Doriți să știți cum sunt alcătuite metalele și ce este important în producția de fier? 

Aici puteți afla ce sunt de fapt materialele și de ce este importantă ingineria materialelor. Veți învăța pas cu pas despre structura metalelor, veți vedea cum combinația de atomi formează rețeaua cristalină și cum este creată microstructura din aceasta. De asemenea, veți învăța despre proprietățile metalelor. În cele din urmă, veți parcurge procesul de extracție a fierului și de producție a oțelului și veți vedea ce trebuie avut în vedere.

Subcategorii ale materialului

Materialele pot fi clasificate în metale și nemetale. Oțelul și fonta sunt printre cele mai utilizate materiale la nivel mondial.

Tehnologia materialelor și importanța acesteia

Scopul în care este utilizat un anumit material depinde de proprietățile acestuia. Acestea pot fi împărțite în diferite categorii.

Pentru ca clasificarea materialelor în diferite categorii și proprietăți să fie posibilă, sunt utilizate diverse metode științifice ale ingineriei materialelor.

Ingineria materialelor se ocupă cu extragerea și utilizarea materialelor și examinează diferitele lor proprietăți. Acest lucru permite utilizarea corectă a materialelor, conceperea de noi materiale și îmbunătățirea materialelor existente.

Cunoașterea structurii interne a materialelor este o condiție prealabilă pentru analizarea proprietăților acestora. Numai dacă știți ce componente alcătuiesc un material și cum funcționează acestea puteți obține noi informații pentru dezvoltarea ulterioară.

Metalele sub microscop

Sarcinile pozitive ale atomilor de metal sunt întotdeauna dispuse la distanțe fixe unele de altele și formează rețeaua cristalină. În acest fel, ele eliberează electronii negativi care înconjoară rețeaua cristalină sub forma unui așa-numit nor de electroni. Electronii se pot deplasa liber în nor, dar nu îl pot părăsi.

Atracția sarcinilor pozitive și negative creează o legătură metalică puternică. Acest lucru asigură o coeziune extrem de puternică a atomilor de metal în rețeaua cristalină și, astfel, rezistența metalului.

Rezumatul materialelor

Acum știți că materialele au jucat întotdeauna un rol important și au caracterizat multe epoci și culturi. Ați aflat că materialele pot fi, în general, împărțite în metale și nemetale și pot avea proprietăți diferite. 

Ați mai învățat că tehnologia materialelor este utilizată pentru a studia proprietățile materialelor, astfel încât să poată fi dezvoltate altele noi și îmbunătățite cele existente. În cele din urmă, ați văzut că metalele sunt alcătuite dintr-o microstructură, rețele cristaline și, în cele din urmă, din atomi metalici, a căror compoziție influențează proprietățile metalice.

Structura metalelor

Să aruncăm acum o privire asupra structurii exacte a metalelor și a proprietăților lor. Veți învăța mai întâi cum sunt metalele conducătoare și cum pot fi deformate. Veți învăța despre diferitele tipuri de rețea cristalină și veți vedea ce erori de structură de rețea pot apărea. Apoi veți examina mai îndeaproape microstructura metalelor și veți afla ce se întâmplă de fapt într-un aliaj. În cele din urmă, veți afla ce tipuri de aliaje există și cum să citiți diagramele de stare corespunzătoare.  

Conductivitatea metalelor

Metalele sunt conductoare și, prin urmare, sunt utilizate în diverse scopuri în viața de zi cu zi. Structura rețelei cristaline facilitează înțelegerea conductivității electrice.

Deformarea metalelor

În plus față de conductivitatea lor electrică, metalele sunt și maleabile. În acest proces, ele se deformează elastic sau plastic.

Să ne uităm din nou la nivelul atomic din rețeaua cristalină. La aplicarea unei forțe asupra tablei, atomii de metal sunt ușor deplasați din pozițiile lor din rețea, dar revin apoi la locul inițial. Cu toate acestea, în cazul unei tije de plumb, poziția deplasată în rețeaua cristalină rămâne după aplicarea forței și formează astfel o deformare permanentă.

Cele mai importante trei tipuri de rețea cristalină

STRUCTURĂ CUBICĂ CU VOLUM CENTRAT (BCC) 

Cubul are un atom de metal în centru, care este închis. Deoarece este doar slab compact, nu există o succesiune de straturi. 

O cantitate relativ mare de spațiu între atomi permite încorporarea de atomi străini suplimentari. 

STRUCTURĂ CUBICĂ CU FEȚE CENTRATE (FCC) 

Cubul este format dintr-un total de 8 atomi în colțurile cubului și un atom în centrul fiecărei laturi. 

Atomii sunt aranjați în trei straturi (ABC) și formează astfel un bloc sferic extrem de compact. 

O succesiune de straturi perturbată duce la defecte de suprapunere, în care pot fi încorporate elemente de aliere. Acest lucru duce la alte proprietăți. 

COMPACTAT HEXAGONAL (HDP) 

Atomii de metal sunt dispuși într-o prismă hexagonală, cu câte un atom în centrul fiecărei baze. 3 atomi sunt în interiorul prismei. 

Succesiunea de straturi este ABA și formează astfel cea mai densă împachetare sferică. 

Lacunele mari ale rețelei oferă spațiu pentru atomii străini. 

Mai puțin formabile la rece decât metalele cu rețea CCF. 

Eroare de construcție a rețelei

Metalele nu sunt cristale ideale, ci au defecte de rețea. În funcție de tipul și dimensiunea lor, defectele rețelei pot fi atribuite la trei dimensiuni. Prima dimensiune este reprezentată de erorile zero-dimensionale. Acestea corespund unui punct al rețelei și pot fi subdivizate în continuare.

