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| Hierro aleación fases |
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Austenite (γ-hierro; difícilmente) |
| Tipos de acero |
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Acero de carbón (carbón del ≤2.1%; poco aleado) |
| Otro hierro-basó los materiales |
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Hierro fundido (>carbón 2.1%) |
Acero es aleación el consistir sobre todo en hierro, con a carbón contenido entre 0.2 y 2.04% por peso (C: 1000-10.8.67FE), dependiendo de grado. El carbón es el elemento de aleación más rentable para el hierro, pero los elementos de aleación otros se utilizan por ejemplo manganeso, cromo, vanadio, y tungsteno.[1] El carbón y otros elementos actúan como agente que endurece, previniendo dislocaciones en el átomo del hierro enrejado cristalino de resbalar más allá de uno otro. Variar la cantidad de elementos de aleación y la forma de su presencia en el acero (elementos del solute, precipitada fase) controla calidades tales como dureza, ductilidad y fuerza extensible del acero que resulta. El acero con el contenido creciente del carbón se puede hacer más duro y más fuerte que el hierro, pero es también más frágil. La solubilidad máxima del carbón en hierro (en austenite la región) es 2.14% por peso, ocurriendo en 1149 °C; concentraciones más altas del carbón o temperaturas más bajas producirán cementite. Las aleaciones con un contenido más alto del carbón que esto se conocen como hierro fundido debido a su punto de fusión y castability más bajos.[1] El acero debe también ser distinguido de hierro labrado contener solamente una cantidad muy pequeña de otros elementos, pero contener 1-3% en peso de escoria bajo la forma de partículas alargadas en una dirección, dando al hierro un grano característico. Es más moho- resistente que el acero y las autógenas más fácilmente. Es hoy común para hablar “del hierro y de la industria de acero” como si fuera una sola entidad, pero eran históricamente productos separados.
Aunque el acero había sido producido por varios métodos ineficaces mucho antes de que Renacimiento, su uso llegó a ser más común después de que métodos de producción más eficientes fueran ideados en el 17mo siglo. Con la invención del Proceso de Bessemer en el siglo de mid-19th, el acero se convirtió en un relativamente barato producido en serie bueno. Otros refinamientos en el proceso, por ejemplo siderurgia básica del oxígeno, bajado más lejos el coste de producción mientras que aumenta la calidad del metal. Hoy, el acero es uno de los materiales mas comunes del mundo y es un componente importante en los edificios, herramientas, automóviles, y aplicaciones. El acero moderno es identificado generalmente por los varios grados del acero definidos por vario organizaciones de estándares.
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Hierro, como la mayoría de los metales, no se encuentra generalmente en Tierra's corteza en un estado elemental.[2] El hierro se puede encontrar en la corteza solamente conjuntamente con oxígeno o sulfuro. Los minerales hierro-que contienen típicos incluyen el FE2O3- la forma de óxido del hierro encontrado como mineral hematita, y FeS2—pirita (oro del tonto).[3] El hierro se extrae de mineral quitando el oxígeno combinándolo con un socio químico preferido tal como carbón. Este proceso, conocido como fundición, primero fue aplicado a los metales con más bajo el derretir puntos. Cobre derrite en justo sobre el °C 1000, mientras que lata derretimientos alrededor de 250 °C. El hierro-hierro del molde aleó con 1.7% mayor que carbón-derrite aproximadamente 1370 °C. Todas estas temperaturas se podrían alcanzar con los métodos antiguos que se han utilizado por lo menos 6000 años (desde Edad de bronce). Puesto que la tarifa sí mismo de la oxidación aumenta rápidamente más allá del °C 800, es importante que la fundición ocurre en un ambiente con poco oxígeno. Desemejante del cobre y de la lata, el hierro líquido disuelve el carbón absolutamente fácilmente, de modo que la fundición dé lugar a una aleación que contiene demasiado carbón que se llamará acero.[4]
