Strukturer gjorda huvudsakligen eller till stor del av det material som kallas stål kan bara vara mänsklighetens mest framträdande tillägg till jordens landskap.
Om allt liv på jorden teleporterades någon annanstans och en grupp utomjordingar råkade undersöka , de mest hållbara och imponerande föremålen de skulle hitta som uppenbarligen inte hade uppstått från naturliga geologiska processer skulle innehålla stål: skyskrapor, broar, tunga maskiner och i princip allt som krävs för att stå emot starka krafter över tid.
Du kanske har viss kunskap om var stål ”kommer ifrån” och vad det ”är”. Om inte annat vet du säkert hur det i allmänhet ser ut, känns och kanske till och med låter i vissa fall.
Om du tänker på stål som metall, det är naturligt, men stål klassificeras faktiskt som en legering eller en blandning av olika metaller. I det här fallet är nästan all primärmetall järn oavsett recept, men som du kommer att se 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 konstruktions- och ingenjörshistorien,
Ståls fysiska och kemiska egenskaper
Som du utan tvekan vet från att ha sett, hört och varit i kontakt med din del av prylarna, är stål främst känt för sin hållbarhet, hårdhet och seghet. I vissa fall är den också känd för sin glans.
Vad dessa egenskaper 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 en mycket hög densitet (7,9 g/cm3, nästan åtta gånger så mycket som vatten).
Stål är hårdare och starkare överlag än dess så kallade moderelement, järn. Ändå är den extremt flexibel och känd för sin höga draghållfasthet (dvs dess förmåga att tål 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 ståltyper. I den nedre delen är värdena ungefär 290 N/mm2; i den höga delen är draghållfastheten så hög som 870 N/mm2
En kvadratmillimeter (mm2) är bara en miljondels kvadratmeter. Detta betyder att stål kan ha en draghållfasthet på 870 miljoner newton per kvadratmeter — lika med en massa på 88,8 miljoner kilogram, eller 195,7 miljoner pund (97 831 ton), på jorden!
Om du någonsin har använt en gjutjärnspanna, du kanske har märkt hur anmärkningsvärt robust ( eller åtminstone tungt) verkade det. När järn är den enda eller nästan enda komponenten i något som en panna, är det sprödare än stål.
Men för de flesta vardagliga matlagningstemperaturer (som verkar ”heta”, men inte är i närheten av smältugnsliknande), den funktionella skillnaden mellan järn och stål kanske inte är uppenbara, även om de vanligtvis ser något annorlunda ut.
Ståltyper
Det mesta av stålet som tillverkas idag kallas helt enkelt kolstål, eller vanligt kolstål, även om det kan innehålla metaller dessutom 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 stålet. Men när du tänker på att denna lilla del kan variera med en faktor 10 (0,15 procent till 1,5 procent), börjar du inse vilken fysisk påverkan detta kan ha.
Stål kan delas in i olika kategorier med hjälp av en antal kriterier. De som används av forskare (som ofta är mer bekymrade över sakers egenskaper än att faktiskt använda dem) skiljer sig ofta från dem vars främsta angelägenhet är de typer av slutprodukter som tillverkas av stål.
Mekanisk: Som nämnts kan stålets draghållfasthet variera mellan 290 N/m2 och 870 N/m2. Att tillsätta kol till stål gör det svårare på grund av hur kolatomerna i själva verket sprider sig bland järnatomerna på ett sätt som gör dislokationer av material mycket svåra och bildar ”korn” av Fe3
C. Detta gör också stål mer sprött än järn, så att konvertera järn till stål, trots de uppenbara fördelarna med det senare, kostar inte någon praktisk kostnad.
Stål som klassificeras på grundval av dess mekaniska egenskaper börjar med ”Fe”, och vad som följer är 1) E och det lägsta sträckgränsvärdet är att stålet klassificeras huvudsakligen på denna basis_, eller 2) bara värdet på draghållfastheten om detta är den primära klassificeringsegenskapen. (_Flytspänning är ett mått på motståndet mot mekanisk deformation.)
Till exempel ”Fe 290” är stål med en draghållfasthet på 290 N/mm2. medan ”Fe E 220” är stål med en sträckgräns på 220 N/mm2.
Kemisk: Vanligt kolstål som varierar från 0,06 procent kol till 1,5 procent kol delas in i följande typer beroende på deras specifika kol innehåll.
Dött mjukt stål — upp till 0,15 procent kol 2. Lågkolhalt eller mjukt stål — 0,15 procent till 0,45 procent kol 3. Mellankolstål — 0,45 procent till 0,8 procent kol 4. Högkolhaltigt stål — 0,8 procent till 1,5 procent kol.
