Stop
Stop jest mieszaniną pierwiastków chemicznych , z których co najmniej jeden jest metalem . W przeciwieństwie do związków chemicznych na bazie metali, stop zachowuje wszystkie właściwości metalu w powstałym materiale, takie jak przewodność elektryczna , plastyczność , nieprzezroczystość i połysk , ale może mieć właściwości różniące się od właściwości czystych metali, takie jak zwiększone wytrzymałość lub twardość. W niektórych przypadkach stop może obniżyć całkowity koszt materiału przy jednoczesnym zachowaniu ważnych właściwości. W innych przypadkach mieszanina nadaje składowym elementom metalowym właściwości synergistyczne, takie jak odporność na korozję lub wytrzymałość mechaniczna.
Stopy charakteryzują się metalicznym charakterem wiążącym . Składniki stopu są zwykle mierzone w procentach masowych w zastosowaniach praktycznych oraz we frakcji atomowej w przypadku podstawowych badań naukowych. Stopy są zwykle klasyfikowane jako stopy substytucyjne lub śródmiąższowe , w zależności od układu atomów, który tworzy stop. Można je dalej klasyfikować jako jednorodne (składające się z jednej fazy) lub heterogeniczne (składające się z dwóch lub więcej faz) lub międzymetaliczne . Stop może być stałym roztworem pierwiastków metalowych (pojedyncza faza, w której wszystkie metaliczne ziarna (kryształy) mają ten sam skład) lub mieszaniną faz metalicznych (dwa lub więcej roztworów tworzących mikrostrukturę różnych kryształów w metalu) .
Przykłady stopów obejmują czerwone złoto ( złoto i miedź ) , białe złoto (złoto i srebro ), srebro (srebro i miedź), stal lub stal krzemową ( odpowiednio żelazo z niemetalicznym węglem lub krzemem ), lutowie , mosiądz , cyna , duraluminium , brąz i amalgamaty .
Stopy są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach, od stopów stali, stosowanych we wszystkim, od budynków, przez samochody, po narzędzia chirurgiczne, przez egzotyczne stopy tytanu stosowane w przemyśle lotniczym, po stopy berylu i miedzi do narzędzi nieiskrzących.
Charakterystyka
Stop to mieszanina pierwiastków chemicznych , która tworzy zanieczyszczoną substancję (domieszkę), która zachowuje właściwości metalu . Stop różni się od zanieczyszczonego metalu tym, że w przypadku stopu dodawane pierwiastki są dobrze kontrolowane w celu uzyskania pożądanych właściwości, podczas gdy zanieczyszczone metale, takie jak kute żelazo , są mniej kontrolowane, ale często są uważane za przydatne. Stopy powstają przez zmieszanie dwóch lub więcej pierwiastków, z których przynajmniej jeden jest metalem. Nazywa się to zwykle metalem pierwotnym lub metalem nieszlachetnym, a nazwa tego metalu może być również nazwą stopu. Inne składniki mogą, ale nie muszą, być metalami, ale po zmieszaniu ze stopioną zasadą będą rozpuszczalne i rozpuszczają się w mieszaninie. Własności mechaniczne stopów często różnią się od właściwości poszczególnych składników. Metal, który jest zwykle bardzo miękki ( ciągliwy ), taki jak aluminium , można zmienić, łącząc go z innym miękkim metalem, takim jak miedź . Chociaż oba metale są bardzo miękkie i ciągliwe , powstały stop aluminium będzie miał znacznie większą wytrzymałość . Dodanie niewielkiej ilości węgla niemetalicznego do żelaza zamienia jego dużą plastyczność na większą wytrzymałość stopu zwanego stalą . Ze względu na bardzo wysoką wytrzymałość, ale wciąż znaczną wytrzymałość i zdolność do znacznych zmian w obróbce cieplnej , stal jest jednym z najbardziej użytecznych i powszechnych stopów we współczesnym zastosowaniu. Dodając chrom do stali, można zwiększyć jej odporność na korozję , tworząc stal nierdzewną , podczas gdy dodanie krzemu zmieni jej właściwości elektryczne, tworząc stal krzemową .
