Aço

O cabo de aço de um mina de carvão torre do enrolamento

O aço é uma liga de ferro e outros elementos, incluindo o carbono . Quando o carbono é o principal elemento de liga, o seu conteúdo, para o aço situa-se entre 0,002% e 2,1% em peso. Os seguintes elementos estão sempre presentes no aço de carbono, manganês , fósforo , enxofre , silício , e vestígios de oxigénio , azoto e alumínio . Elementos de liga intencionalmente adicionados para modificar as características do aço incluem: manganês, níquel , crómio , molibdénio , boro , titânio , vanádio e nióbio .

Carbono e outros elementos actuar como um agente de endurecimento, evitando luxações no átomo de ferro estrutura de cristal se deslizem entre si. Variando a quantidade de elementos de liga e a forma da sua presença no caso do aço (elementos de soluto, precipitou fase) controla as qualidades, tais como o dureza, ductilidade, e resistência à tracção do aço resultante. Aço com maior teor de carbono pode ser feita mais difícil e mais forte do que o ferro, mas tal aço também é menor dúctil do que o ferro.

Ligas com um átomo de carbono superior a 2,1% (dependendo do outro conteúdo de elemento e, possivelmente, no processamento) são conhecidos como ferro fundido. Eles porque eles não são maleáveis, mesmo quando quente, eles podem ser só funcionou por fundição, e têm menor ponto de fusão e boa castability. Aço também é distinguível de ferro forjado, que pode conter uma pequena quantidade de carbono, mas que é incluída na forma de escória inclusões.

Apesar de aço tinha sido produzido em uma forja de ferreiro por milhares de anos, a sua utilização tornou-se mais extensa depois de métodos de produção mais eficientes foram criados no século 17. Com a invenção do Processo de Bessemer em meados do século 19, tornou-se um barato aço Material produzido em massa. Refinamentos no processo, tais como siderurgia oxigénio básico (BOS), reduzido o custo de produção, aumentando a qualidade do metal. Hoje, o aço é um dos materiais mais comuns no mundo, com mais de 1,3 bilhão de toneladas produzidas anualmente. Ele é um componente importante em edifícios, infra-estrutura, ferramentas, navios, automóveis , máquinas, aparelhos, e armas. Aço moderna é geralmente identificada por vários graus definidos pela sortidas organizações de padrões.

As propriedades dos materiais

Ferro-carbono diagrama de fase, mostrando as condições necessárias para formar diferentes fases.

O ferro é encontrado na terra da crosta apenas sob a forma de um minério, normalmente um óxido de ferro, tal como magnetita, hematite etc ferro é extraído minério de ferro através da remoção do oxigênio e combinando o minério com um parceiro preferido química, tais como carbono. Este processo, conhecido como fundição, foi aplicada pela primeira vez para os metais com menor os pontos de fusão, tais como estanho , que funde a aproximadamente 250 ° C (482 ° F) e cobre , que funde a cerca de 1100 ° C (2010 ° F). Em comparação, ferro fundido funde a cerca de 1375 ° C (2507 ° F). Pequenas quantidades de ferro fundido foram nos tempos antigos, no estado sólido, através do aquecimento do minério enterrado em um fogo de carvão e de soldadura do metal junto com um martelo, espremendo para fora as impurezas. Com cuidado, o conteúdo de carbono poderia ser controlado por movê-lo no fogo.

Todas estas temperaturas pode ser alcançado com os métodos antigos que foram usadas desde a Idade do Bronze . Como a taxa de oxidação do ferro aumenta rapidamente para além de 800 ° C (1470 ° F), é importante que a fundição ocorrem em um ambiente de baixo oxigênio. Ao contrário de cobre e estanho, líquido ou sólido de ferro dissolve carbono muito facilmente. Resultados de fundição em uma liga ( ferro gusa) que contém muito carbono a ser chamado de aço. O excesso de carbono e outras impurezas são removidas num passo subsequente.

