Властивості та використання сталі

Конструкції, виготовлені переважно або в основному з матеріалу, відомого як сталь може бути найвидатнішим доповненням людства до ландшафту Землі.

Якби все життя на Землі було телепортоване в інше місце, і група інопланетян могла провести розслідування, то виявили б найбільш довговічні та значні предмети, які явно не мали природних геологічних процесів містив би сталь: хмарочоси, мости, важку техніку і, по суті, все, що потрібно для протистояння сильним силам час.

Ви, мабуть, маєте певні знання про те, звідки "походить сталь" і що вона "є". Якщо нічого іншого, ви напевно знаєте, як це взагалі виглядає, відчуває і, можливо, навіть звучить як у певних випадках.

Якщо ви вважаєте сталь металом, це природно, але насправді сталь класифікується як сплаву або суміш різних металів. У цьому випадку майже весь основний метал - це залізо, незалежно від конкретного рецепту, але, як ви побачите, навіть невелика кількість вуглецю може істотно змінити властивості сталі.

Підготуйтеся до того, щоб дізнатися багато нового про те, що по праву можна назвати найважливішим матеріалом в історії будівництва та техніки,

Оскільки ви, без сумніву, знаєте, що бачили, чули та контактували зі своєю часткою речей, сталь відома перш за все своєю міцністю, твердістю та в’язкістю. У деяких випадках він славиться своєю блискучістю.

Те, що ці якості перекладають у фізично виражених кількісних вимірах, - це дуже висока температура плавлення (приблизно 1510 ° C, вище, ніж у більшості металів; мідь, наприклад, майже на 500 градусів холодніше) і a дуже висока щільність (7,9 г / см³, майже у вісім разів більше, ніж води).

Сталь загалом твердіша і міцніша, ніж її так званий вихідний елемент - залізо. Однак це так надзвичайно гнучкий і відомий своїми висока міцність на розрив (тобто його здатність витримувати прикладені навантаження або сили, не втрачаючи своєї форми).

Міцність на розрив усіх типів сталі висока в порівнянні з іншими матеріалами, але значно варіюється в залежності від типів сталі. На нижньому рівні значення становлять приблизно 290 Н / мм²; на високому рівні міцність на розрив досягає 870 Н / мм².

• Один квадратний міліметр (мм²) становить лише одну мільйонну частину квадратного метра. Це означає, що сталь може мати міцність на розрив 870 мільйонів ньютонів на квадратний метр - що дорівнює масі 88,8 мільйона кілограмів, або 195,7 мільйона фунтів (97 831 тонн), на Землі!

Якщо ви коли-небудь користувались чавунна сковорода, Ви, можливо, помічали, наскільки надзвичайно міцним (або, принаймні, важким) він здавався. Коли залізо є єдиним або майже єдиним компонентом чогось на зразок каструлі, воно більш крихке, ніж сталь.

Але для більшості повсякденних температур варіння (які здаються «гарячими», але не є такими, що нагадують плавильні печі), функціональна різниця між залізом і сталлю може бути не очевидною, навіть якщо вони зазвичай виглядають дещо інший.

Більшість сталі, що виробляється сьогодні, називається просто вуглецева сталь, або звичайна вуглецева сталь, хоча він може містити метали, крім заліза та вуглецю, такі як кремній та марганець.

Кількість варіацій сталі може не виглядати значною на поверхні, оскільки вуглець ніколи не становить більше 1,5 відсотка сталі. Однак, коли ви вважаєте, що ця невелика частка сама може коливатися в 10 разів (від 0,15 до 1,5 відсотка), ви починаєте оцінювати фізичний вплив, який це може мати.

Сталь можна розділити на різні категорії, використовуючи ряд критеріїв. Ті, що використовуються вченими (яких часто більше турбують властивості речей, ніж насправді їх використання) часто відрізняються від тих, головним питанням яких є вироблені кінцеві продукти сталь.

Механічний: Як зазначалося, межа міцності сталі на розрив може коливатися в межах 290 Н / м² і 870 Н / м². Додавання вуглецю до сталі ускладнює процес диспергування атомів вуглецю самі серед атомів заліза таким чином, що робить дислокації матеріалу дуже складними, утворюючи їх «зерна» Fe₃C. Це також робить сталь більш крихкою, ніж залізо, тому перетворення заліза в сталь, незважаючи на очевидні переваги останнього, не має нульових практичних витрат.

Сталь, яка класифікується на основі її механічних властивостей, починається з "Fe", а далі йде 1) E і мінімальне значення границі текучості - сталь класифікується головним чином на цій основі_, або 2) лише значення міцності на розрив, якщо це основна ознака класифікації. (_Напруга врожайності є мірою стійкості до механічних деформацій.)

• Наприклад, "Fe 290" - це сталь з міцністю на розрив 290 Н / мм2. тоді як "Fe E 220" - це сталь з межею текучості 220 Н / мм².

Хімічна: Звичайні вуглецеві сталі, які варіюються від 0,06% вуглецю до 1,5% вуглецю, поділяються на такі типи залежно від їх конкретного вмісту вуглецю.

1. Мертва м'яка сталь - до 0,15

   відсотків

   вуглець 2. Низьковуглецева або м'яка сталь - 0,15

   відсотків

   до 0,45

   відсотків

   вуглець 3. Середньовуглецева сталь - 0,45

   відсотків

   до 0,8

   відсотків

   вуглець 4. Високовуглецева сталь - 0,8

   відсотків

   до 1,5

   відсотків

   вуглець

Нержавіюча сталь це тип сталі, який отримав свою назву завдяки стійкості до окислення (іржавіння), а також до корозія, як та, яка може виникнути при застосуванні сильної кислоти. Його винайшов у 1913 році британський металург Гаррі Брірлі, який виявив, що додаванням металу хрому на сталь у великих кількостях (13 відсотків) хром реагував би з киснем у повітрі, утворюючи навколо об’єкта самовідновлювальну захисну плівку.

