Lastnosti in uporaba jekla

Strukture, izdelane pretežno ali pretežno iz materiala, znanega kot jeklo so morda najpomembnejši dodatki človeštva k zemeljski pokrajini.

Če bi vse življenje na Zemlji teleportirali drugam in bi skupina tujcev preiskovala, bi našli najbolj trpežne in impozantne predmete, ki jih očitno niso naravnih geoloških procesov, bi vseboval jeklo: nebotičnike, mostove, težke stroje in v bistvu vse, kar je potrebno, da vzdrži močne sile čas.

Morda imate nekaj znanja o tem, od kod jeklo "prihaja" in kaj je "." Če ne drugega, zagotovo veste, kako to na splošno izgleda, čuti in morda celo zveni v določenih primerih.

Če mislite na jeklo kot na kovino, je to naravno, vendar je jeklo v resnici klasificirano kot zlitine ali mešanica različnih kovin. V tem primeru je skoraj vsa primarna kovina železo ne glede na določen recept, toda kot boste videli, lahko tudi majhne količine ogljika bistveno spremenijo lastnosti jekla.

Pripravite se, da boste izvedeli veliko o tem, kar lahko upravičeno imenujemo najpomembnejše gradivo v zgodovini gradbeništva in inženiringa,

Kot nedvomno veste, ko ste videli, slišali in bili v stiku s svojim deležem, je jeklo znano predvsem po svoji trpežnosti, trdoti in žilavosti. V nekaterih primerih je znan tudi po svoji sijajnosti.

Kaj te lastnosti pomenijo fizično merljivo, je a zelo visoko tališče (približno 1.510 ° C, več kot večina kovin; baker je na primer skoraj 500 stopinj hladnejši) in a zelo visoka gostota (7,9 g / cm³, skoraj osemkrat večji od vode).

Jeklo je na splošno trše in močnejše od tako imenovanega osnovnega elementa, železa. Pa vendar je izjemno prilagodljiv in znan po svojih visoka natezna trdnost (tj. sposobnost, da prenese prenesene obremenitve ali sile, ne da bi pri tem izgubila obliko).

Natezna trdnost vseh vrst jekla je v primerjavi z drugimi materiali visoka, vendar se med vrstami jekla znatno razlikuje. Na spodnjem koncu so vrednosti približno 290 N / mm²; na zgornjem koncu je natezna trdnost celo 870 N / mm².

• En kvadratni milimeter (mm²) je le milijoninka kvadratnega metra. To pomeni, da ima lahko jeklo natezno trdnost 870 milijonov newtonov na kvadratni meter - kar je enako masi 88,8 milijona kilogramov ali 195,8 milijona funtov (97.831 ton) na Zemlji!

Če ste kdaj uporabili litoželezna ponev, ste morda opazili, kako izjemno trpežen (ali vsaj težak) se je zdel. Kadar je železo edini ali skoraj edini sestavni del nečesa, kot je ponev, je bolj krhko kot jeklo.

Toda za večino vsakdanjih temperatur kuhanja (ki se zdijo "vroče", vendar niso blizu talilni peči), Funkcionalna razlika med železom in jeklom morda ni očitna, četudi je videti nekoliko drugačen.

Večina danes proizvedenega jekla se preprosto imenuje ogljikovo jeklo, ali navadno ogljikovo jeklo, čeprav lahko poleg železa in ogljika vsebuje tudi kovine, kot sta silicij in mangan.

Količina variacij jekla na površini morda ni videti pomembna, saj ogljik nikoli ne predstavlja več kot 1,5 odstotka jekla. Ko pa menite, da se ta majhen delež lahko sam giblje za faktor 10 (0,15 do 1,5 odstotka), začnete ceniti fizični vpliv, ki ga lahko ima.

Jeklo lahko razdelimo v različne kategorije z uporabo številnih meril. Tiste, ki jih uporabljajo znanstveniki (ki se pogosto bolj kot dejansko ukvarjajo z lastnostmi stvari se pogosto razlikujejo od tistih, katerih glavna skrb so vrste končnih izdelkov jeklo.

