Steel is an alloy made by combining iron and other elements, the most common of these being carbon. When carbon is used, its content in the steel is between 0.2% and 2.1% by weight, depending on the grade. Other alloying elements sometimes used are manganese, chromium, vanadium and tungsten.
Carbon and other elements act as a hardening agent, preventing dislocations in the iron atom crystal lattice from sliding past one another. Varying the amount of alloying elements and the form of their presence in the steel (solute elements, precipitated phase) controls qualities such as the hardness, ductility, and tensile strength of the resulting steel. Steel with increased carbon content can be made harder and stronger than iron, but such steel is also less ductile than iron.
Alloys with a higher than 2.1% carbon content are known as cast iron because of their lower melting point and good castability.[1] Steel is also distinguishable from wrought iron, which can contain a small amount of carbon, but it is included in the form of slag inclusions. Two distinguishing factors are steel's increased rust resistance and better weldability.
Though steel had been produced by various inefficient methods long before the Renaissance, its use became more common after more efficient production methods were devised in the 17th century. With the invention of the Bessemer process in the mid-19th century, steel became an inexpensive mass-produced material. Further refinements in the process, such as basic oxygen steelmaking (BOS), lowered the cost of production while increasing the quality of the metal. Today, steel is one of the most common materials in the world, with more than 1.3 billion tons produced annually. It is a major component in buildings, infrastructure, tools, ships, automobiles, machines, appliances, and weapons. Modern steel is generally identified by various grades defined by assorted standards organizations.
Material properties
Iron-carbon phase diagram, showing the conditions necessary to form different phases.
Iron is found in the Earth's crust only in the form of an ore, usually an iron oxide, such as magnetite, hematite etc. Iron is extracted from iron ore by removing the oxygen and combining the ore with a preferred chemical partner such as carbon. This process, known as smelting, was first applied to metals with lower melting points, such as tin, which melts at approximately 250 °C (482 °F) and copper, which melts at approximately 1,100 °C (2,010 °F). In comparison, cast iron melts at approximately 1,375 °C (2,507 °F).[2]
All of these temperatures could be reached with ancient methods that have been used since the Bronze Age. Since the oxidation rate itself increases rapidly beyond 800 °C (1,470 °F), it is important that smelting take place in a low-oxygen environment. Unlike copper and tin, liquid iron dissolves carbon quite readily. Smelting results in an alloy (pig iron) containing too much carbon to be called steel.[2] The excess carbon and other impurities are removed in a subsequent step.
Other materials are often added to the iron/carbon mixture to produce steel with desired properties. Nickel and manganese in steel add to its tensile strength and make austenite form of the iron-carbon solution more chemically stable, chromiumincreases hardness and melting temperature, and vanadium also increases hardness while reducing the effects of metal fatigue.[3]
To prevent corrosion, at least 11% chromium is added to steel so that a hard oxide forms on the metal surface; this is known as stainless steel. Tungsten interferes with the formation of cementite, allowing martensite to preferentially form at slower quench rates, resulting in high speed steel. On the other hand, sulfur, nitrogen, and phosphorus make steel more brittle, so these commonly found elements must be removed from the ore during processing.[3]
The density of steel varies based on the alloying constituents but usually ranges between 7,750 and 8,050 kg/m3 (484 and 503 lb/cu ft), or 7.75 and 8.05 g/cm3 (4.48 and 4.65 oz/cu in).[4]
Even in the narrow range of concentrations which make up steel, mixtures of carbon and iron can form a number of different structures, with very different properties. Understanding such properties is essential to making quality steel. At room temperature, the most stable form of iron is the body-centered cubic (BCC) structure α-ferrite. It is a fairly soft metallic material that can dissolve only a small concentration of carbon, no more than 0.021 wt% at723 °C (1,333 °F), and only 0.005% at 0 °C (32 °F). If steel contains more than 0.021% carbon at steelmaking temperatures then it transforms into a face-centered cubic (FCC) structure, called austenite or γ-iron. It is also soft and metallic but can dissolve considerably more carbon, as much as 2.1%[5] carbon at 1,148 °C (2,098 °F), which reflects the upper carbon content of steel.[6]