Incluso en la gama estrecha de las concentraciones que componen el acero, las mezclas del carbón e hierro puede formar en un número de diversas estructuras, con características muy diversas; entender éstos es esencial para la fabricación del acero de la calidad. En la temperatura ambiente, la forma más estable de hierro es cúbico body-centered Estructura (BCC) ferrita o α-hierro, un material metálico bastante suave que puede disolver solamente una concentración pequeña del carbón (no más de 0.021 % peso en el °C 910). Sobre 910 °C la ferrita experimenta a transición de la fase de cúbico body-centered a a cúbico face-centered Estructura (FCC), llamada austenite o el γ-hierro, que es semejantemente suave y metálico pero puede disolver considerablemente más carbón (tanto como 2.03 % peso de carbón en el °C 1154).[5] Mientras que el austenite carbón-rico se refresca, la mezcla procura invertir a la fase de la ferrita, dando por resultado un exceso del carbón. Una forma para que el carbón deje el austenite está para cementite a precipitado fuera de la mezcla, yéndose detrás del hierro que es bastante puro tomar la forma de ferrita, dando por resultado una mezcla de la cementite-ferrita. El Cementite es a stoichiometric fase con el fórmula químico del FE3C. El Cementite forma en regiones de un contenido más alto del carbón mientras que otras áreas invierten a la ferrita alrededor de ella. Uno mismo-reforzando patrones emerja a menudo durante este proceso, conduciendo a acodar modelado conocido como pearlite (FE3C: 6.33Fe) debido a su perla- como aspecto, o el el similar pero menos hermoso bainite.
Quizás el más importante forma polimórfica es martensite, una sustancia químicamente metastable con cerca de cuatro a cinco veces la fuerza de la ferrita. Un mínimo de 0.4 % peso del carbón (C: 50Fe) es necesario formar el martensite. Cuando el austenite se apaga para formar el martensite, el carbón “se congela” en lugar cuando la estructura de la célula cambia de la FCC a BCC. Los átomos de carbón son mucho demasiado grandes caber en las vacantes intersticiales y torcer así la estructura de la célula en una estructura tetragonal body-centered (BCT). Martensite y el austenite tienen una composición química idéntica. Como tal, requiere extremadamente poco termal energía de activación a la forma.
El proceso del tratamiento térmico para la mayoría de los aceros implica el calentar de la aleación hasta que el austenite forma, entonces el apagar el de fundición en agua o aceite, refrescándolo tan rápidamente que la transformación a la ferrita o al pearlite no tiene tiempo para ocurrir. La transformación en martensite, por el contrario, ocurre casi inmediatamente, debido a una energía de activación más baja.
Martensite tiene una densidad más baja que austenite, de modo que transformación entre ellos los resultados en un cambio del volumen. En este caso, la extensión ocurre. Las tensiones internas de esta extensión toman generalmente la forma de compresión en los cristales del martensite y tensión en la ferrita restante, con una cantidad justa de esquileo en ambos componentes. Si el apagar se hace incorrectamente, estas tensiones internas pueden hacer una pieza romper mientras que se refresca; por lo menos, causan interno el endurecer de trabajo y otras imperfecciones microscópicas. Es común para apaga las grietas para formar cuando agua apagada, aunque pueden siempre no ser visibles.[6]
