozidlách sa oceľ používa na výrobu poľnohospodárskych vozidiel a strojov.

Väčšina spotrebičov v moderných domácnostiach, ako sú chladničky, televízory, umývadlá, rúry na pečenie atď., Sú vyrobené z „obyčajnej“ ocele. Aj tí, ktorí majú čas tráviť čas v kuchyni, si dobre uvedomujú úlohu nehrdzavejúcej ocele v jemných príboroch. Nerezové ocele sa predovšetkým vyznačujú ľahkou údržbou sterilného prostredia, čo je jedna z vlastností, ktorá z neho robí dobrú voľbu pre chirurgické nástroje a implantáty.

Pretože je vhodné na ľahké vytváranie zvarov, ocele, nielen na vytvorenie neviditeľného rámci moderných štruktúr sa stala samostatnou v príkladoch súčasných architektúry. Takzvaná „mäkká“ oceľ sa používa na každodenné stavanie budov, najmä v oblastiach, kde je miestnym podnebím charakteristický silný vietor.

Samotná oceľ je zliatina a podľa definície nemá žiadny chemický ani molekulárny vzorec bez ohľadu na typ. Je napriek tomu užitočné preskúmať niektoré dôležité reakcie, ktoré prebiehajú v procese výroby ocele.

Spaľovanie železa a šrotu, alebo v iných prípadoch samotného šrotu, vyžaduje množstvo rôznych reakcií. Niektoré z dôležitých sú:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5O₂ → 4 str₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (oxid uhličitý) je odpadový produkt, ale zvyšok sa pridáva do vápna, aby sa pokračovalo v procese výroby ocele tvárnením troska.