Mehanski: Kot je navedeno, se lahko natezna trdnost jekla giblje med 290 N / m² in 870 N / m². Dodajanje ogljika jeklu otežuje zaradi načina razpršitve dejansko ogljikovih atomov sami med atomi železa na način, ki zelo otežuje oblikovanje dislokacij materiala "zrna" Fe₃C. Zaradi tega jeklo postane tudi bolj krhko kot železo, zato pretvorba železa v jeklo kljub očitnim prednostim slednjega nima praktičnih stroškov.

Jeklo, ki je razvrščeno na podlagi njegovih mehanskih lastnosti, se začne s "Fe", kar sledi, je 1) E in najmanjša vrednost napetosti tečenja je jeklo, razvrščeno predvsem na tej podlagi_, ali 2) samo vrednost natezne trdnosti, če je to glavna značilnost razvrščanja. (_Prenos donosa je merilo odpornosti proti mehanskim deformacijam.)

• Na primer, "Fe 290" je jeklo z natezno trdnostjo 290 N / mm2. medtem ko je "Fe E 220" jeklo z napetostjo tečenja 220 N / mm².

Kemična: Navadna ogljikova jekla, ki se gibljejo od 0,06 do 1,5 odstotka ogljika, so glede na njihovo specifično vsebnost razdeljena na naslednje vrste.

1. Odmrlo blago jeklo - do 0,15

   odstotkov

   ogljik 2. Nizkoogljično ali blago jeklo - 0,15

   odstotkov

   do 0,45

   odstotkov

   ogljik 3. Srednje ogljikovo jeklo - 0,45

   odstotkov

   do 0,8

   odstotkov

   ogljik 4. Visokoogljično jeklo - 0,8

   odstotkov

   do 1,5

   odstotkov

   ogljik

Nerjaveče jeklo je vrsta jekla, ki je ime dobila po odpornosti na oksidacija (rjavenje), pa tudi do korozija, kot tista, ki bi lahko nastala pri uporabi močne kisline. Leta 1913 ga je izumil britanski metalurg Harry Brearley, ki je to odkril z dodajanjem kovine krom na jeklo v velikih količinah (13 odstotkov) bi krom reagiral s kisikom v zraku, da bi okoli predmeta ustvaril samoobnavljajočo se zaščitno folijo.

Danes se uporabljajo številne vrste nerjavečega jekla:

• Martenzitno nerjaveče jeklo vsebujejo od 12 do 14

  odstotkov

  krom in 0,12 do 0,35

  odstotkov

  ogljik in so bili prvo razvito nerjavno jeklo. Ta jekla so magnetno in jih je mogoče strjevati z obdelavo s toploto. Ti se med drugim uporabljajo v hidravličnih črpalkah, parnih črpalkah, oljnih črpalkah in ventilih.
  * Feritna nerjaveča jekla imajo večjo količino kroma (16 do 18

  odstotkov) in približno 0,12

  odstotkov

  ogljik. Ta jekla so bolj odporna proti koroziji kot martenzitna nerjaveča jekla, vendar imajo malo zmogljivosti, da se strdijo s toploto. Ta nerjavna jekla se uporabljajo predvsem za oblikovanje in stiskanje zaradi visoke odpornosti proti koroziji.
  * Avstenitna nerjaveča jekla vsebujejo veliko količino kroma in niklja; Obstaja veliko sprememb natančne kemične sestave, vendar je najpogosteje uporabljenih 18

  odstotkov

  krom in 8

  odstotkov

  niklja, z ogljikom na minimumu. Zelo dobro se uprejo koroziji, za kar niso občutljivo toplotno obdelani. Ta jekla se uporabljajo v gredi črpalke, okvirjih, oblogah in vsakdanjih sestavnih delih, kot so vijaki, matice in vijaki.

Že ste videli, kako lahko zlitine že tako uporaben material naredijo boljši ali morda bolj natančen, bolj specializiran. Kako ta postopek deluje na molekularni ravni?

Večina čistih kovin, čeprav se mnogim zdijo trde, so same po sebi premehke, da bi jih lahko uporabili v težki proizvodnji. (Izjemna izjema je avtomobilska industrija, kjer jeklo ostane večinoma nelegirano in vsebuje skoraj čisto železo.) Toda mešanje drugih kovin lahko prinese izjemne rezultate.