Podobnie jak olej i woda, stopiony metal nie zawsze może mieszać się z innym pierwiastkiem. Na przykład czyste żelazo jest prawie całkowicie nierozpuszczalne w miedzi. Nawet jeśli składniki są rozpuszczalne, każdy z nich zwykle ma punkt nasycenia , powyżej którego nie można dodać więcej składnika. Na przykład żelazo może zawierać maksymalnie 6,67% węgla. Chociaż pierwiastki stopu zwykle muszą być rozpuszczalne w ciekłym , nie zawsze mogą być rozpuszczalne w stanie stałym . Jeśli metale pozostają rozpuszczalne w stanie stałym, stop tworzy stały roztwór , stając się jednorodną strukturą składającą się z identycznych kryształów, zwaną fazą . Jeśli mieszanina ochładza się, składniki stają się nierozpuszczalne, mogą się rozdzielać, tworząc dwa lub więcej różnych typów kryształów, tworząc heterogeniczną mikrostrukturę różnych faz, z których niektóre zawierają więcej jednego składnika niż inne. Jednak w innych stopach nierozpuszczalne pierwiastki mogą się rozdzielić dopiero po krystalizacji. Po bardzo szybkim schłodzeniu najpierw krystalizują jako jednorodna faza, ale są przesycone składnikami wtórnymi. W miarę upływu czasu atomy tych przesyconych stopów mogą oddzielić się od sieci krystalicznej, stając się bardziej stabilne i tworząc drugą fazę, która służy do wewnętrznego wzmocnienia kryształów.
Niektóre stopy, takie jak elektrum — stop srebra i złota — występują naturalnie. Meteoryty są czasami wykonane z naturalnie występujących stopów żelaza i niklu , ale nie pochodzą z Ziemi. Jednym z pierwszych stopów wykonanych przez człowieka był brąz , który jest mieszaniną metali cyny i miedzi . Brąz był niezwykle przydatnym stopem dla starożytnych, ponieważ jest znacznie mocniejszy i twardszy niż którykolwiek z jego składników. Innym popularnym stopem była stal. Jednak w starożytności mógł powstać jedynie jako przypadkowy produkt uboczny ogrzewania rudy żelaza w ogniu ( wytapianie ) podczas produkcji żelaza. Inne starożytne stopy to cyna , mosiądz i surówka . W czasach nowożytnych stal można tworzyć w wielu formach. Stal węglową można wytwarzać zmieniając tylko zawartość węgla, wytwarzając stopy miękkie, takie jak stal miękka , lub stopy twarde, takie jak stal sprężynowa . Stale stopowe można wytwarzać przez dodanie innych pierwiastków, takich jak chrom , molibden , wanad lub nikiel , w wyniku czego powstają stopy, takie jak stal szybkotnąca lub stal narzędziowa . Niewielkie ilości manganu są zwykle dodawane do większości nowoczesnych stali ze względu na jego zdolność do usuwania niepożądanych zanieczyszczeń, takich jak fosfor , siarka i tlen , które mogą mieć szkodliwy wpływ na stop. Jednak większość stopów powstała dopiero w XX wieku, na przykład różne stopy aluminium, tytanu , niklu i magnezu . Niektóre nowoczesne superstopy , takie jak incoloy , inconel i hastelloy , mogą składać się z wielu różnych pierwiastków.
Stop jest technicznie metalem zanieczyszczonym, ale w odniesieniu do stopów termin zanieczyszczenia zwykle oznacza niepożądane pierwiastki. Takie zanieczyszczenia są wprowadzane z metali nieszlachetnych i pierwiastków stopowych, ale są usuwane podczas przetwarzania. Na przykład siarka jest częstym zanieczyszczeniem stali. Siarka łatwo łączy się z żelazem, tworząc siarczek żelaza , który jest bardzo kruchy, tworząc słabe punkty w stali. Lit , sód i wapń to powszechnie występujące zanieczyszczenia w stopach aluminium, które mogą mieć niekorzystny wpływ na integralność strukturalną odlewów. I odwrotnie, czyste metale, które zawierają niepożądane zanieczyszczenia, są często nazywane „metalami nieczystymi” i zwykle nie są określane jako stopy. Tlen obecny w powietrzu łatwo łączy się z większością metali, tworząc tlenki metali ; zwłaszcza w wyższych temperaturach występujących podczas stopowania. Podczas procesu stopowania często zwraca się dużą uwagę na usuwanie nadmiaru zanieczyszczeń, stosując topniki , dodatki chemiczne lub inne metody metalurgii ekstrakcyjnej .