A este punto, si el contenido del carbón es arriba bastante producir una concentración significativa del martensite, el resultado es un material extremadamente duro pero muy frágil. A menudo, el acero experimenta el tratamiento térmico adicional en una temperatura más baja para destruir algo del martensite (dando un plazo de bastante tiempo para el cementite etc. para formar) y ayude a colocar las tensiones y los defectos internos. Esto ablanda el acero, produciendo un metal más dúctil y fractura-más resistente. Porque el tiempo es tan crítico al resultado final, se conoce este proceso como el templar, que las formas templaron el acero.[7]
Otros materiales se agregan a menudo a la mezcla del hierro/del carbón para adaptar las características que resultan. Níquel y manganeso en acero agregue a su fuerza extensible y haga el establo del austenite más químicamente, cromo dureza de los aumentos y temperatura que derrite, y vanadio también aumenta dureza mientras que reduce los efectos de fatiga del metal. Las cantidades grandes de cromo y de níquel (el a menudo 18% y el 8%, respectivamente) se agregan a acero inoxidable de modo que un duro óxido las formas en el metal emergen para inhibir la corrosión. Tungsteno interfiere con la formación del cementite, permitiendo que el martensite forme con más lento apagan tarifas, dando por resultado acero de alta velocidad. Por otra parte sulfuro, nitrógeno, y fósforo haga el acero más frágil, así que éstos encontraron comúnmente elementos se deben quitar del mineral durante el proceso.[8]
Cuando el hierro es fundido de su mineral por procesos comerciales, contiene más carbón que deseable. Para llegar a ser de acero, debe ser derretido y ser tratado de nuevo para quitar la cantidad correcta de carbón, en que punto otros elementos pueden ser agregados. Una vez que este líquido se eche en lingotes, debe “ser trabajado generalmente” en la temperatura alta para quitar cualesquiera grietas o región mal mezclada del proceso de la solidificación, y para producir formas tales como placa, hoja, alambre, etc. Es entonces sometido a un tratamiento térmico producir una estructura cristalina deseable, y a menudo “frío trabajado” para producir la forma final. En siderurgia moderna estos procesos se combinan a menudo, con el mineral entrando en un final de planta de fabricación y acero acabado que viene hacia fuera el otro. Éstos se pueden aerodinamizar por un control hábil de la interacción en medio el endurecer de trabajo y el templar.
El acero era sabido en antigüedad, y pudo haber sido producido manejando bloomery de modo que la floración contuviera el carbón.[9] Algo del primer acero viene de la África del Este, datando de 1400 A.C..[10] En el 4to siglo A.C. las armas de acero tienen gusto Falcata fueron producidos en la península ibérica. Chino de Dinastía de Han (202 A.C. – 220 ANUNCIO) acero creado derritiendo junto hierro labrado con hierro fundido, ganando un último producto de un carbón-intermedio-acero por el 1r siglo ANUNCIO.[11][12]
El acero de Wootz fue producido en la India y Sri Lanka de alrededor 300 A.C.. Junto con sus métodos originales de acero de forja, el chino también había adoptado los métodos de producción de crear Acero de Wootz, una idea importada de La India a China por el 5to siglo ANUNCIO.[13] Este método siderúrgico temprano empleó el uso de un horno del viento, soplado por los vientos de la monzón y el acero casi puro producido.[14] También conocido como Acero de Damasco, el wootz es famoso para que su durabilidad y capacidad sostengan borde. Fue creado originalmente de un número de diversos materiales incluyendo vario oligoelementos. Era esencialmente una aleación complicada con hierro como su componente principal. Los estudios recientes han sugerido eso nanotubes del carbón fueron incluidos en su estructura, que pudo explicar algunas de sus calidades legendarias, aunque dado la tecnología disponible en aquel momento, ellos fueron producidos por casualidad más bien que por diseño.[15]
Acero de crisol fue producido adentro Merv por el 9no a 10mo siglo ANUNCIO.