Outros materiais são frequentemente adicionados à mistura de ferro / carbono para a produção de aço com propriedades desejadas. níquel e manganês em aço adicionar à sua resistência à tracção e tornar o forma de austenite da solução de ferro-carbono mais estável, de crómio aumenta a dureza e a temperatura de fusão, e de vanádio , também aumenta a dureza, enquanto reduz os efeitos de fadiga de metal.

Para inibir a corrosão, pelo menos 11% de crómio é adicionado ao aço de modo a que um disco formas de óxido sobre a superfície do metal; isto é conhecido como aço inoxidável. Tungsténio interfere com a formação de cementite, permitindo martensita para formar preferencialmente a taxas mais lentas de têmpera, resultando em aço de alta velocidade. Por outro lado, enxofre, azoto , e fósforo fazer aço mais frágil, de forma que estes elementos normalmente encontrados deve ser removido a partir do minério durante o processamento.

A densidade do aço varia de acordo com os componentes de liga, mas geralmente varia entre 7750 e 8050 kg / m ³ (484 e 503 £ / cu ft), ou 7,75 e 8,05 g / ^cm3 (4,48 e 4,65 onças / cu em).

Mesmo na gama estreita de concentrações que compõem aço, misturas de ferro e de carbono podem formar um número de estruturas diferentes, com propriedades muito diferentes. Compreender tais propriedades é essencial para a produção de aço de qualidade. Em temperatura ambiente, a forma mais estável de ferro é a de corpo centrado cúbico (BCC) estrutura α- de ferrite. É um metal relativamente macio que pode dissolver apenas uma pequena concentração de carbono, não mais do que 0,021% em peso a 723 ° C (1333 ° F), e apenas 0,005%, a 0 ° C (32 ° F). Se o aço contém mais de 0,021% de carbono a temperaturas de produção de aço se transforma em um cúbico (FCC) estrutura de face centrada, chamado austenita ou ferro-γ. Também é macio e metálico, mas pode dissolver consideravelmente mais carbono, tanto quanto 2,1% de carbono a 1148 ° C (2098 ° F), o que reflecte o teor de carbono superior de aço.

No caso dos aços com menos de 0,8% de carbono, conhecida como um aço hypoeutectoid são arrefecidos, o fase austenítica da mistura tentativas para reverter para a fase de ferrite, o que resulta em um excesso de carbono. Uma forma de carbono para deixar o austenita é para que precipitar a partir da solução como cementite, deixando para trás do ferro que é suficientemente baixo em carbono para assumir a forma de ferrite, o que resulta numa matriz de ferrite com inclusões cementita. Cementite é um duro e quebradiço composto intermetálico com a fórmula química de Fe ₃ C. No eutetóide, 0,8% de carbono, arrefeceu-se a estrutura tem a forma de perlita, chamado por sua semelhança com madrepérola. Para os aços que têm mais do que 0,8% de carbono a estrutura arrefecida toma a forma de perlite e cementite.

Talvez o mais importante forma polimórfica de aço é martensita, uma fase metastável que é significativamente mais forte do que outras fases de aço. Quando o aço é numa fase austenítica e depois extinguiu-se rapidamente, ela forma em martensita, como o átomos de "congelar" em vigor quando a estrutura da célula muda de FCC para CBC. Dependendo do teor de carbono na fase martensítica assume diversas formas. Abaixo de aproximadamente 0,2% de carbono leva uma ferrite forma de cristal BCC α, mas pelo maior teor de carbono é preciso um tetragonal (BCT) estrutura de corpo centrado. Não há nenhuma térmica energia de ativação para a transformação de austenite em martensite. Além disso, não há nenhuma mudança de composição de modo que os átomos geralmente mantêm os seus mesmos vizinhos.