Teoria
Stopowanie metalu odbywa się poprzez połączenie go z jednym lub kilkoma innymi pierwiastkami. Najpowszechniejszy i najstarszy proces stapiania polega na podgrzaniu metalu nieszlachetnego powyżej jego temperatury topnienia , a następnie rozpuszczeniu substancji rozpuszczonych w stopionej cieczy, co może być możliwe, nawet jeśli temperatura topnienia substancji rozpuszczonej jest znacznie wyższa niż podstawy. Na przykład w stanie ciekłym tytan jest bardzo silnym rozpuszczalnikiem zdolnym do rozpuszczania większości metali i pierwiastków. Ponadto łatwo absorbuje gazy takie jak tlen i pali się w obecności azotu. Zwiększa to ryzyko zanieczyszczenia z jakiejkolwiek stykającej się powierzchni, dlatego musi być topiony w próżniowym ogrzewaniu indukcyjnym i specjalnych, chłodzonych wodą tyglach miedzianych . Jednak niektóre metale i substancje rozpuszczone, takie jak żelazo i węgiel, mają bardzo wysokie temperatury topnienia i były niemożliwe do stopienia przez starożytnych ludzi. Tak więc stapianie (w szczególności stapianie międzywęzłowe) można również przeprowadzać z jednym lub większą liczbą składników w stanie gazowym, na przykład w wielkim piecu do produkcji surówki (płyn-gaz), azotowania , węgloazotowania lub innych form nawęglania (ciało stałe-gaz) lub proces cementowania stosowany do wytwarzania stali konwertorowej (ciało stałe-gaz). Można to również zrobić z jednym, kilkoma lub wszystkimi składnikami w stanie stałym, na przykład w starożytnych metodach spawania wzorcowego (ciało stałe-ciało stałe), stali ścinanej (ciało stałe-ciało stałe) lub produkcji stali tyglowej (ciało stałe- ciecz), mieszanie pierwiastków poprzez dyfuzję w stanie stałym .
Dodając kolejny pierwiastek do metalu, różnice w wielkości atomów powodują wewnętrzne naprężenia w sieci kryształów metalicznych; podkreśla, które często wzmacniają jego właściwości. Na przykład połączenie węgla z żelazem daje stal , która jest mocniejsza niż żelazo , jego główny pierwiastek. Przewodność elektryczna i cieplna stopów jest zwykle niższa niż czystych metali. Właściwości fizyczne, takie jak gęstość , reaktywność , moduł Younga stopu mogą nie różnić się znacznie od właściwości jego pierwiastka podstawowego, ale właściwości inżynieryjne, takie jak wytrzymałość na rozciąganie , ciągliwość i wytrzymałość na ścinanie , mogą znacznie różnić się od właściwości materiałów składowych. Czasami wynika to z rozmiarów atomów w stopie, ponieważ większe atomy wywierają siłę ściskającą na sąsiednie atomy, a mniejsze atomy wywierają siłę rozciągającą na swoich sąsiadów, pomagając stopowi oprzeć się deformacji. Czasami stopy mogą wykazywać wyraźne różnice w zachowaniu, nawet jeśli obecne są niewielkie ilości jednego pierwiastka. Na przykład zanieczyszczenia w półprzewodnikowych ferromagnetycznych prowadzą do różnych właściwości, jak po raz pierwszy przewidzieli White, Hogan, Suhl, Tian Abrie i Nakamura.
W przeciwieństwie do czystych metali, większość stopów nie ma jednej temperatury topnienia , ale zakres topnienia, w którym materiał jest mieszaniną faz stałych i ciekłych (szum). Temperatura, w której zaczyna się topienie, nazywana jest solidusem , a temperatura, w której topnienie jest właśnie zakończone, nazywana jest likwidusem . W przypadku wielu stopów istnieje określona proporcja stopu (w niektórych przypadkach więcej niż jedna), zwana albo eutektyczną , albo składem perytektycznym, która nadaje stopowi wyjątkową i niską temperaturę topnienia oraz brak przejścia ciecz/ciało stałe.