En el 11mo siglo, hay evidencia de la producción del acero adentro Canción China usar dos técnicas: un método del “berganesque” que produjo el acero inferior, no homogéneo y un precursor al proceso de Bessemer moderno que utilizó la descarbonización parcial vía la forja repetida bajo ráfaga fría.[16]
Acero de ampolla, producido por proceso de la cementación primero fue hecho en Italia en el décimosexto siglo temprano CE y pronto después de introducido a Inglaterra. Fue producido por el sir Albahaca Brooke en Coalbrookdale durante el 1610s. La materia prima para esto era barras de hierro labrado. Durante el 17mo siglo fue observado que el mejor acero vino de hierro de los oregrounds de una región de Suecia, norte de Estocolmo. Ésta seguía siendo la materia prima generalmente en el diecinueveavo siglo, casi mientras el proceso fuera utilizado.[17][18]
El acero de crisol es de acero que se ha derretido en a crisol más bien que siendo forjado, con el resultado que es más homogéneo. La mayoría de los hornos anteriores no podían alcanzar arriba bastantes temperaturas para derretir el acero. La industria de acero moderna temprana de crisol resultó de la invención de Huntsman de Benjamin en el 1740s. El acero de ampolla (hecho como arriba) fue derretido en un crisol en un horno, y molde (generalmente) en los lingotes.[18]
La era moderna adentro siderurgia comenzó con la introducción de Henrio Bessemer's Proceso de Bessemer en 1858[19]. Esto permitió al acero ser producida en cantidades grandes barato, de modo que acero suave ahora se utiliza para la mayoría de los propósitos para los cuales el hierro labrado fue utilizado antes.[20] Éste era solamente el primer de un número de métodos de producción de acero. El proceso de Gilchrist-Thomas (o el proceso de Bessemer básica) era una mejora al proceso de Bessemer, alineando el convertidor con una materia prima para quitar el fósforo. Otro era Proceso de Siemens-Martin de la siderurgia del hogar abierto, que como el proceso de Gilchrist-Thomas complementó, más bien que substituido, el proceso de Bessemer original.[18]
Éstos fueron dejados obsoletos por el proceso de Linz-Donawitz de siderurgia básica del oxígeno, convertido en los años 50, y otros procesos de la siderurgia del oxígeno.[21]
Debido a el crítico actuado en papel por el acero en el desarrollo económico infraestructural y total, la industria de acero se considera a menudo ser un indicador del progreso económico.
El auge económico adentro China y La India ha causado un aumento masivo en la demanda para el acero estos últimos años. Entre 2000 y 2005, la demanda de acero del mundo aumentó en el 6%. Desde 2000, vario indio[22] y las firmas de acero chinas se han levantado a la prominencia como Acero de Tata (que compró Grupo de Corus en 2007), Shangai Baosteel Group Corporation y Grupo de Shagang. ArcelorMittal está sin embargo el mundo el productor de acero más grande.
Examen geológico británico los informes que en 2005, China era el productor superior del acero con cerca de una mitad parte del mundo siguieron por Japón, Rusia y los E.E.U.U.
En 2008, el acero será negociado como materia en Intercambio del metal de Londres.
El acero es el material lo más extensamente posible adentro reciclado Norteamérica.[la citación necesitó] La industria de acero ha estado activamente reciclaje por más de 150 años, en parte grande porque es económicamente ventajoso hacer tan. Es más barato reciclar el acero que el mío mineral de hierro y manipúlelo con el proceso de producción para formar el acero “nuevo”. El acero no pierde cualesquiera de sus características físicas inherentes durante el proceso de reciclaje, y ha reducido drástico energía y requisitos materiales que el refinamiento del hierro Oregón. La energía ahorrada reciclando reduce la consumo de energía anual de la industria por el cerca de 75%, que es bastante para accionar dieciocho millones de hogares por un año.[23] El reciclaje de una tonelada de acero ahorra 1.100 kilogramos de mineral de hierro, 630 kilogramos de carbón, y 55 kilogramos de piedra caliza.[24] 76 millones de toneladas de acero fueron recicladas en 2005.[23]
Estos últimos años, cerca de tres cuartos del acero producido anualmente se ha reciclado. Sin embargo, los números son mucho más altos para ciertos tipos de productos. Por ejemplo, en 2004 y 2005, 97.5% de vigas del acero estructural y las placas fueron reciclados.[25] Otros elementos de acero de la construcción tales como barras del refuerzo se reciclan en un índice de el cerca de 65%. De hecho, el acero estructural contiene típicamente el contenido de acero reciclado el alrededor 95%, mientras que es ligero calibra, acero rodado plano contiene el material reutilizado el cerca de 30%.
