Back to the topics list

стали

Понимание стали: взгляд на металлы и сплавы

При исследовании огромного мира материалов сталь выделяется как замечательный материал благодаря своей прочности, универсальности и роли в развитии человечества. Этот урок углубляется в сущность стали, помещает ее в более широкую категорию металлов и сплавов, а также исследует ее уникальные свойства и многочисленные применения.

Введение в металлы

Металлы — это элементы, которые обычно обладают блестящей поверхностью, эффективно проводят электричество и тепло и могут деформироваться под напряжением, не разрушаясь. Общие примеры включают железо, медь, алюминий и золото. Металлы делятся на две основные группы: черные металлы , содержащие железо, и цветные металлы , не содержащие железа. Это различие важно, поскольку черные металлы склонны к ржавчине под воздействием влаги, тогда как большинство цветных металлов устойчивы к коррозии.

Что такое сплав?

Сплав — это вещество, полученное путем плавления и смешивания двух или более элементов, по крайней мере один из которых является металлом. Сплавы предназначены для улучшения определенных свойств металлов, таких как прочность, коррозионная стойкость или электропроводность. Например, бронза, сплав меди и олова, была одним из первых сплавов, открытых и использованных людьми, из-за ее более твердой и прочной природы по сравнению с чистой медью. Состав и процессы производства сплавов могут быть тщательно скорректированы в соответствии с конкретными требованиями различных применений.

Состав и изготовление стали

Сталь — это сплав, в основном состоящий из железа ( Fe ) с небольшим количеством углерода ( C ). Содержание углерода обычно составляет от 0,02% до 1,5% от общей массы сплава. Эта небольшая добавка углерода значительно повышает твердость и прочность железа, делая сталь гораздо более полезной для строительства и производства. Процесс превращения железа в сталь включает нагревание железной руды в доменной печи для получения расплавленного железа, а затем добавление углерода и других элементов, таких как марганец ( Mn ), для достижения желаемого химического состава.

Виды стали

Сталь подразделяется на четыре основные категории в зависимости от ее химического состава и применения:

• Углеродистая сталь: содержит только углерод и железо. В зависимости от содержания углерода ее разделяют на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Высокоуглеродистая сталь очень прочна и используется в инструментах и ​​пружинах.
• Легированная сталь: содержит железо, углерод и другие легирующие элементы, такие как хром ( Cr ), никель ( Ni ) и молибден ( Mo ). Легированные стали обладают улучшенными свойствами, такими как повышенная прочность и устойчивость к коррозии, и используются в трубопроводах, автозапчастях и электродвигателях.
• Нержавеющая сталь: тип легированной стали, содержащей не менее 10,5% хрома ( Cr ). Добавление хрома придает нержавеющей стали исключительную устойчивость к ржавчине и пятнам, что делает ее идеальной для кухонной утвари, медицинского оборудования и архитектурных элементов.
• Инструментальная сталь: содержит вольфрам ( W ), молибден ( Mo ), кобальт ( Co ) и ванадий ( V ) в различных пропорциях для повышения твердости и долговечности. Инструментальные стали используются для изготовления режущих инструментов, форм и штампов.

Свойства стали

Свойства стали могут значительно различаться в зависимости от ее состава и обработки. Однако некоторые общие характеристики включают в себя:

• Прочность: прочность стали на растяжение делает ее идеальной для зданий, мостов и транспортных средств.
• Долговечность: при защите от коррозии стальные конструкции могут прослужить десятилетия.
• Эластичность: сталь может вернуться к своей первоначальной форме после растяжения или деформации до определенной точки, известной как предел упругости.
• Пластичность: способность тянуться в проволоку или обрабатываться без разрушения делает сталь полезной в различных формах и формах.
• Проводимость: хотя сталь и не такая проводящая, как медь, она может проводить электричество, что делает ее полезной в определенных приложениях.

Процесс производства стали

Производство стали можно разделить на следующие этапы:

• Добыча железа: Процесс начинается с добычи железной руды, которую затем плавят в доменных печах с добавлением известняка ( CaCO ₃ ) и кокса. Химические реакции в доменной печи превращают железную руду в расплавленное железо.
• Конвертерная печь (конвертер): расплавленный чугун переносится в конвертер, где он превращается в сталь путем вдувания в него кислорода. Кислород реагирует с избытком углерода с образованием углекислого газа ( CO ₂ ), тем самым снижая содержание углерода до желаемого уровня.
• Вторичное производство стали. Для более точного контроля состава расплавленная сталь может подвергаться дальнейшей обработке, такой как легирование и дегазация, в процессах вторичного производства стали.
• Формование и формование: как только сталь приобретает желаемый химический состав, ее отливают в слитки или непосредственно в определенные формы. Затем его можно формовать и обрабатывать различными методами, включая прокатку, ковку и экструзию.

Воздействие на окружающую среду и устойчивость

Сталелитейная промышленность является одним из крупнейших в мире промышленных источников выбросов углекислого газа, основного парникового газа. Однако предпринимаются значительные усилия по снижению воздействия производства стали на окружающую среду. Примерами таких инициатив являются такие технологии, как электродуговые печи (ЭДП), которые перерабатывают стальной лом, а также методы улавливания и утилизации выбрасываемого CO ₂ . Кроме того, долговечность стали и возможность вторичной переработки делают ее ключевым материалом для построения устойчивого будущего.

Применение стали

Универсальность стали позволяет использовать ее в широком спектре отраслей и применений:

• Строительство. Прочность и долговечность стали делают ее предпочтительным материалом для строительства каркасов небоскребов, мостов, аэропортов и стадионов.
• Транспортировка: от кузовов автомобилей и грузовиков до корпусов кораблей и корпусов самолетов долговечность и прочность стали играют решающую роль.
• Энергетика: Сталь необходима при строительстве трубопроводов, ветряных турбин и конструкций электростанций, в том числе использующих возобновляемые ресурсы и атомную энергию.
• Техника и инструменты: устойчивость нержавеющей стали к коррозии и простота обслуживания делают ее идеальной для кухонной техники, столовых приборов и инструментов.
• Медицинские приборы. Биосовместимость и простота стерилизации некоторых стальных сплавов делают их пригодными для изготовления хирургических инструментов, имплантатов и больничного оборудования.

Заключительные замечания по стали

Сталь, выдающийся представитель семейства металлов и сплавов, служит основой современной промышленности и инфраструктуры. Разнообразие типов, каждый из которых имеет свои собственные свойства и области применения, подчеркивает универсальность материала. Благодаря достижениям в технологиях производства и устойчивым практикам сталь продолжает оставаться фундаментальной частью человеческой цивилизации, стимулируя инновации и развитие во многих областях.

Исследование стали, ее состава, свойств, типов и применения дает возможность заглянуть в более широкую сферу материаловедения. Он демонстрирует решающую роль, которую металлы и сплавы играют в нашей повседневной жизни, и безграничные возможности, которые предоставляет материаловедение для решения некоторых из самых насущных мировых проблем.