Na primer niklja in krom so odporni proti koroziji in so znani po vključitvi v kirurške instrumente iz nerjavečega jekla. Če je za uporabo v jeklenih magnetih zaželena zlitina z večjo magnetno prepustnostjo, kobalt je odlična izbira.

Mangan se zaradi velike moči in trdote uporablja v večjih projektih, kot so težki železniški prehodi. Končno, molibden lahko vzdržuje trdnost pri nenavadno visokih temperaturah tudi po kovinskih standardih in se uporablja v natančnih aplikacijah, kot so vrtalni konici za visoke hitrosti.

• Ko se obstoječi jekleni rešetki dodajo večji ioni, to rešetko moti tako, da jo otežuje držanje sosednjih "plasti" drug mimo drugega, kar poveča jeklo trdota. Dodajanje manjših atomov ima lahko enak učinek z drugačno obliko mehanskih motenj v strukturi rešetke kristalnega železa.

Med številnimi zaželenimi lastnostmi jekla je, da je okolju prijazno. Morda ni vedno videti tako z velikimi jeklenimi konstrukcijami, ki pišejo nebo na pogosto neprijetnih lokacijah, vendar je super trajnost pomeni, da se na primer ne bo razgradil v nekaj strupenega in se nevidno izlužil v podtalnico in drugo območjih. Obnovljivi viri energije (npr. Sončna, vetrna in hidroelektrarna) v veliki meri uporabljajo nerjaveče jeklo.

• Jeklo je zdaj najbolj recikliran material na Zemlji; čeprav je težak, njegove magnetne lastnosti lažje predelajo iz potokov in drugje kot druge oblike odpadkov. Lahko zmanjša CO₂ emisije.

V primerjavi z drugimi materiali jeklo pri izdelavi razmeroma lahkih jeklenih elementov zahteva majhno količino energije in ga je mogoče oblikovati v različne oblike. Daje boljšo obliko in rob kot železo, ki se uporablja za izdelavo orožja.

Kot je navedeno, jeklo se uporablja v avtomobilski industriji. Pomislite na število avtomobilov na cestah vašega mesta v času prometnih konic, vsi z ohišji, vrati, motorji, vzmetenjem in notranjostjo, ki je v glavnem sestavljena iz jekla.

• V povprečju je 50 odstotkov avtomobila izdelanih iz jekla.

Poleg vloge v osebnih vozilih se jeklo uporablja tudi pri proizvodnji kmetijskih vozil in strojev.

Večina naprav v sodobnih domovih, kot so hladilniki, televizorji, pomivalna korita, pečice in tako naprej, je narejena iz "navadnega" jekla. Tudi tisti, ki imajo jen za preživljanje časa v kuhinji, se dobro zavedajo vloge nerjavečega jekla pri drobnem jedilnem priboru. Nerjaveča jekla so primerna za enostavno vzdrževanje sterilnega okolja, kar je ena od lastnosti, zaradi katere je dobra izbira za kirurške instrumente in vsadke.

Ker je primerna za enostavno oblikovanje zvarov, jekla, več kot le sestavljanje nevidnega okvira sodobnih struktur, je postalo samostojno prikazano v zgledih sodobnega arhitektura. Tako imenovano "blago" jeklo se uporablja za vsakodnevno gradnjo stavb, zlasti na območjih, kjer je močan veter značilen za lokalno podnebje.

Jeklo samo po sebi je zlitina in po definiciji nima kemijske ali molekulske formule, ne glede na vrsto. Kljub temu je koristno preučiti nekatere pomembne reakcije, ki potekajo v postopku jeklarstva.

Izgorevanje železa in odpadnega jekla ali v nekaterih primerih samo odpadnega jekla vključuje številne različne reakcije. Nekateri pomembni so:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O.₂ → 4 str₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (ogljikov dioksid) je odpadni produkt, ostalo pa dodamo apnu, da nadaljujemo postopek izdelave jekla z oblikovanjem žlindre.