Martensite tem uma densidade mais baixa do que faz austenita, para que a transformação entre elas resulta numa alteração de volume. Neste caso, ocorre a expansão. Tensões internas deste expansão geralmente tomam a forma de compressão sobre os cristais de martensite e tensão na ferrite restante, com uma quantidade razoável de cisalhamento em ambos os constituintes. Se têmpera é feito de forma inadequada, as tensões internas podem causar uma parte para quebrar enquanto esfria. No mínimo, eles causam interno encruamento e outras imperfeições microscópicas. É comum que as fissuras de têmpera para formar quando o aço é água temperada, embora possam não ser sempre visíveis.

Tratamento térmico

Existem muitos tipos de aquecer o tratamento de processos disponíveis para o aço. Os mais comuns são recozimento e têmpera e têmpera. O recozimento é o processo de aquecimento do aço a uma temperatura suficientemente alta para amolecer. Este processo ocorre através de três fases: recuperação, recristalização, e crescimento de grãos. A temperatura necessária para emparelhar aço depende do tipo de recozimento e os componentes da liga.

Têmpera e têmpera primeira envolver o aquecimento do aço na fase de austenite, depois extingue-o em água ou óleo. Esta rápida resultados de refrigeração em uma estrutura martensítica duro e quebradiço. O aço é então temperado, que é apenas um tipo especializado de recozimento. Nesta aplicação, o processo de recozimento (têmpera) transforma alguma da martensite em cementite, ou spheroidite para reduzir as tensões internas e defeitos, que em última análise resulta em uma mais dúctil e fratura resistente metal.

A produção de aço

Pelotas de minério de ferro para a produção de aço.

Quando o ferro é fundido a partir do seu minério por processos comerciais, que contém mais carbono do que é desejável. Para tornar o aço, deve ser derretida e reprocessados para reduzir o carbono a a quantidade correcta, na qual podem ser adicionados outros elementos pontuais. Este líquido é então fundido continuamente em lajes ou longos lançada lingotes. Cerca de 96% do aço é fundido continuamente, enquanto apenas 4% é produzido como lingotes.

As pastilhas são em seguida aquecida num poço de imersão e laminadas a quente em chapas, flores, ou tarugos. Lajes são quentes ou laminadas a frio em folha de metal ou de placas. Tarugos são quente ou frio demais em barras, e fio. As flores são muito quente ou fria rolado em aço estrutural, tais como I-vigas e rails. Em siderúrgicas modernas estes processos ocorrem frequentemente em uma linha de montagem, com o minério entrando e saindo aço acabado. Às vezes, depois de laminagem final do aço é tratado termicamente para a força, no entanto, isso é relativamente raro.

História da siderurgia

Fundição Bloomery durante os Idade Média .

Aço antigo

Aço era conhecido na antiguidade, e pode ter sido produzido por gerir bloomeries ou instalações de fundição de ferro-, em que a flor contidas carbono.

A mais antiga conhecida a produção de aço é um pedaço de ferragens escavado a partir de uma sítio arqueológico em Anatolia ( Kaman-Kalehoyuk) e é cerca de 4.000 anos de idade. Outro antigo aço vem da África Oriental , que remonta a 1400 aC. Nos 4 armas de aço século BC como o Falcata foram produzidos no Península Ibérica, enquanto Noric aço foi usado pelo Militar romano.

Aço foi produzido em grandes quantidades em Sparta em torno 650BC.

Os chineses da Reinos Combatentes (403-221 aC) tinha saciar-aço temperado, enquanto chinês do Dinastia Han (202 aC - 220 dC), criado aço pela fusão de ferro forjado, juntamente com ferro fundido, ganhando um produto final de um aço-carbono intermediário por volta do século 1 dC. O Haya povo da África Oriental inventou um tipo de alto-forno de alto calor que usado para fazer aço carbono em 1802 ° C (3276 ° F) cerca de 2.000 anos atrás.

Wootz aço e aço Damasco

Evidência da primeira produção de aço carbono de alta no Subcontinente Indiano foi encontrado em Área Samanalawewa no Sri Lanka . Wootz aço foi produzido em India por cerca de 300 aC. No entanto, o aço era uma tecnologia antiga na Índia, quando Rei Porus apresentada uma espada de aço ao Imperador Alexandre em 326 aC. A tecnologia do aço, obviamente existia antes de 326 aC como o aço estava sendo exportada para o mundo árabe naquele momento. Desde que a tecnologia foi adquirida a partir das Tamilians do sul da Índia, a origem da tecnologia do aço na Índia pode ser conservadoramente estimadas em 400-500 aC.

