Egenskaper och användningar av stål

Strukturer gjorda huvudsakligen eller till stor del av det material som kallas stål kan bara vara mänsklighetens mest framstående tillägg till jordens landskap.

Om allt liv på jorden teleporterades någon annanstans, och en grupp utlänningar råkar undersöka, skulle de mest hållbara och imponerande föremål de skulle hitta som helt klart inte hade uppstått från naturliga geologiska processer skulle innehålla stål: skyskrapor, broar, tunga maskiner och i huvudsak allt som krävs för att motstå starka krafter över tid.

Du kanske har viss kunskap om var stål "kommer ifrån" och vad det "är". Om inget annat vet du verkligen hur det i allmänhet ser ut, känns och kanske till och med låter som i vissa fall.

Om du tänker på stål som en metall är det naturligt, men stål klassificeras faktiskt som ett legering eller en blandning av olika metaller. I det här fallet är nästan all den primära metallen järn oavsett det specifika receptet, men som du ser kan även små mängder kol förändra stålets egenskaper avsevärt.

Förbered dig på att lära dig mycket om vad som med rätta kan kallas det viktigaste materialet i konstruktion och teknik,

Som du utan tvekan vet från att ha sett, hört och varit i kontakt med din andel av grejerna är stål främst känt för sin hållbarhet, hårdhet och seghet. I vissa fall är det också känt för sin glans.

Vad dessa kvaliteter översätts till i kvantifierbara fysiska termer är en mycket hög smältpunkt (cirka 1 510 ° C, högre än de flesta metaller; koppar är till exempel nästan 500 grader svalare) och a mycket hög densitet (7,9 g / cm³, nästan åtta gånger så mycket som vatten).

Stål är hårdare och starkare totalt sett än det så kallade moderelementet, järn. Ändå är det extremt flexibel och känd för sin hög draghållfasthet (dvs. dess förmåga att motstå applicerade belastningar eller krafter utan att förlora sin form).

Draghållfastheten för alla typer av stål är hög jämfört med andra material men varierar avsevärt mellan olika ståltyper. I den nedre änden är värdena cirka 290 N / mm²; vid den höga änden är draghållfastheten så hög som 870 N / mm².

• En kvadratmillimeter (mm²) är bara en miljonedel av en kvadratmeter. Detta innebär att stål kan ha en draghållfasthet på 870 miljoner ton per kvadratmeter - motsvarande en massa på 88,8 miljoner kilo, eller 1957 miljoner pund (97 831 ton), på jorden!

Om du någonsin har använt en gjutjärnspanna, du kanske har märkt hur anmärkningsvärt robust (eller åtminstone tungt) det verkade. När järn är den enda eller nästan enda komponenten i något som en panna, är det spröttare än stål.

Men för de flesta vardagliga tillagningstemperaturer (som verkar "heta" men inte i närheten av smältugnliknande) funktionell skillnad mellan järn och stål kanske inte är uppenbar, även om de vanligtvis ser något ut annorlunda.

Det mesta av det stål som produceras idag kallas helt enkelt kolstål, eller vanligt kolstål, även om den kan innehålla metaller förutom järn och kol, såsom kisel och mangan.

Mängden stålvariationer kanske inte ser signifikant ut på ytan, eftersom kol aldrig utgör mer än 1,5 procent av stål. Men när du tänker på att den här lilla fraktionen i sig kan variera med en faktor 10 (0,15 procent till 1,5 procent), börjar du uppskatta den fysiska påverkan detta kan ha.

Stål kan delas in i olika kategorier med hjälp av ett antal kriterier. De som används av forskare (som ofta är mer intresserade av tingens egenskaper än egentligen använder dem) skiljer sig ofta från de vars främsta oro är de typer av slutprodukter som tillverkas av stål.

Mekanisk: Som nämnts kan stålets draghållfasthet ligga mellan 290 N / m² och 870 N / m². Att tillsätta kol till stål gör det svårare på grund av hur kolatomerna faktiskt sprids sig själva bland järnatomerna på ett sätt som gör att materialförskjutningar blir mycket svåra och bildar "korn" av Fe₃C. Detta gör också stål mer sprött än järn, så att konvertering av järn till stål, trots de uppenbara fördelarna med det senare, har ingen praktisk kostnad.

Stål som klassificeras på grundval av sina mekaniska egenskaper börjar med "Fe", och det som följer är 1) E och det minsta sträckgränsvärdet är att stålet klassificeras huvudsakligen på grundval_, eller 2) bara värdet på draghållfastheten om detta är det primära klassificeringsdraget. (_Avkastningsstress är ett mått på motstånd mot mekanisk deformation.)

• Exempelvis är "Fe 290" stål med en draghållfasthet på 290 N / mm2. medan "Fe E 220" är stål med en sträckgräns på 220 N / mm².

Kemisk: Vanliga kolstål som varierar från 0,06 procent kol till 1,5 procent kol indelas i följande typer beroende på deras specifika kolinnehåll.

1. Dött milt stål - upp till 0,15

   procent

   kol 2. Lågt kol eller mjukt stål - 0,15

   procent

   till 0,45

   procent

   kol 3. Medium kolstål - 0,45

   procent

   till 0,8

   procent

   kol 4. Högkolstål - 0,8

   procent

   till 1,5

   procent

   kol

Rostfritt stål är en typ av stål som får sitt namn från dess motstånd mot oxidation (rostar) liksom till korrosionsom det som kan uppstå vid applicering av en stark syra. Det uppfanns 1913 av den brittiska metallurgen Harry Brearley, som upptäckte det genom att lägga till metallen krom till stål i stora mängder (13 procent) skulle krom reagera med syre i luft för att bilda en självförnyande skyddande film runt föremålet.