Obróbka cieplna
Pierwiastki stopowe są dodawane do metalu nieszlachetnego w celu uzyskania twardości , ciągliwości , plastyczności lub innych pożądanych właściwości. Większość metali i stopów można utwardzić przez zgniot , tworząc defekty w ich strukturze krystalicznej. Wady te powstają podczas odkształcania plastycznego przez młotkowanie, zginanie, wytłaczanie itp. i są trwałe, chyba że metal zostanie ponownie wykrystalizowany . W przeciwnym razie niektóre stopy mogą również zmienić swoje właściwości w wyniku obróbki cieplnej . Prawie wszystkie metale można zmiękczyć przez wyżarzanie , które rekrystalizuje stop i naprawia defekty, ale niewiele można utwardzić przez kontrolowane ogrzewanie i chłodzenie. Wiele stopów aluminium , miedzi , magnezu , tytanu i niklu można do pewnego stopnia wzmocnić jakąś metodą obróbki cieplnej, ale niewiele z nich reaguje na to w takim samym stopniu jak stal .
Żelazo nieszlachetne ze stopu żelazo-węgiel, znanego jako stal, ulega zmianie w rozmieszczeniu ( alotropii ) atomów swojej matrycy krystalicznej w określonej temperaturze (zwykle od 1500 ° F (820 ° C) do 1600 ° F ( 870°C), w zależności od zawartości węgla). Pozwala to mniejszym atomom węgla wejść w szczeliny kryształu żelaza. że kiedy zachodzi ta dyfuzja , atomy węgla znajdują się w roztworze w żelazie, tworząc szczególną pojedynczą, jednorodną, krystaliczną fazę zwaną austenitem . Jeśli stal jest schładzana powoli, węgiel może dyfundować z żelaza i stopniowo powraca do swojego niskotemperaturowego alotropu. Podczas powolnego chłodzenia atomy węgla nie będą już rozpuszczalne w żelazie i zostaną zmuszone do wytrącenia się z roztworu, zarodkując w bardziej skoncentrowaną postać węglika żelaza (Fe 3 C) w przestrzeniach między kryształami czystego żelaza. Stal staje się wtedy niejednorodna, ponieważ składa się z dwóch faz, fazy żelazowo-węglowej zwanej cementytem (lub węglikiem ) i czystego ferrytu żelaza . Taka obróbka cieplna daje stal, która jest raczej miękka. Jeśli jednak stal zostanie szybko schłodzona, atomy węgla nie będą miały czasu na dyfuzję i wytrącenie się jako węglik, ale zostaną uwięzione w kryształach żelaza. Po szybkim schłodzeniu przemiana bezdyfuzyjna (martenzytyczna) , w której atomy węgla zostają uwięzione w roztworze. Powoduje to deformację kryształów żelaza, gdy struktura krystaliczna próbuje przejść do stanu niskiej temperatury, pozostawiając te kryształy bardzo twarde, ale znacznie mniej plastyczne (bardziej kruche).
Podczas gdy wysoka wytrzymałość stali uzyskuje się, gdy zapobiega się dyfuzji i wytrącaniu (tworzenie martenzytu), większość stopów do obróbki cieplnej to stopy utwardzane wydzieleniowo , których wytrzymałość zależy od dyfuzji pierwiastków stopowych. Po podgrzaniu w celu utworzenia roztworu, a następnie szybkim schłodzeniu, stopy te stają się znacznie bardziej miękkie niż normalnie podczas transformacji bezdyfuzyjnej, ale następnie twardnieją w miarę starzenia się. Substancje rozpuszczone w tych stopach wytrącają się z czasem, tworząc międzymetaliczne , które są trudne do odróżnienia od metalu nieszlachetnego. W przeciwieństwie do stali, w której stały roztwór rozdziela się na różne fazy krystaliczne (węglik i ferryt), stopy utwardzane wydzieleniowo tworzą różne fazy w tym samym krysztale. Te stopy międzymetaliczne wydają się mieć jednorodną strukturę krystaliczną, ale zachowują się niejednorodnie, stając się twarde i nieco kruche.