Rostfritt stål är en typ av stål som fått sitt namn från dess motstånd mot oxidation (rostning) samt till korrosion, som det som kan uppstå av applicering av en stark syra. Den uppfanns 1913 av den brittiske metallurgen Harry Brearley, som upptäckte att genom att tillsätta metallen krom till stål i stora mängder (13 procent) ), skulle kromet reagera med syre i luften för att bilda en självförnyande skyddsfilm 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 kol och var det första rostfria stålet som utvecklades. Dessa stål är magnetiska 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 härdas med användning av värme. Dessa rostfria stål används främst i formnings- och pressningsoperationer på grund av deras höga motståndskraft mot korrosion.
Austenitiska rostfria stål innehåller en stor mängd både krom och nickel; Det finns många variationer i exakt kemisk sammansättning, men de mest använda består av 18 procent krom och 8 procent nickel, med ett minimum av kol. De motstår korrosion mycket bra till priset av att de inte är värmebehandlingsbara i någon nämnvärd utsträckning. Dessa stål används i pumpaxlar, ramar, mantel och vardagliga komponenter som skruvar, muttrar och bultar.
Ändamålen med legeringar
Du har redan sett hur legeringar kan göra ett redan användbart material bättre, eller kanske mer konkret, mer specialiserat. Hur fungerar denna process på molekylär nivå?
De flesta rena metaller, även om många verkar hårda, är faktiskt för mjuka i sig för att användas i tung tillverkning. (Ett anmärkningsvärt undantag är bilindustrin, där stål till största delen lämnas olegerat och innehåller nästan rent järn.) Men inblandning i andra metaller kan ge enastående resultat.
Till exempel är nickel och krom korrosionsbeständiga och är kända för att de ingår i kirurgiska instrument tillverkade av rostfritt stål. Om en legering med högre magnetisk permeabilitet önskas för användning i stålmagneter är kobolt ett utmärkt val.
Mangan används i storskaliga projekt som tunga järnvägskorsningar på grund av dess betydande styrka och hårdhet. Slutligen kan molybden bibehålla sin hållfasthet vid ovanligt höga temperaturer även med metallstandard och används i precisionstillämpningar som höghastighetsborrspetsar.
När större joner läggs till det befintliga stålgittret, stör detta gallret på ett sådant sätt att det försvårar för angränsande ”lager” till glider förbi varandra, vilket ökar stålets hårdhet. Att lägga till mindre atomer kan ha samma effekt via en annan form av mekanisk störning av järnkristallgitterstrukturen.
Fördelar med stål
Bland stålets många önskvärda egenskaper är att det är miljövänligt. Det kanske inte alltid ser ut så med stora stålkonstruktioner som sprider sig i himmelen på ofta obehagliga platser, men dess stora hållbarhet gör att den till exempel inte bryts ned till något giftigt och läcker osedd ut i grundvatten och andra områden. Förnybara energikällor (t.ex. sol-, vind- och vattenkraft) använder i stor utsträckning rostfritt stål.
Stål är nu det mest återvunna materialet på jorden; även om det är tungt, gör dess magnetiska egenskaper det lättare att återvinna från vattendrag 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 med relativt lätta stålelement och den kan formas i olika former. Det ger bättre form och kant än järn som används för att tillverka vapen.
Olika användningar och funktioner av stål
Stål, som nämnts, används inom bilindustrin. Tänk på antalet bilar på vägarna i just din egen stad under rusningstid, alla med karosser, dörrar, motorer, fjädringar och interiörer som till stor del består av stål.
I genomsnitt är 50 procent av en bil gjord av stål.
Förutom sin roll i personfordon, används stål i tillverkningen av jordbruksfordon och maskiner.
De flesta apparater i moderna hem, såsom kylskåp, tv-apparater, diskbänkar, ugnar och så vidare är gjorda av ”vanligt” stål. De som har en yen för att spendera tid i köket är också mycket medvetna om rostfritt ståls roll i fina bestick. Rostfria stål lämpar sig särskilt för att enkelt underhålla 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, har stål, mer än att bara utgöra det osynliga ramverket för moderna strukturer, blivit en självklarhet i sina exempel av samtida arkitektur. Så kallat ”milt” stål används för daglig byggnadskonstruktion, särskilt i områden där kraftiga vindar är ett kännetecken för det lokala klimatet.
Stålkemiska formler och reaktioner
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.
Förbränning av järn plus stålskrot, eller i vissa fall enbart stålskrot, innebär en rad olika reaktioner. Några av de viktiga är:
2 C + O2 → 2 CO
Si + O2→ SiO2
4P + 5 O
2 → 4 P5O2
2 Mn + O2 → 2 MnO
CO (koldioxid) är en restprodukt, men resten tillsätts kalk för att fortsätta ståltillverkningsprocessen genom att bilda slagg<
