Розуміння сталі: погляд на метали та сплави
У дослідженні величезного світу матеріалів сталь виділяється як чудова речовина своєю міцністю, універсальністю та роллю в розвитку людства. Цей урок заглиблюється в суть сталі, позиціонуючи її в ширших категоріях металів і сплавів, а також досліджуючи її унікальні властивості та численні застосування.
Введення в метали
Метали — це елементи, які, як правило, мають блискучу поверхню, ефективно проводять електрику й тепло і можуть деформуватися під напругою, не руйнуючись. Типовими прикладами є залізо, мідь, алюміній і золото. Метали поділяються на дві основні групи: чорні метали , які містять залізо, і кольорові метали , які не містять заліза. Ця різниця важлива, оскільки чорні метали схильні до іржі під впливом вологи, тоді як більшість кольорових металів стійкі до корозії.
Що таке сплав?
Сплав — це речовина, отримана шляхом плавлення та змішування двох або більше елементів, принаймні один з яких є металом. Сплави призначені для покращення певних властивостей металів, таких як міцність, корозійна стійкість або електропровідність. Наприклад, бронза, сплав міді та олова, була одним із перших сплавів, які були відкриті та використані людьми, завдяки своїй міцнішій та міцнішій природі порівняно з чистою міддю. Склад і виробничі процеси сплавів можуть бути ретельно скориговані відповідно до конкретних вимог для різних застосувань.
Склад і виготовлення сталі
Сталь — це сплав, в основному виготовлений із заліза ( Fe ) з невеликою кількістю вуглецю ( C ). Вміст вуглецю зазвичай коливається від 0,02% до 1,5% від загальної маси сплаву. Ця невелика добавка вуглецю значно підвищує твердість і міцність на розрив заліза, роблячи сталь набагато більш корисною для будівництва та виробництва. Процес перетворення заліза на сталь включає нагрівання залізної руди в доменній печі для отримання розплавленого заліза, а потім додавання вуглецю та інших елементів, таких як марганець ( Mn ), для досягнення бажаного хімічного складу.
Види сталі
За хімічним складом і застосуванням сталь поділяють на чотири основні категорії:
- Вуглецева сталь: містить лише вуглець і залізо. Залежно від вмісту вуглецю вона поділяється на низько-, середньо- та високовуглецеву сталь. Високовуглецева сталь дуже міцна і використовується в інструментах і пружинах.
- Легована сталь: містить залізо, вуглець та інші легуючі елементи, такі як хром ( Cr ), нікель ( Ni ) і молібден ( Mo ). Леговані сталі мають покращені властивості, такі як підвищена міцність і стійкість до корозії, і використовуються в трубопроводах, автомобільних запчастинах і електродвигунах.
- Нержавіюча сталь: тип легованої сталі, що містить щонайменше 10,5% хрому ( Cr ). Додавання хрому надає нержавіючій сталі помітну стійкість до іржі та плям, що робить її ідеальною для кухонного посуду, медичного обладнання та архітектурних елементів.
- Інструментальна сталь: містить вольфрам ( W ), молібден ( Mo ), кобальт ( Co ) і ванадій ( V ) у різних пропорціях для підвищення твердості та довговічності. Інструментальні сталі використовують для виготовлення ріжучих інструментів, прес-форм і штампів.
Властивості сталі
Властивості сталі можуть значно відрізнятися залежно від її складу та обробки. Однак деякі загальні характеристики включають:
- Міцність: міцність сталі на розрив робить її ідеальною для будівель, мостів і транспортних засобів.
- Довговічність: захищені від корозії сталеві конструкції можуть служити десятиліттями.
- Еластичність: сталь може повернутися до початкової форми після розтягування або деформації до певної точки, відомої як її межа пружності.
- Пластичність: здатність втягуватися в дріт або оброблятися без руйнування робить сталь корисною в різних формах і формах.
- Провідність: хоча сталь не така провідна, як мідь, вона може проводити електрику, що робить її корисною в певних сферах застосування.
Процес виробництва сталі
Виробництво сталі можна звести до наступних етапів:
- Видобуток заліза: процес починається з видобутку залізної руди, яку потім плавлять у доменних печах, де додають вапняк ( CaCO 3 ) і кокс. Хімічні реакції в доменній печі перетворюють залізну руду на розплавлене залізо.
- Основна киснева піч (BOF): Розплавлений чавун переміщується в конвертер, де він перетворюється на сталь шляхом вдування кисню. Кисень реагує з надлишком вуглецю з утворенням вуглекислого газу ( CO 2 ), тим самим знижуючи вміст вуглецю до бажаного рівня.
- Вторинне виробництво сталі: для більш точного контролю над складом розплавлена сталь може пройти подальшу обробку, таку як легування та дегазація, у вторинних процесах виробництва сталі.
- Формування та формоутворення: коли сталь має бажаний хімічний склад, її відливають у злитки або безпосередньо в певні форми. Потім його можна сформувати та обробити різними методами, включаючи прокатку, кування та екструзію.
Вплив на навколишнє середовище та стійкість
Металургійна промисловість є одним із найбільших промислових джерел викидів вуглекислого газу, основного парникового газу. Проте докладаються значні зусилля для зменшення впливу виробництва сталі на навколишнє середовище. Прикладами таких ініціатив є такі технології, як електродугові печі (ЕДП), які переробляють сталевий брухт, а також методи уловлювання й утилізації викидного CO 2 . Крім того, довговічність сталі та можливість переробки роблять її ключовим матеріалом для побудови сталого майбутнього.
Застосування сталі
Універсальність сталі дозволяє використовувати її в широкому діапазоні галузей і застосувань:
- Будівництво: міцність і довговічність сталі роблять її найкращим матеріалом для будівництва скелетів хмарочосів, мостів, аеропортів і стадіонів.
- Транспорт: від кузовів автомобілів і вантажівок до корпусів кораблів і каркасів літаків довговічність і міцність сталі відіграють вирішальну роль.
- Енергетика. Сталь необхідна при будівництві трубопроводів, вітрових турбін і конструкцій для електростанцій, у тому числі тих, що використовують відновлювані ресурси та атомну енергію.
- Побутова техніка та інструменти: стійкість нержавіючої сталі до корозії та легке обслуговування роблять її ідеальною для кухонних приладів, столових приборів та інструментів.
- Медичні пристрої: біосумісність і легкість стерилізації деяких сталевих сплавів роблять їх придатними для хірургічних інструментів, імплантатів і лікарняного обладнання.
Заключні зауваження про сталь
Сталь, видатний представник сімейства металів і сплавів, служить основою сучасної промисловості та інфраструктури. Його різноманітні типи, кожен з яких має різні властивості та застосування, підкреслюють універсальність матеріалу. Завдяки прогресу в виробничих технологіях і сталих практиках сталь продовжує залишатися фундаментальною частиною людської цивілізації, рушійною силою інновацій і розвитку в багатьох сферах.
Дослідження сталі, її складу, властивостей, типів і застосувань дає можливість зазирнути в ширшу сферу матеріалознавства. Він демонструє вирішальну роль, яку відіграють метали та сплави в нашому повсякденному житті, і безмежні можливості, які надає інженерія матеріалів для вирішення деяких із найактуальніших світових проблем.