W 1906 r. Alfred Wilm odkrył stopy utwardzane wydzieleniowo . Stopy utwardzane przez wytrącanie, takie jak niektóre stopy aluminium , tytanu i miedzi, są stopami do obróbki cieplnej, które miękną po hartowaniu (szybkie schłodzenie), a następnie twardnieją z czasem. Wilm szukał sposobu na utwardzenie stopów aluminium do wykorzystania w łuskach nabojów do karabinów maszynowych. Wiedząc, że stopy aluminium i miedzi można do pewnego stopnia poddać obróbce cieplnej, Wilm próbował hartować trójskładnikowy stop aluminium, miedzi i dodatku magnezu , ale początkowo był rozczarowany wynikami. Jednak kiedy Wilm ponownie przetestował go następnego dnia, odkrył, że twardość stopu wzrosła, gdy pozostawiono go do starzenia w temperaturze pokojowej, co znacznie przekroczyło jego oczekiwania. Chociaż wyjaśnienie tego zjawiska nie zostało podane aż do 1919 r., duraluminium było jednym z pierwszych stosowanych stopów „utwardzonych starzeniem”, stając się głównym materiałem budowlanym pierwszych Zeppelinów , a wkrótce po nim pojawiło się wiele innych. Ponieważ często wykazują połączenie wysokiej wytrzymałości i niskiej wagi, stopy te stały się szeroko stosowane w wielu formach przemysłu, w tym w budowie nowoczesnych samolotów .
Mechanizmy
Kiedy stopiony metal jest mieszany z inną substancją, istnieją dwa mechanizmy, które mogą spowodować utworzenie stopu, zwane wymianą atomową i mechanizmem śródmiąższowym . Względny rozmiar każdego elementu w mieszance odgrywa główną rolę w określaniu, który mechanizm wystąpi. Kiedy atomy są stosunkowo podobne pod względem wielkości, zwykle ma miejsce metoda wymiany atomów, w której niektóre atomy tworzące kryształy metaliczne są zastępowane atomami drugiego składnika. Nazywa się to stopem zastępczym . Przykłady stopów zastępczych obejmują brąz i mosiądz , w których niektóre atomy miedzi są zastąpione odpowiednio atomami cyny lub cynku.
W przypadku mechanizmu śródmiąższowego jeden atom jest zwykle znacznie mniejszy od drugiego i nie może z powodzeniem zastąpić innego typu atomu w kryształach metalu nieszlachetnego. Zamiast tego mniejsze atomy zostają uwięzione w miejscach międzywęzłowych między atomami matrycy krystalicznej. Nazywa się to stopem śródmiąższowym . Stal jest przykładem stopu śródmiąższowego, ponieważ bardzo małe atomy węgla mieszczą się w szczelinach osnowy żelaza.
Stal nierdzewna jest przykładem połączenia stopów śródmiąższowych i substytucyjnych, ponieważ atomy węgla mieszczą się w szczelinach, ale część atomów żelaza jest zastąpiona atomami niklu i chromu.
Historia i przykłady
Żelazo meteorytowe
Stosowanie stopów przez ludzi rozpoczęło się od żelaza meteorytowego , naturalnie występującego stopu niklu i żelaza . Jest głównym składnikiem meteorytów żelaznych . Ponieważ do oddzielenia żelaza od niklu nie zastosowano żadnych procesów metalurgicznych, stop został użyty w takiej postaci, w jakiej był. Żelazo meteorytowe można było wykuć z czerwonego żaru, aby tworzyć przedmioty, takie jak narzędzia, broń i gwoździe. W wielu kulturach był kształtowany przez wbijanie na zimno noży i grotów strzał. Często służyły jako kowadła. Żelazo meteorytowe było bardzo rzadkie i cenne oraz trudne w obróbce dla starożytnych ludzi .
Brąz i mosiądz
Żelazo występuje zwykle w postaci rudy żelaza na Ziemi, z wyjątkiem jednego złoża rodzimego żelaza na Grenlandii , z którego korzystali Eskimosi . Rodzima miedź została jednak znaleziona na całym świecie, wraz ze srebrem , złotem i platyną , które były również używane do wyrobu narzędzi, biżuterii i innych przedmiotów od czasów neolitu. Miedź była najtwardszym z tych metali i najbardziej rozpowszechnionym. Stał się jednym z najważniejszych metali dla starożytnych. Około 10 000 lat temu na wyżynach Anatolii (Turcja) ludzie nauczyli się wytapiać metale, takie jak miedź i cyna , z rudy . Około 2500 pne ludzie zaczęli łączyć dwa metale, aby uzyskać brąz , który był znacznie twardszy niż jego składniki. Cyna była jednak rzadkością i znajdowała się głównie w Wielkiej Brytanii. Na Bliskim Wschodzie ludzie zaczęli łączyć miedź z cynkiem , aby uzyskać mosiądz . Starożytne cywilizacje brały pod uwagę mieszaninę i różne właściwości, które wytwarzała, takie jak twardość , wytrzymałość i temperatura topnienia , w różnych warunkach temperatury i hartowania , rozwijając wiele informacji zawartych we współczesnych diagramach fazowych stopów . Na przykład groty strzał z chińskiej dynastii Qin (około 200 rpne) były często konstruowane z twardym grotem z brązu, ale z bardziej miękkim trzpieniem z brązu, łącząc stopy, aby zapobiec zarówno matowieniu, jak i pękaniu podczas użytkowania.