When steels with less than 0.8% carbon, known as a hypoeutectoid steel, are cooled from an austenitic phase the mixture attempts to revert to the ferrite phase, resulting in an excess of carbon. One way for carbon to leave the austenite is for it to precipitate out of solution as cementite, leaving behind iron that is low enough in carbon to take the form of ferrite, resulting in a ferrite matrix with cementite inclusions. Cementite is a hard and brittle intermetallic compound with the chemical formula of Fe3C. At the eutectoid, 0.8% carbon, the cooled structure takes the form of pearlite, named for its resemblance to mother of pearl. For steels that have more than 0.8% carbon the cooled structure takes the form of pearlite and cementite.[7]
Perhaps the most important polymorphic form is martensite, a metastable phase which is significantly stronger than other steel phases. When the steel is in an austenitic phase and then quenched it forms into martensite, because the atoms "freeze" in place when the cell structure changes from FCC to BCC. Depending on the carbon content the martensitic phase takes different forms. Below approximately 0.2% carbon it takes an α ferrite BCC crystal form, but higher carbon contents take a body-centered tetragonal (BCT) structure. There is no thermal activation energy for the transformation from austenite to martensite. Moreover, there is no compositional change so the atoms generally retain their same neighbors.[8]
Martensite has a lower density than does austenite, so that the transformation between them results in a change of volume. In this case, expansion occurs. Internal stresses from this expansion generally take the form of compression on the crystals of martensite and tension on the remaining ferrite, with a fair amount of shear on both constituents. If quenching is done improperly, the internal stresses can cause a part to shatter as it cools. At the very least, they cause internal work hardening and other microscopic imperfections. It is common for quench cracks to form when water quenched, although they may not always be visible.
Сталь является сплавом путем комбинирования железа и других элементов, наиболее распространенным из которых является углерод. Когда уголь используется, его содержание в стали составляет от 0,2% и 2,1% по массе, в зависимости от класса. Другие легирующие элементы иногда используются марганца, хрома, ванадия и вольфрама. [ 1 ]
Углерод и другие элементы выступают в качестве отвердителя, предотвращения дислокации в атоме железа кристаллической решетки от скольжения мимо друг друга. Варьируя количество легирующих элементов и формы их присутствие в стали (растворенного элемента, осаждаются фаза) контролирует такие качества, как твердость, пластичность и прочность на разрыв полученной стали. Стали с повышенным содержанием углерода может быть тяжелее и сильнее, чем железо, но такой стали также менее пластичным, чем железо.
Сплавы с более высокой, чем 2,1% содержания углерода известны как чугун из-за их более низкой температурой плавления и хорошими литейными. [ 1 ] Стали также отличается от кованого железа, которое может содержать небольшое количество углерода, но она включена в форма шлаки включений. Два отличительных факторов повышения стального ржавчины сопротивления и лучше свариваемость.
Хотя стали были произведены различные неэффективные методы задолго до Ренессанса, его использование стало более распространенным после более эффективных методов производства были разработаны в 17-м веке. С изобретением процесса Bessemer в середине 19-го века, стали стал недорогой массового производства материала. Дальнейшие уточнения в процессе, таких как основные сталеплавильного кислорода (BOS), снижение затрат на производство при одновременном повышении качества металла. Сегодня, сталь является одним из самых распространенных материалов в мире, с более чем 1,3 млрд. тонн ежегодно производится. Он является основным компонентом в здания, инфраструктуру, инструменты, корабли, автомобили, машины, бытовая техника, и оружие. Современная сталь обычно можно распознать по различным классах определяются различные организации по стандартизации.
Свойства материала
Железоуглеродистых фазовой диаграммы, показывающие условия, необходимые для формирования различных фаз.
Железо содержится в Землю "с корой только в виде руды, как правило, оксид железа, таких как магнетит, гематит и др. Железный извлекается из железной руды путем удаления кислорода и объединения руды с предпочтительным партнером химические, такие как углерод. Этот процесс, известный как плавки, был впервые применен к металлам с низкой плавления точках, таких, как олово, которое плавится при температуре около 250 ° C (482 ° F) и меди, который плавится при температуре около 1100 ° C (2010 ° F). Для сравнения, чугун плавится при температуре около 1375 ° C (2507 ° F). [ 2 ]
Все эти температуры могут быть достигнуты с древними методами, которые были использованы с бронзового века. Так как скорость окисления сама быстро увеличивается за пределы 800 ° C (1470 ° F), важно, что плавка происходит в низко-кислородной среде. В отличие от меди и олова, железа жидкость растворяет углерода довольно легко. Металлургический результатов в сплаве (чугун), содержащие слишком много углекислого называть стали.[ 2 ] избыточный углерод и другие примеси удаляют на последующем этапе.