Porque las vigas de acero se fabrican a las dimensiones estandardizadas, hay a menudo muy poco inútil producido durante construcción, y cualquier basura se produzca que puede ser reciclada. Para una casa típica de la dos-historia de 2.000 pies cuadrados (² de 200 m), a marco de acero es equivalente a cerca de seis coches reciclados, mientras que una casa comparable del marco de madera puede requerir tanto como 40-50 árboles.[23]
La demanda global para el acero continúa creciendo, y aunque hay cantidades grandes de existir de acero, mucho de él es activamente funcionando. Como tal, el acero reciclado se debe aumentar por algún primero-utiliza el metal, derivado de las materias primas. Los productos de acero comúnmente reciclados incluyen las latas, automóviles, aplicaciones, y ruina de edificios demolidos. Una aplicación típica es acero del cerca de 65% por peso y automóviles son el acero y el hierro del cerca de 66%.
Mientras que algo que recicla ocurre con integrado molinos de acero y proceso básico del oxígeno, la mayor parte de el acero reciclado se derrite eléctricamente, cualquiera el usar horno de arco voltaico (para la producción del acero con poco carbono) o horno de inducción (para la producción de algunos productos ferrosos alto-aleados).
Los aceros modernos se hacen con combinaciones que varían de los metales de la aleación para satisfacer muchos propósitos.[8] Acero de carbón, integrado simplemente por el hierro y el carbón, explica el 90% de producción de acero.[1] Acero poco aleado de alta resistencia tiene adiciones pequeñas (generalmente < el 2% por peso) de otros elementos, típicamente 1.5% manganeso, para proporcionar la fuerza adicional para un aumento modesto del precio.[26] Acero poco aleado se alea con otros elementos, generalmente molibdeno, manganeso, cromo, o níquel, en cantidades de el hasta 10% por peso para mejorar el hardenability de secciones gruesas.[1] Aceros inoxidables y aceros inoxidables quirúrgicos contenga un mínimo de el 10% cromo, combinado a menudo con níquel, para resistir corrosión (moho). Algunos aceros inoxidables son magnético, mientras que son otros no magnético.[27]
Más aceros modernos incluyen aceros de herramienta, que se alean con cantidades grandes de tungsteno y cobalto u otros elementos a maximizar el endurecer de la solución. Esto también permite el uso de el endurecer de la precipitación y mejora la resistencia de la temperatura de la aleación.[1] El acero de herramienta se utiliza generalmente en hachas, taladros, y otros dispositivos que necesiten un filo agudo, duradero. Otras aleaciones special-purpose incluyen aceros del desgaste por la acción atmosférica por ejemplo Corazón-diez, que resisten adquiriendo un establo, aherrumbró la superficie, y así que puede ser sin pintar usado.[28]
Muchas otras aleaciones de alta resistencia existen, por ejemplo acero de la dual-fase, que es sometido a un tratamiento térmico contener una ferrita y la microestructura martensic para la fuerza adicional.[29] El acero inducido transformación de la plasticidad (VIAJE) implica la aleación y tratamientos térmicos especiales para estabilizar cantidades de austentite en la temperatura ambiente en aceros ferritic poco aleados normalmente austentite-libres. Aplicando la tensión al metal, el austentite experimenta una transición de la fase al martensite sin la adición del calor.[30] Acero de Maraging se alea con el níquel y otros elementos, pero desemejante de la mayoría del acero no contiene casi ningún carbón en todos. Esto crea un muy fuerte pero aún maleable metal.[31] El acero inducido el hermanar de la plasticidad (TWIP) utiliza un tipo específico de tensión para aumentar la eficacia de endurecer de trabajo en la aleación.[32] Acero de Eglin utiliza una combinación sobre de diversos elementos una docena en cantidades que varían para crear un metal relativamente barato para el uso adentro buster de la arcón armas. Acero de Hadfield (después de sir Roberto Hadfield) o manganeso el acero contiene el manganeso 12-14% que cuando las formas desgastadas una piel increíblemente dura que resiste el usar. Los ejemplos incluyen pistas del tanque, lámina de la niveladora bordes y láminas del corte en quijadas de la vida.[33] Una clase especial de la aleación de alta resistencia, superalloys, conserve sus características mecánicas en las temperaturas extremas mientras que reduce al mínimo arrastramiento. Éstos son de uso general en usos por ejemplo motor de jet láminas donde las temperaturas pueden alcanzar los niveles en los cuales la mayoría de las otras aleaciones llegaron a ser débiles.[34]