Amalgamaty
Rtęć jest wytapiana z cynobru od tysięcy lat. Rtęć rozpuszcza wiele metali, takich jak złoto, srebro i cyna, tworząc amalgamaty (stop w postaci miękkiej pasty lub cieczy w temperaturze otoczenia). Amalgamatów używano w Chinach od 200 roku p.n.e. do szlachetnych przedmiotów, takich jak zbroje i lustra . Starożytni Rzymianie często używali amalgamatów rtęci i cyny do złocenia swoich zbroi. Amalgamat nakładano w postaci pasty, a następnie ogrzewano, aż rtęć odparowała, pozostawiając złoto, srebro lub cynę. Rtęć była często używana w górnictwie do wydobywania metali szlachetnych, takich jak złoto i srebro, z ich rud.
Metale szlachetne
Wiele starożytnych cywilizacji używało stopów metali w celach czysto estetycznych. W starożytnym Egipcie i Mykenach złoto było często stapiane z miedzią w celu uzyskania czerwono-złotego lub żelaza w celu uzyskania jasnego burgundowo-złotego. Złoto było często łączone ze srebrem lub innymi metalami w celu uzyskania różnych rodzajów kolorowego złota . Metale te były również używane do wzajemnego wzmacniania się w bardziej praktycznych celach. Miedź była często dodawana do srebra, aby uzyskać srebro próby 925 , zwiększając jego wytrzymałość do stosowania w naczyniach, sztućcach i innych praktycznych przedmiotach. Dość często metale szlachetne były dodawane do mniej wartościowych substancji, aby oszukać kupujących. Około 250 rpne Archimedes otrzymał od króla Syrakuz zlecenie znalezienia sposobu na sprawdzenie czystości złota w koronie, co doprowadziło do słynnego okrzyku „Eureka!” w łaźni! po odkryciu zasady Archimedesa .
Stop cyny z ołowiem
Termin cyna obejmuje różne stopy składające się głównie z cyny. Jako czysty metal, cyna jest zbyt miękka, aby można ją było używać do większości praktycznych celów. Jednak w epoce brązu cyna była rzadkim metalem w wielu częściach Europy i basenu Morza Śródziemnego, dlatego często była ceniona wyżej niż złoto. Aby zrobić biżuterię, sztućce lub inne przedmioty z cyny, robotnicy zwykle stopili ją z innymi metalami, aby zwiększyć wytrzymałość i twardość. Tymi metalami były zazwyczaj ołów , antymon , bizmut lub miedź. Te substancje rozpuszczone były czasami dodawane pojedynczo w różnych ilościach lub łączone razem, tworząc szeroką gamę przedmiotów, od przedmiotów praktycznych, takich jak naczynia, narzędzia chirurgiczne, świeczniki lub lejki, po przedmioty dekoracyjne, takie jak kolczyki i spinki do włosów.
Najwcześniejsze przykłady cyny pochodzą ze starożytnego Egiptu, około 1450 roku pne. Cyna z ołowiem była szeroko rozpowszechniona w całej Europie, od Francji po Norwegię i Wielką Brytanię (gdzie wydobywano większość starożytnej cyny) po Bliski Wschód. Stop był również używany w Chinach i na Dalekim Wschodzie, docierając do Japonii około 800 rne, gdzie był używany do wyrobu przedmiotów takich jak ceremonialne naczynia, puszki na herbatę czy kielichy używane w świątyniach shinto .