Erorile zero-dimensionale nu au, în general, efecte negative asupra proprietăților materialelor metalice, ci chiar permit tratamente termice importante.

Erori unidimensionale

Există, de asemenea, erori unidimensionale, cunoscute și sub denumirea de erori de linie. Dacă o jumătate de plan este introdusă în rețeaua cristalină regulată, linia este perturbată și se formează o dislocare în trepte. Dislocările sunt mobile și, prin urmare, sunt cauza deformabilității plastice a metalelor.

Erori bidimensionale 

Erorile bidimensionale rezultă în erori de stivuire în secvența de straturi regulate. Defecțiunile de stivuire sunt cauzate de cristalizare sau de prăbușirea unui grup de goluri. Defectele bidimensionale ale rețelei au o influență asupra rezistenței la tracțiune a unui metal. 

Microstructură

Ați învățat deja că metalele sunt formate din numeroase granule de formă regulată, care formează împreună microstructura. Microstructura nu poate fi recunoscută cu ochiul liber. Cu toate acestea, microstructura poate fi vizualizată la un microscop metalic folosind o micrografie metalografică. 

Micrografia arată dimensiunea și limitele granulelor unui metal. Granulația variază de la granulație fină la granulație grosieră și poate fi ajustată prin tratament direcționat. Limitele granulelor prezintă întreruperi în aranjamentul atomic al granulelor și se numără printre defectele de rețea bidimensionale menționate mai sus. Acestea se formează în timpul cristalizării, de exemplu. 

Metalele cu granulație fină au proprietăți mecanice mai bune decât cele cu granulație grosieră, deoarece există mai multe limite ale granulelor. Elementul de înălțare a limitei granulelor îmbunătățește tenacitatea.  Totuși, la temperaturi ridicate apar procese nedorite de fluaj.

Formele granulelor

Pe lângă dimensiunea și limitele comune ale granulelor, există diferite forme de granule în funcție de metal și de tipul rețelei cristaline.

GRANULE GLOBULARE Granule rotunde, de exemplu, fier pur	GRANULE POLIEDRICE  Granule cu formă poligonală, de exemplu, fier cu structură austenită
GRANULE DENDRITICE Granule în formă de ac, de exemplu oțel călit	MICROSTRUCTURĂ LAMELARĂ Cristale lamelare, de exemplu grafit lamelar din fontă cenușie

Diagrame de stare ale aliajelor

Pentru a cerceta și a dezvolta în continuare proprietățile aliajelor, se analizează diagramele lor de stare. În general, diagramele de stare descriu stările agregate ale metalelor pure. În acest scop se utilizează punctul de inflexiune din curba de răcire, respectiv de încălzire. 

În cazul aliajelor, trebuie luate în considerare și temperatura celui de-al doilea metal și raportul de amestec în aliaj. Dacă toate punctele de inflexiune sunt acum transferate și punctele de temperatură sunt conectate, se obține diagrama de stare pentru aliaj. 

Soluțiile solide și amestecurile de cristale au diagrame de stare diferite. Soluțiile solide, cum ar fi cuprul și nichelul, sunt caracterizate de solubilitate completă în stare lichidă și solidă.

Diagrama de stare pentru amestecurile de cristale, cum ar fi plumbul și staniolul, arată diferit. Aceasta este caracterizată prin solubilitate completă în stare lichidă și insolubilitate în stare solidă.

Extragerea fontei brute

În ultima secțiune, vom analiza mai întâi modul în care este extrasă fonta brută și care sunt etapele importante în procesul de extracție. Apoi veți afla mai multe despre diferitele procese utilizate pentru a produce oțel din fontă brută. În final, veți vedea diferitele modalități de post-tratare și de turnare a oțelului. 

După cum ați învățat, oțelul este unul dintre cele mai utilizate materiale din lume. Componenta principală este fierul. Fierul apare în mod natural sub formă de minereu de fier, un compus de fier și oxigen. Pentru a produce oțel, fierul trebuie mai întâi extras prin intermediul unui proces de reducere. 

Două procese de reducere sunt utilizate în procesul de extracție a fontei brute. Aici puteți vedea o prezentare generală a ambelor procese. 

Producția de oțel

După extragerea fontei brute sau a fierului burete solid, se folosesc așa-numitele „procese proaspete” pentru a produce oțelul. Vă puteți imagina ce se întâmplă în timpul procesului de afinare? 

În procesul de purjare cu oxigen , fonta brută topită este introdusă într-un convertizor împreună cu deșeuri de oțel și aditivi. Un tub răcit cu apă suflă oxigen în recipient și determină o reacție chimică cu elementele însoțitoare ale fierului. Carbonul din fonta brută arde, iar varul leagă elementele însoțitoare ale fierului. Oțelul și zgura sunt apoi turnate.

Procedeul cu cuptor cu arc electric este utilizat pentru fabricarea oțelurilor înalt aliate. În acest proces, o cuvă de topire este umplută cu fontă brută și alte componente. Electrozii de carbon sunt coborâți pe umplutură și se aprinde un arc electric. În timpul fazei de topire, carbonul rămas și substanțele însoțitoare sunt arse. Oțelul și zgura sunt apoi turnate.

După producția de oțel, rămân adesea componente nedorite. Pentru a produce oțeluri de calitate, acestea sunt îndepărtate prin post-tratare suplimentară. Aici puteți vedea cele mai importante proceduri și descrierile acestora. Activați procedurile pentru mai multe detalii.