Другие материалы часто добавляют железо / углерод смеси для производства стали с заданными свойствами. никеля и марганца в сталь добавить к его прочность на разрыв и сделать аустенита форме железо-углерод решение более химически стабильный, хрома твердость увеличивается, а температура плавления, и ванадия также увеличивает твердость при одновременном снижении последствий усталости металла. [ 3 ]
Для предотвращения коррозии, по крайней мере, 11% хрома добавляют в сталь, так что жесткие оксида формы на металлической поверхности; это известно как нержавеющая сталь. Вольфрам препятствует образованию цементита, позволяющий мартенсита преимущественно образуют более медленными темпами охлаждения, в результате чего быстрорежущей стали. С другой стороны, серы, азота и фосфора делает сталь более хрупкой, так что эти часто встречающиеся элементы должны быть удалены из руды во время обработки. [ 3 ]
Плотность стали меняться в зависимости от легирующих компонентов, но обычно колеблется между 7750 и 8050 кг / м 3 (484 и 503 кг / куб м), или 7,75 и 8,05 г / см 3 (4,48 и 4,65 унции / у.е. в). [ 4 ]
Даже в узком диапазоне концентраций, которые составляют стали, смеси углерода и железа могут образовывать различные структуры, с очень разными свойствами. Понимание таких свойств имеет важное значение для создания качественных сталей. При комнатной температуре, наиболее стабильная форма железа является объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуры α- феррита. Это довольно мягкий металлический материал, который может растворяться только небольшая концентрация углерода, не более 0,021 мас% при 723 ° C (1333 ° F), и только 0,005% при 0 ° C (32 ° F). Если сталь содержит более 0,021% углерода при температурах сталеплавильных то она превращается в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуру, называемую аустенита или γ-железа. Это также мягкие и металлические, но может распустить значительно больше углерода, столько, сколько 2,1% [ 5 ] углерода при 1148 ° C (2098 ° F), который отражает верхнюю содержание углерода в стали. [ 6 ]
Когда стали с менее 0,8% углерода, известного как доэвтектоидных стали, охлаждают от аустенитной фазы смеси пытается вернуться к ферритной фазы, в результате чего избыток углерода. Один из способов углерода оставить аустенита это для того, чтобы осаждать из раствора в виде цементита, оставив позади железа, что является достаточно низким в углерод в форме феррита, в результате чего ферритовые матрицы с включениями цементита. Цементит твердых и хрупких интерметаллических соединение с химической формулой из Fe 3 C. В эвтектоидной, 0,8% углерода, охлаждение структура принимает форму перлита, названный по имени его сходство с перламутром. Для сталей, которые имеют более чем 0,8% углерода охлаждением структура принимает форму перлита и цементита. [ 7 ]
Возможно, наиболее важным полиморфная форма является мартенсит, метастабильные фазы, которая значительно сильнее, чем в других фазах стали. Когда стали в аустенитной фазе, а затем гасятона образует в мартенсит, потому что атомы "заморозить" на месте, когда клеточная структура меняется от FCC в BCC. В зависимости от содержания углерода в мартенситной фазе принимает различные формы. Ниже примерно 0,2% углерода, необходимое α феррита BCC кристаллической форме, но более высоким содержанием углерода принимать объемно-центрированной тетрагональной(BCT) структуры. Существует нет тепловую энергию активации для преобразования из аустенита в мартенсит. Кроме того, нет никаких композиционные изменения, так что атомы в целом сохраняют свои же соседи. [ 8 ]
Мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит, так что преобразование между ними приводит к изменению объема. В этом случае происходит расширение. Внутренние напряжения от такого расширения как правило, принимают форму сжатия на кристаллы мартенсита и напряжение на оставшихся феррита, с изрядным количеством сдвига по обе составляющие. Если тушения сделали неправильно, внутренних напряжений может вызвать части, чтобы разрушить, как он охлаждается. По крайней мере, они вызывают внутреннее упрочнение и другие микроскопические дефекты. Она является общей для охлаждения трещины образуются, когда вода угасает, хотя они не всегда могут быть видны. [ 9 ]
Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 38 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Ведущее число GN4; ISO 100·м / (GN6; ISO 200·м) | | | Особой связи между кор. счетами и фондовым рынком нет. |