Ett antal typer av rostfritt stål används idag:

• Martensitiska rostfria stål innehåller 12 till 14

  procent

  krom och 0,12 till 0,35

  procent

  var det första rostfria stål som utvecklats. Dessa stål är magnetisk och kan härdas genom att behandla dem med värme. Dessa används bland annat i hydrauliska pumpar, ångpumpar, oljepumpar och ventiler.
  * Ferritiska rostfria stål har en större mängd krom (16 till 18

  procent) och cirka 0,12

  procent

  kol. Dessa stål är mer korrosionsbeständiga än martensitiska rostfria stål, men har liten kapacitet att härda med användning av värme. Dessa rostfria stål används främst vid formning och pressning på grund av deras höga motståndskraft mot korrosion.
  * Austenitiska rostfria stål innehåller en stor mängd både krom och nickel; många variationer i exakt kemisk sammansättning finns, men den mest använda består av 18

  procent

  krom och 8

  procent

  nickel, med kol som minimeras. De motstår korrosion mycket bra på bekostnad av att de inte kan värmebehandlas i någon märkbar utsträckning. Dessa stål används i pumpaxlar, ramar, mantel och vardagliga komponenter som skruvar, muttrar och bultar.

Du har redan sett hur legeringar kan göra ett redan användbart material bättre, eller kanske mer till punkt, mer specialiserat. Hur fungerar denna process på molekylär nivå?

De flesta rena metaller, även om många verkar hårda, är i själva verket för mjuka för att kunna användas i tung tillverkning. (Ett anmärkningsvärt undantag är bilindustrin, där stål lämnas mestadels olegerat och innehåller nästan rent järn.) Men blandning i andra metaller kan ge enastående resultat.

Till exempel, nickel och krom är korrosionsbeständiga och är kända för att de ingår i kirurgiska instrument av rostfritt stål. Om en legering med högre magnetisk permeabilitet önskas för användning i stålmagneter, kobolt är ett utmärkt val.

Mangan används i större projekt som tunga järnvägskorsningar på grund av dess betydande styrka och hårdhet. Till sist, molybden klarar av att upprätthålla sin hållfasthet vid ovanligt höga temperaturer även med metallstandarder och används i precisionsapplikationer såsom höghastighetsborrspetsar.

• När större joner läggs till det befintliga stålgitteret stör detta gitteret på ett sådant sätt att det gör det svårare för angränsande "lager" att glida förbi varandra, vilket ökar stålets hårdhet. Lägga till mindre atomer kan ha samma effekt via en annan form av mekanisk störning av järnkristallgitterstrukturen.

Bland de många önskvärda egenskaperna hos stål är att det är miljövänligt. Det kan inte alltid se så ut med stora stålkonstruktioner som prickar skyscape på ofta obehagliga platser, men det är fantastiskt hållbarhet innebär att det till exempel inte kommer att brytas ned till något giftigt och läcka osynligt i grundvatten och annat områden. Förnybara energikällor (t.ex. sol-, vind- och vattenkraft) använder rikligt med rostfritt stål.

• Stål är nu det mest återvunna materialet på jorden; även om den är tung, gör dess magnetiska egenskaper det lättare att återhämta sig från strömmar och andra platser än andra former av avfall. Det kan minska CO₂ utsläpp.

Jämfört med andra material kräver stål en låg mängd energi vid konstruktion av relativt lätta stålelement och det kan formas till olika former. Det ger bättre form och kant än järn som används för att tillverka vapen.

Stål används som nämnts i bilindustrin. Tänk på antalet bilar på vägarna i just din egen stad under rusningstid, alla med karosser, dörrar, motorer, upphängningar och interiörer som till stor del består av stål.

• I genomsnitt är 50 procent av en bil tillverkad av stål.

Förutom sin roll i passagerarfordon används stål vid tillverkning av lantbruksfordon och maskiner.

De flesta apparater i moderna hem, såsom kylskåp, tv, handfat, ugnar och så vidare är tillverkade av "vanligt" stål. De som har en yen för att tillbringa tid i köket är också mycket medvetna om rostfritt ståls roll i fina bestick. Rostfritt stål lämpar sig särskilt för lätt underhåll av en steril miljö, vilket är en av de egenskaper som gör det till ett bra val för kirurgiska instrument och implantat.

Eftersom det lämpar sig för enkel bildning av svetsar, stål, mer än bara att bilda det osynliga ramar för moderna strukturer, har blivit med i sig själv i exempel på samtida arkitektur. Så kallat ”milt” stål används för daglig byggnadskonstruktion, särskilt i områden där starka vindar är ett inslag i det lokala klimatet.

Stål i sig är en legering och har per definition ingen kemisk eller molekylär formel, oavsett typ. Det är ändå användbart att undersöka några av de viktiga reaktioner som äger rum i ståltillverkningsprocessen.

Förbränningen av järn plus skrotstål, eller i vissa fall skrotstål ensamt, involverar ett antal olika reaktioner. Några av de viktiga är:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 s₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
Kompaniet (koldioxid) är en avfallsprodukt, men resten tillsätts kalk för att fortsätta ståltillverkningsprocessen genom formning slagg.