คุณสมบัติและการใช้งานของเหล็ก

โครงสร้างที่ทำขึ้นส่วนใหญ่หรือส่วนใหญ่มาจากวัสดุที่เรียกว่า เหล็ก อาจเป็นเพียงส่วนเสริมที่โดดเด่นที่สุดของมนุษย์ในภูมิทัศน์ของโลก

หากทุกชีวิตบนโลกถูกเคลื่อนย้ายไปที่อื่น และกลุ่มของเอเลี่ยนเกิดขึ้นเพื่อสำรวจ วัตถุที่คงทนและสง่างามที่สุดที่พวกเขาพบซึ่งไม่มีอย่างชัดเจน ที่เกิดจากกระบวนการทางธรณีวิทยาตามธรรมชาติจะประกอบด้วยเหล็ก: ตึกระฟ้า สะพาน เครื่องจักรกลหนัก และสิ่งอื่น ๆ ที่จำเป็นในการทนต่อแรงที่แข็งแกร่งเหนือ เวลา.

คุณอาจมีความรู้ว่าเหล็ก "มาจากไหน" และ "คืออะไร" หากไม่มีอย่างอื่น คุณคงรู้ดีว่าโดยทั่วไปแล้วหน้าตา รู้สึก และอาจฟังดูเหมือนในบางกรณี

ถ้าคุณคิดว่าเหล็กเป็นโลหะ นั่นก็เป็นเรื่องธรรมชาติ แต่จริงๆ แล้วเหล็กจัดเป็น โลหะผสม หรือส่วนผสมของโลหะต่างๆ ในกรณีนี้ โลหะปฐมภูมิเกือบทั้งหมดเป็นเหล็กไม่ว่าจะมีสูตรเฉพาะ แต่อย่างที่คุณเห็น แม้แต่คาร์บอนเพียงเล็กน้อยก็สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของเหล็กได้อย่างมาก

เตรียมเรียนรู้มากมายเกี่ยวกับสิ่งที่เรียกได้ว่าเป็นวัสดุที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์การก่อสร้างและวิศวกรรมอย่างถูกต้อง

อย่างที่คุณไม่ต้องสงสัยเลยจากการได้เห็น ได้ยิน และสัมผัสกับสิ่งที่คุณแบ่งปัน เหล็กเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องความทนทาน ความแข็ง และความเหนียว ในบางกรณีก็มีชื่อเสียงในด้านความแวววาวเช่นกัน

คุณลักษณะเหล่านี้แปลเป็นเงื่อนไขทางกายภาพเชิงปริมาณอย่างไร a จุดหลอมเหลวสูงมาก (ประมาณ 1,510 °C สูงกว่าโลหะส่วนใหญ่ ทองแดง เช่น เย็นกว่าเกือบ 500 องศา) และ a ความหนาแน่นสูงมาก (7.9 กรัม/ซม.³เกือบแปดเท่าของน้ำ)

เหล็กมีความแข็งและแข็งแรงกว่าธาตุหลักที่เรียกว่าเหล็ก แต่มันคือ มีความยืดหยุ่นสูง และเป็นที่รู้จักสำหรับมัน แรงดึงสูง (กล่าวคือ ความสามารถในการทนต่อแรงที่ใช้ หรือแรงโดยไม่สูญเสียรูปร่าง)

เหล็กทุกชนิดมีความต้านทานแรงดึงสูงเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ แต่จะแตกต่างกันไปตามประเภทของเหล็ก ที่จุดต่ำสุด ค่าจะอยู่ที่ประมาณ 290 N/mm²; ที่ระดับไฮเอนด์ ความต้านทานแรงดึงสูงถึง 870 N/mm².

• หนึ่งตารางมิลลิเมตร (mm²) เป็นเพียงหนึ่งในล้านของตารางเมตร ซึ่งหมายความว่าเหล็กสามารถมีความต้านทานแรงดึงได้ 870 ล้านนิวตันต่อตารางเมตร - เท่ากับมวล 88.8 ล้านกิโลกรัมหรือ 195.7 ล้านปอนด์ (97,831 ตัน) บนโลก!