La mayor parte de las aleaciones de acero más comunmente usadas son categorizadas en varios grados por organizaciones de estándares. Por ejemplo, Instituto americano del hierro y del acero tiene una serie de grados definir muchos tipos de acero que se extienden del acero de carbón estándar a HSLA y al acero inoxidable.[35] Sociedad americana para probar y los materiales tiene un sistema separado de los estándares, tales como los cuales defina las aleaciones Acero A36, el acero estructural más de uso general de los Estados Unidos.[36]
Sin embargo no una aleación, galvanizado el acero es una variedad de uso general de acero que caliente-se ha sumergido o se ha electrochapado adentro cinc para la protección contra la corrosión (moho).[37]
Altos hornos altos se han utilizado por dos milenios producir hierro de cerdo, un paso crucial en el proceso de producción de acero, del mineral de hierro combinando el combustible, el carbón de leña, y el aire. Uso moderno de los métodos coque en vez del carbón de leña, que ha demostrado ser mucho más eficiente y se acredita con contribuir a los Británicos Revolución industrial.[38] Una vez que se refine el hierro, los convertidores se utilizan para crear el acero del hierro. Durante el siglo de fines del siglo diecinueve y a principios de siglo 20 había muchos métodos ampliamente utilizados tales como el proceso de Bessemer y el proceso de Siemens-Martin. Sin embargo, siderurgia básica del oxígeno, en que el oxígeno puro se alimenta al horno a las impurezas del límite, ha substituido generalmente estos más viejos sistemas. Hornos de arco voltaico es un método común de tratar de nuevo el metal de desecho para crear el acero nuevo. Pueden también ser utilizados para convertir el hierro de cerdo al acero, pero utilizan la electricidad mucha (cerca de 440 KVH por tonelada métrica), y son así generalmente solamente económicos cuando hay una fuente abundante de electricidad barata.[39]
El hierro y el acero se utilizan extensamente en la construcción de caminos, de ferrocarriles, de la infraestructura y de edificios. La mayoría de las estructuras modernas grandes, por ejemplo estadios y rascacielos, puentes y aeropuertos, son apoyados por un esqueleto de acero. Incluso ésos con una estructura concreta emplearán el acero para reforzar. Además de uso extenso adentro aplicaciones importantes y coches (a pesar de crecimiento en uso de aluminio, sigue siendo el material principal para los cuerpos del coche), acero se utiliza en una variedad de otra construcción- usos relacionados, tales como pernos, clavos, y tornillos.[40] Otros usos comunes incluyen construcción naval, transporte de la tubería, explotación minera, aeroespacial, mercancías blancas (eg. lavadoras), equipo pesado (eg. niveladoras), muebles de oficinas, lanas de acero, herramientas, y armadura bajo la forma de chalecos personales o armadura del vehículo (mejor conocido como armadura homogénea rodada en este papel).
Antes de la introducción del proceso de Bessemer y de otras técnicas modernas de la producción, el acero era costoso y fue utilizado solamente donde ningún alternativa más barato existió, particularmente para el filo de cuchillos, de maquinillas de afeitar, de espadas, y de otros artículos donde estaba necesario un borde duro, agudo. También fue utilizado para resortes, incluyendo ésos usados en relojes y relojes.[18]
Con el advenimiento de métodos de producción de acero más rápidos y más eficientes, el acero ha sido más fácil de obtener y mucho más barato. Ha substituido el hierro labrado para una multiplicidad de propósitos. Sin embargo, la disponibilidad de plásticos durante el vigésimo siglo más último permitió que estos materiales substituyeran el acero en muchos productos debido a su costo más bajo y peso.[41]
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