Сьогодні використовується низка типів нержавіючої сталі:

• Мартенситні нержавіючі сталі містять від 12 до 14

  відсотків

  хрому та 0,12-0,35

  відсотків

  вуглець і були першими розробленими з нержавіючої сталі. Ці сталі є магнітний і можна загартувати, обробляючи їх теплом. Вони використовуються в гідравлічних насосах, парових насосах, масляних насосах та клапанах, серед іншого інженерного обладнання.
  * Феритні нержавіючі сталі мають більшу кількість хрому (від 16 до 18

  відсотків) і близько 0,12

  відсотків

  вуглець. Ці сталі більш стійкі до корозії, ніж мартенситні нержавіючі сталі, але мають невелику здатність до загартування за допомогою тепла. Ці нержавіючі сталі використовуються в основному для формування та пресування завдяки високій стійкості до корозії.
  * Аустенітні нержавіючі сталі містять велику кількість як хрому, так і нікелю; існує багато різновидів точного хімічного складу, але найбільш широко використовувані складаються з 18

  відсотків

  хром і 8

  відсотків

  нікель, вуглець зведений до мінімуму. Вони дуже добре протистоїть корозії за рахунок того, що вони не піддаються термообробці в якійсь помітній мірі. Ці сталі використовуються у валах насосів, рамах, обшивці та побутових деталях, таких як гвинти, гайки та болти.

Ви вже бачили, як сплави можуть зробити і без того корисний матеріал кращим, чи, можливо, більш спеціалізованим. Як цей процес працює на молекулярному рівні?

Більшість чистих металів, хоча багато хто здається твердим, насправді самі по собі занадто м'які, щоб використовувати їх у важкому виробництві. (Важливим винятком є ​​автомобільна промисловість, де сталь залишається переважно нелегованою і містить майже чисте залізо.) Але змішування з іншими металами може дати надзвичайні результати.

Наприклад, нікель і хрому є стійкими до корозії і відомі своїм включенням до хірургічних інструментів, виготовлених з нержавіючої сталі. Якщо для сталевих магнітів бажаний сплав з більшою магнітною проникністю, кобальт - чудовий вибір.

Марганець застосовується у більш масштабних проектах, таких як важкі залізничні переїзди, завдяки значній міцності та твердості. Нарешті, молібден здатний підтримувати свою міцність при незвично високих температурах навіть за стандартами металів і використовується в прецизійних додатках, таких як високошвидкісні наконечники свердел.

• Коли до існуючої сталевої решітки додають більші іони, це порушує решітку таким чином, що вона ускладнює сусідні "шари" ковзати повз один одного, що збільшує сталеві твердість. Додавання менших атомів може мати той самий ефект через різну форму механічного руйнування структури кристалічної решітки заліза.

Серед багатьох бажаних властивостей сталі є те, що вона екологічна. Це може не завжди виглядати так із великими сталевими конструкціями, що розкидають хмарочос у часто неприємних місцях, але це чудово довговічність означає, що, наприклад, він не перетвориться на щось токсичне та невидиме вимивання в підземні води та ін районів. Поновлювані джерела енергії (наприклад, сонячні, вітрові та гідроенергетичні) широко використовують нержавіючу сталь.

• Зараз сталь є найбільш переробленим матеріалом на Землі; хоч він і важкий, але його магнітні властивості полегшують відновлення з потоків та інших місць, ніж інші форми відходів. Це може зменшити CO₂ викидів.

Порівняно з іншими матеріалами, сталь вимагає низької кількості енергії при конструюванні відносно легких сталевих елементів, і її можна формувати у різні форми. Це надає кращу форму та край, ніж залізо, яке використовується для виготовлення зброї.

Як зазначалося, сталь використовується в автомобільній промисловості. Подумайте про кількість автомобілів на дорогах вашого власного міста під час години пік, усі з кузовами, дверима, двигунами, підвісками та салонами, що складаються здебільшого зі сталі.

• В середньому 50 відсотків автомобіля виготовляється зі сталі.

Окрім ролі в пасажирських транспортних засобах, сталь використовується у виробництві сільськогосподарських машин та машин.

Більшість побутових приладів у сучасних будинках, таких як холодильники, телевізори, раковини, духовки тощо, виготовляються із «звичайної» сталі. Крім того, ті, у кого єна проводить час на кухні, добре усвідомлюють роль нержавіючої сталі у вишуканих столових приладах. Нержавіюча сталь, зокрема, дозволяє легко підтримувати стерильне середовище, що є однією з якостей, що робить її хорошим вибором для хірургічних інструментів та імплантатів.

Оскільки це піддається легкому утворенню зварних швів, сталі, не просто складаючи невидиме рамки сучасних структур, стала окремо представлена ​​на прикладах сучасних архітектура. Так звана "м'яка" сталь використовується для повсякденного будівництва будівель, особливо в районах, де сильний вітер є особливістю місцевого клімату.

Сама сталь є сплавом і за визначенням не має хімічної або молекулярної формули, незалежно від типу. Проте корисно вивчити деякі важливі реакції, що відбуваються в процесі виготовлення сталі.

Горіння заліза та сталевого брухту, або в деяких випадках сталевого брухту, включає низку різних реакцій. Деякі з важливих з них:
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 с₅О₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO
CO (вуглекислий газ) є відходом, але решта додається у вапно для продовження процесу виготовлення сталі шляхом формування шлак.