หากคุณเคยใช้ กระทะเหล็กหล่อคุณอาจสังเกตเห็นว่าทนทาน (หรืออย่างน้อยก็หนักมาก) อย่างน่าทึ่ง เมื่อเหล็กเป็นส่วนประกอบเดียวหรือเกือบทั้งหมดของบางอย่างเช่นกระทะ มันจะเปราะมากกว่าเหล็ก

แต่สำหรับอุณหภูมิการปรุงอาหารในแต่ละวันส่วนใหญ่ (ซึ่งดูเหมือน "ร้อน" แต่ไม่มีที่ไหนใกล้เหมือนเตาหลอม) ความแตกต่างในหน้าที่การใช้งานระหว่างเหล็กกับเหล็กกล้าอาจไม่ปรากฏชัดในทันที แม้ว่าจะดูค่อนข้างปกติก็ตาม แตกต่างกัน

เหล็กที่ผลิตในปัจจุบันส่วนใหญ่เรียกง่ายๆ ว่า เหล็กกล้าคาร์บอน, หรือ เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาแม้ว่าอาจมีโลหะนอกเหนือจากเหล็กและคาร์บอน เช่น ซิลิกอนและแมงกานีส

ปริมาณความแปรผันของเหล็กอาจดูไม่สำคัญบนพื้นผิว เนื่องจากคาร์บอนไม่ได้ประกอบเป็นเหล็กมากกว่า 1.5 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณพิจารณาว่าเศษส่วนเล็กๆ นี้สามารถอยู่ในช่วง 10 ปัจจัย (0.15 เปอร์เซ็นต์ ถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์) คุณจะเริ่มเห็นคุณค่าของผลกระทบทางกายภาพที่อาจเกิดขึ้น

เหล็กสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่าง ๆ โดยใช้เกณฑ์หลายประการ ที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ (ซึ่งมักจะสนใจคุณสมบัติของสิ่งของมากกว่าความเป็นจริง ใช้) มักจะแตกต่างจากที่ความกังวลหลักคือ ประเภทของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ทำจาก เหล็ก.

เครื่องกล: ตามที่ระบุไว้ ความต้านทานแรงดึงของเหล็กสามารถอยู่ในช่วงระหว่าง 290 N/m² และ 870 N/m². การเพิ่มคาร์บอนลงในเหล็กทำให้ยากขึ้นเนื่องจากวิธีที่อะตอมของคาร์บอนกระจายตัว ตัวเองท่ามกลางอะตอมของเหล็กในลักษณะที่ทำให้วัสดุเคลื่อนตัวได้ยากขึ้น "ธัญพืช" ของ Fe₃ค. สิ่งนี้ยังทำให้เหล็กเปราะมากกว่าเหล็ก ดังนั้นการแปลงเหล็กเป็นเหล็ก แม้จะมีข้อดีอย่างชัดแจ้งของอย่างหลัง แต่ก็ไม่ได้มีค่าใช้จ่ายในทางปฏิบัติเป็นศูนย์

เหล็กที่จำแนกตามคุณสมบัติทางกลเริ่มต้นด้วย "Fe" และสิ่งที่ตามมาคือ 1) E และค่าความเค้นครากขั้นต่ำคือเหล็กที่จำแนกตามเกณฑ์นี้เป็นหลัก_, หรือ 2) แค่ค่าความต้านทานแรงดึง หากเป็นลักษณะการจัดหมวดหมู่หลัก (_ผลผลิตความเครียด เป็นการวัดความต้านทานการเสียรูปทางกล)

• ตัวอย่างเช่น "Fe 290" เป็นเหล็กกล้าที่มีความต้านทานแรงดึง 290 N/mm2 ในขณะที่ "Fe E 220" เป็นเหล็กที่มีความเค้นครากที่ 220 N/mm².

เคมีภัณฑ์: เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0.06 เปอร์เซ็นต์ถึงคาร์บอน 1.5 เปอร์เซ็นต์ แบ่งออกเป็นประเภทต่อไปนี้ตามปริมาณคาร์บอนจำเพาะ

1. เหล็กอ่อนตาย — สูงถึง0.15

   เปอร์เซ็นต์

   คาร์บอน 2 เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหรืออ่อน — 0.15

   เปอร์เซ็นต์

   ถึง 0.45

   เปอร์เซ็นต์

   คาร์บอน 3 เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง — 0.45

   เปอร์เซ็นต์

   ถึง 0.8

   เปอร์เซ็นต์

   คาร์บอน 4 เหล็กกล้าคาร์บอนสูง — 0.8

   เปอร์เซ็นต์

   ถึง 1.5

   เปอร์เซ็นต์

   คาร์บอน

สแตนเลส เป็นเหล็กชนิดหนึ่งที่ได้ชื่อมาจากความทนทานต่อ ออกซิเดชัน (เกิดสนิม) เช่นเดียวกับการ การกัดกร่อนซึ่งอาจเกิดขึ้นจากการใช้กรดแก่ มันถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1913 โดยนักโลหะวิทยาชาวอังกฤษ Harry Brearley Breที่ค้นพบว่าโดยการเพิ่มโลหะ โครเมียม สำหรับเหล็กกล้าในปริมาณมาก (13 เปอร์เซ็นต์) โครเมียมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศเพื่อสร้างฟิล์มป้องกันที่ต่ออายุตัวเองได้รอบตัววัตถุ

ปัจจุบันมีการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมหลายประเภท:

• เหล็กกล้าไร้สนิม Martensitic มี 12 ถึง 14

  เปอร์เซ็นต์

  โครเมียมและ 0.12 ถึง 0.35

  เปอร์เซ็นต์

  คาร์บอนและเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมตัวแรกที่พัฒนาขึ้น เหล็กเหล่านี้คือ แม่เหล็ก และสามารถชุบแข็งได้ด้วยความร้อน สิ่งเหล่านี้ใช้ในปั๊มไฮดรอลิก ปั๊มไอน้ำ ปั๊มน้ำมัน และวาล์ว รวมถึงอุปกรณ์ทางวิศวกรรมอื่นๆ
  * เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติก มีโครเมียมในปริมาณที่มากกว่า (16 ถึง 18

  เปอร์เซ็นต์) และประมาณ 0.12

  เปอร์เซ็นต์

  คาร์บอน. เหล็กเหล่านี้ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก แต่มีความสามารถในการชุบแข็งเพียงเล็กน้อยด้วยการใช้ความร้อน เหล็กกล้าไร้สนิมเหล่านี้ใช้เป็นหลักในการขึ้นรูปและการอัดเนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง
  * เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก มีทั้งโครเมียมและนิกเกิลจำนวนมาก องค์ประกอบทางเคมีที่แม่นยำมีหลายรูปแบบ แต่รูปแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดประกอบด้วย 18

  เปอร์เซ็นต์

  โครเมียมและ 8

  เปอร์เซ็นต์

  นิกเกิลกับคาร์บอนให้น้อยที่สุด พวกเขาต้านทานการกัดกร่อนได้ดีมากในราคาที่ไม่สามารถให้ความร้อนในระดับที่ประเมินได้ เหล็กกล้าเหล่านี้ใช้ในเพลาปั๊ม เฟรม ปลอกหุ้ม และส่วนประกอบที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น สกรู น็อต และสลักเกลียว

คุณได้เห็นแล้วว่าโลหะผสมสามารถทำให้วัสดุที่มีประโยชน์อยู่แล้วดีขึ้นหรือเฉพาะเจาะจงมากขึ้น กระบวนการนี้ทำงานอย่างไรในระดับโมเลกุล?

โลหะบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ แม้จะดูเหมือนแข็ง แต่จริงๆ แล้วอ่อนเกินไปสำหรับการผลิตหนัก (ข้อยกเว้นที่น่าสังเกตอย่างหนึ่งคือ อุตสาหกรรมยานยนต์ ซึ่งส่วนใหญ่ปล่อยเหล็กไม่เจือและมีธาตุเหล็กเกือบบริสุทธิ์) แต่การผสมในโลหะอื่นๆ สามารถให้ผลลัพธ์ที่โดดเด่นได้

ตัวอย่างเช่น, นิกเกิล และ โครเมียม มีความทนทานต่อการกัดกร่อนและเป็นที่รู้จักสำหรับการรวมไว้ในเครื่องมือผ่าตัดที่ทำจากสแตนเลส หากต้องการโลหะผสมที่มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงกว่าสำหรับใช้ในแม่เหล็กเหล็ก โคบอลต์ เป็นทางเลือกที่ดี

แมงกานีส ใช้ในโครงการขนาดใหญ่ เช่น ทางข้ามทางรถไฟสำหรับงานหนัก เนื่องจากมีความแข็งแรงและความแข็งมาก ในที่สุด โมลิบดีนัม สามารถรักษาความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิสูงผิดปกติได้แม้ตามมาตรฐานของโลหะ และใช้ในงานที่มีความเที่ยงตรงสูง เช่น ปลายดอกสว่านความเร็วสูง

• เมื่อมีการเพิ่มไอออนขนาดใหญ่ลงในโครงเหล็กที่มีอยู่ สิ่งนี้จะรบกวนโครงตาข่ายในลักษณะที่ ทำให้การเกาะติดกัน "ชั้น" เลื่อนผ่านกันได้ยากขึ้น ซึ่งทำให้เหล็กหนาขึ้น ความแข็ง การเพิ่มอะตอมที่มีขนาดเล็กลงอาจมีผลเช่นเดียวกันผ่านรูปแบบที่แตกต่างของการหยุดชะงักทางกลกับโครงสร้างผลึกเหล็กขัดแตะ