Żelazo
Pierwsze znane wytapianie żelaza rozpoczęło się w Anatolii około 1800 roku pne. Nazywany procesem Bloomery , wytwarzał bardzo miękkie , ale sferoidalne żelazo . Do 800 roku pne technologia wytwarzania żelaza rozprzestrzeniła się na Europę, docierając do Japonii około 700 roku naszej ery. Surówka , bardzo twardy, ale kruchy stop żelaza i węgla , była produkowana w Chinach już w 1200 rpne, ale dotarła do Europy dopiero w średniowieczu. Surówka ma niższą temperaturę topnienia niż żelazo i była używana do produkcji żeliwa . Jednak metale te nie miały praktycznego zastosowania aż do wprowadzenia stali tyglowej około 300 rpne. Stale te były złej jakości, a wprowadzenie spawania wzorcowego około I wieku naszej ery miało na celu zrównoważenie ekstremalnych właściwości stopów poprzez ich laminowanie w celu uzyskania twardszego metalu. Około 700 roku ne Japończycy zaczęli składać naprzemienne warstwy stali i żeliwa, aby zwiększyć wytrzymałość swoich mieczy, używając topników glinianych do usuwania żużla i zanieczyszczeń. Ta metoda japońskiego kowalstwa dała jeden z najczystszych stopów stali starożytnego świata.
Podczas gdy użycie żelaza zaczęło się upowszechniać około 1200 roku pne, głównie z powodu przerw w szlakach handlowych cyny, metal był znacznie bardziej miękki niż brąz. Jednak bardzo małe ilości stali (stopu żelaza i około 1% węgla) były zawsze produktem ubocznym procesu dymu. Możliwość modyfikowania twardości stali poprzez obróbkę cieplną była znana od 1100 roku p.n.e., a rzadki materiał był ceniony do wyrobu narzędzi i broni. Ponieważ starożytni nie byli w stanie wytworzyć temperatur wystarczająco wysokich, aby całkowicie stopić żelazo, produkcja stali w przyzwoitych ilościach nie miała miejsca aż do wprowadzenia stali pęcherzowej w średniowieczu. Ta metoda wprowadziła węgiel poprzez ogrzewanie kutego żelaza w węglu drzewnym przez długi czas, ale wchłanianie węgla w ten sposób jest bardzo powolne, więc penetracja nie była bardzo głęboka, więc stop nie był jednorodny. W 1740 roku Benjamin Huntsman zaczął topić stal pęcherzową w tyglu, aby wyrównać zawartość węgla, tworząc pierwszy proces masowej produkcji stali narzędziowej . Proces Huntsmana był używany do produkcji stali narzędziowej do początku XX wieku.
Wprowadzenie wielkiego pieca do Europy w średniowieczu oznaczało, że ludzie mogli produkować surówkę w znacznie większych ilościach niż żelazo kute. Ponieważ surówkę można było stopić, ludzie zaczęli opracowywać procesy redukcji węgla w płynnej surówce w celu wytworzenia stali. Pudding był używany w Chinach od pierwszego wieku i został wprowadzony do Europy w XVIII wieku, gdzie stopiona surówka była mieszana pod wpływem powietrza, aby usunąć węgiel przez utlenianie . W 1858 roku Henry Bessemer opracował proces wytwarzania stali poprzez wdmuchiwanie gorącego powietrza przez płynną surówkę w celu zmniejszenia zawartości węgla. Proces Bessemera doprowadził do pierwszej produkcji stali na dużą skalę.
Stal jest stopem żelaza i węgla, ale termin stal stopowa zwykle odnosi się tylko do stali, które zawierają inne pierwiastki, takie jak wanad , molibden lub kobalt , w ilościach wystarczających do zmiany właściwości stali bazowej. Od czasów starożytnych, kiedy stal była używana głównie do produkcji narzędzi i broni, metody produkcji i obróbki metalu były często ściśle strzeżonymi tajemnicami. Nawet długo po Wieku Rozsądku przemysł stalowy był bardzo konkurencyjny, a producenci dokładali wszelkich starań, aby zachować poufność swoich procesów, opierając się wszelkim próbom naukowej analizy materiału z obawy, że ujawni ich metody. Na przykład mieszkańcy Sheffield , centrum produkcji stali w Anglii, byli znani z rutynowego blokowania gościom i turystom wstępu do miasta, aby powstrzymać szpiegostwo przemysłowe . Tak więc do 1860 r. nie istniały prawie żadne informacje metalurgiczne na temat stali. Z powodu tego braku zrozumienia stal nie była powszechnie uważana za stop aż do dziesięcioleci między 1930 a 1970 r. (głównie dzięki pracom naukowców takich jak William Chandler Roberts-Austen , Adolf Martens i Edgar Bain ), więc „stal stopowa” stała się popularnym określeniem dla trójskładnikowych i czwartorzędowych stopów stali.