คุณสมบัติที่พึงประสงค์หลายประการของเหล็กคือเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม มันอาจจะดูไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป กับโครงสร้างเหล็กขนาดใหญ่ที่กระจายอยู่ทั่วท้องฟ้าในสถานที่ที่มักไม่เป็นที่พอใจ แต่มันยอดเยี่ยมมาก ความทนทานหมายความว่า ตัวอย่างเช่น มันจะไม่ย่อยสลายเป็นสิ่งที่เป็นพิษและกรองสิ่งที่มองไม่เห็นลงสู่น้ำบาดาลและอื่น ๆ พื้นที่ แหล่งพลังงานหมุนเวียน (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม และพลังน้ำ) ใช้ประโยชน์จากสแตนเลสอย่างเพียงพอ

• เหล็กเป็นวัสดุที่มีการรีไซเคิลมากที่สุดในโลก แม้ว่าจะมีน้ำหนักมาก แต่คุณสมบัติของแม่เหล็กทำให้การกู้คืนจากลำธารและที่อื่นง่ายกว่าขยะรูปแบบอื่น สามารถลดCO₂ การปล่อยมลพิษ

เมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ เหล็กต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยในการสร้างองค์ประกอบเหล็กที่มีน้ำหนักเบา และสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ ให้รูปร่างและคมดีกว่าเหล็กที่ใช้ทำอาวุธ

เหล็กตามที่ระบุไว้ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ลองนึกถึงจำนวนรถยนต์บนท้องถนนในเมืองของคุณในช่วงเวลาเร่งด่วน ทุกคันมีตัวถัง ประตู เครื่องยนต์ ระบบกันสะเทือน และการตกแต่งภายในที่ส่วนใหญ่เป็นเหล็ก

• โดยเฉลี่ยแล้ว 50 เปอร์เซ็นต์ของรถยนต์ทำจากเหล็ก

นอกเหนือจากบทบาทในรถยนต์โดยสารแล้ว เหล็กกล้ายังใช้ในการผลิตยานยนต์และเครื่องจักรในฟาร์ม

เครื่องใช้ในบ้านสมัยใหม่ส่วนใหญ่ เช่น ตู้เย็น โทรทัศน์ อ่างล้างหน้า เตาอบ และอื่นๆ ทำจากเหล็ก "ธรรมดา" นอกจากนี้ ผู้ที่มีเงินเยนในการใช้เวลาในครัวย่อมทราบดีถึงบทบาทของสเตนเลสสตีลในด้านการใช้ช้อนส้อมชั้นดี สเตนเลสสตีลให้ความสำคัญกับการบำรุงรักษาสภาพแวดล้อมที่ปลอดเชื้อ ซึ่งเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับเครื่องมือผ่าตัดและรากฟันเทียม

เพราะมันช่วยให้เกิดรอยเชื่อมได้ง่าย มากกว่าแค่การสร้างส่วนที่มองไม่เห็น โครงร่างของโครงสร้างสมัยใหม่ได้กลายเป็นจุดเด่นในตัวอย่างร่วมสมัย สถาปัตยกรรม. เหล็กที่เรียกว่า "อ่อน" ใช้สำหรับการก่อสร้างอาคารทุกวัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่มีลมแรงเป็นลักษณะเฉพาะของสภาพอากาศในท้องถิ่น

ตัวเหล็กเองเป็นโลหะผสม และตามคำนิยามแล้วไม่มีสูตรทางเคมีหรือโมเลกุล โดยไม่คำนึงถึงประเภท อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบปฏิกิริยาที่สำคัญบางอย่างที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตเหล็กก็มีประโยชน์เช่นกัน

การเผาไหม้ของเหล็กกับเศษเหล็ก หรือในกรณีของเศษเหล็กเพียงอย่างเดียว เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่ง สิ่งสำคัญบางประการคือ:
2 C + O₂ → 2 CO
ซิ + โอ₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 ปี₅อู๋₂
2 นาที + O₂ → 2 นาทีO
เดอะ ซีโอ (คาร์บอนไดออกไซด์) เป็นของเสียแต่เติมปูนขาวเพื่อเข้าสู่กระบวนการผลิตเหล็กต่อไปโดยการขึ้นรูป ตะกรัน.