Po tym, jak Benjamin Huntsman opracował swoją stal tyglową w 1740 r., Zaczął eksperymentować z dodatkiem pierwiastków, takich jak mangan (w postaci surówki o wysokiej zawartości manganu zwanej spiegeleisen ), co pomogło usunąć zanieczyszczenia, takie jak fosfor i tlen; proces przyjęty przez Bessemera i nadal stosowany w nowoczesnych stalach (aczkolwiek w stężeniach na tyle niskich, że nadal można go uważać za stal węglową). Później wiele osób zaczęło bez większych sukcesów eksperymentować z różnymi stopami stali. Jednak w 1882 roku Robert Hadfield , będąc pionierem metalurgii stali, zainteresował się i wyprodukował stal stopową zawierającą około 12% manganu. Nazywany mangalem , wykazywał ekstremalną twardość i wytrzymałość, stając się pierwszą komercyjnie opłacalną stalą stopową. Następnie stworzył stal krzemową , rozpoczynając poszukiwania innych możliwych stopów stali.
Robert Forester Mushet odkrył, że dodanie wolframu do stali może wytworzyć bardzo twardą krawędź, która będzie odporna na utratę twardości w wysokich temperaturach. „Specjalna stal R. Musheta” (RMS) stała się pierwszą stalą szybkotnącą . Stal Musheta została szybko zastąpiona węglika wolframu , opracowaną przez Taylora i White'a w 1900 roku, w której podwoili zawartość wolframu i dodali niewielkie ilości chromu i wanadu, tworząc doskonałą stal do użytku w tokarkach i narzędziach do obróbki skrawaniem. W 1903 roku bracia Wright użyli stali chromowo-niklowej do wykonania wału korbowego do swojego silnika samolotu, podczas gdy w 1908 roku Henry Ford zaczął używać stali wanadowej do części takich jak wały korbowe i zawory w swoim modelu T Ford , ze względu na ich wyższą wytrzymałość i odporność na wysokie temperatury. W 1912 roku huta Krupp w Niemczech opracowała stal nierdzewną, dodając 21% chromu i 7% niklu , produkując pierwszą stal nierdzewną .
Inni
Ze względu na wysoką reaktywność większość metali została odkryta dopiero w XIX wieku. Metoda ekstrakcji aluminium z boksytu została zaproponowana przez Humphry'ego Davy'ego w 1807 roku przy użyciu łuku elektrycznego . Chociaż jego próby zakończyły się niepowodzeniem, już w 1855 roku na rynek trafiła pierwsza sprzedaż czystego aluminium. Ponieważ jednak metalurgia ekstrakcyjna była jeszcze w powijakach, większość procesów ekstrakcji aluminium wytwarzała niezamierzone stopy zanieczyszczone innymi pierwiastkami znajdującymi się w rudzie; z których najobficiej występowała miedź. Te stopy aluminiowo-miedziowe (w tamtym czasie nazywane „brązem aluminiowym”) poprzedzały czyste aluminium, oferując większą wytrzymałość i twardość w porównaniu z miękkim, czystym metalem i stwierdzono, że w niewielkim stopniu nadają się do obróbki cieplnej. Jednak ze względu na ich miękkość i ograniczoną hartowność stopy te miały niewielkie zastosowanie praktyczne i były raczej nowością, dopóki bracia Wright nie użyli stopu aluminium do skonstruowania pierwszego silnika samolotu w 1903 r. W latach 1865–1910 procesy odkryto wydobywanie wielu innych metali, takich jak chrom, wanad, wolfram, iryd , kobalt i molibden , i opracowano różne stopy.
Przed rokiem 1910 badania obejmowały głównie osoby prywatne majstrujące we własnych laboratoriach. Jednak wraz z rozwojem przemysłu lotniczego i samochodowego badania nad stopami stały się wysiłkiem przemysłowym w latach następujących po 1910 r., Kiedy opracowano nowe stopy magnezu na tłoki i koła w samochodach, metal garnkowy na dźwignie i gałki oraz stopy aluminium opracowane do do użytku oddano płatowce i poszycia samolotów .
Zobacz też
Bibliografia
- Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Żelazo i stal w starożytności . Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0 .
Linki zewnętrzne
- Roberts-Austen, William Chandler ; Neville, Franciszek Henryk (1911). . Encyclopædia Britannica (wyd. 11).
- . Amerykańska Cyclopædia . 1879.
| Biblioteki Narodowe | |
|---|---|
| Inny | |