Junto com seus métodos originais de aço forjado, os chineses também havia adotado os métodos de produção de criação Aço Wootz, uma ideia importada para China da Índia pelo século 5 dC. No Sri Lanka, este método de produção de aço no início empregou um forno de vento original, impulsionado pelos ventos de monção, capaz de produzir aço de alto carbono.

Também conhecida como aço Damasco , wootz é famoso pela sua durabilidade e capacidade de manter uma borda. Foi originalmente criado a partir de um número de diferentes materiais, incluindo vários oligoelementos. Foi essencialmente uma liga complicada com ferro como seu principal componente. Estudos recentes têm sugerido que nanotubos de carbono foram incluídos na sua estrutura, o que pode explicar algumas de suas qualidades lendárias, embora tendo em conta a tecnologia disponível naquele tempo, eles foram produzidos por acaso do que por design. Vento natural foi utilizado onde o solo contendo ferro foi aquecido pela utilização de madeira. O cingalesa antiga conseguiu extrair uma tonelada de aço para cada 2 toneladas de solo, um feito notável na época. Um desses forno foi encontrado em Samanalawewa e arqueólogos foram capazes de produzir aço como os antigos faziam.

Cadinho de aço, formou-se lentamente por aquecimento e arrefecimento de ferro puro e de carbono (tipicamente sob a forma de carvão vegetal) num cadinho, foi produzido em Merv pelo 9º ao século 10. No século 11, há evidências da produção de aço na China Canção utilizando duas técnicas: um método "berganesque" que produziu inferior, de aço não homogênea e um precursor do processo de Bessemer moderna que usadas descarbonização parcial via forjamento repetido ao abrigo de um explosão fria.

Siderurgia moderna

Um conversor Bessemer em Sheffield , Inglaterra

Desde o século 17 o primeiro passo na produção de aço Europeia tem sido a fundição do minério de ferro em ferro-gusa em um alto-forno. Originalmente usando carvão vegetal, métodos modernos usam coque, que tem se mostrado mais econômico.

Processos a partir de barra de ferro

Nestes processos de ferro-gusa foi "multado" em um finery forja para produzir ferro bar (ferro forjado), que foi então utilizado na produção de aço.

A produção de aço pela processo de cimentação foi descrito em um tratado publicada em Praga em 1574 e estava em uso na Nuremberg a partir de 1601. Um processo semelhante para cementação armadura e arquivos foi descrito em um livro publicado em Nápoles, em 1589. O processo foi introduzido na Inglaterra por volta de 1614 e utilizada para produzir tais aço por Sir Basil Brooke em Coalbrookdale durante os 1610s.

A matéria-prima para este processo foram barras de ferro forjado. Durante o século 17 se percebeu que o melhor aço veio de oregrounds ferro de uma região do norte de Estocolmo , Suécia . Este foi ainda o matéria prima fonte habitual no século 19, quase tanto tempo quanto o processo foi utilizado.

Cadinho de aço é de aço que tenha sido fundido num cadinho, em vez de ter sido forjadas, com o resultado de que é mais homogénea. A maioria dos fornos anteriores não poderia alcançar temperaturas altas o suficiente para derreter o aço. A indústria do aço cadinho cedo moderno resultou da invenção de Benjamin Huntsman na década de 1740. Aço blister (preparado como acima) foi fundida num cadinho ou num forno, e fundido (normalmente) em lingotes.

Processos a partir de ferro-gusa

Um forno de aço Siemens-Martin do Brandenburg Museum of Industry.

White-quente de aço derramamento do forno elétrico a arco.

A era moderna em siderurgia começou com a introdução de Henry Bessemer de Processo de Bessemer em 1858, a matéria-prima para o qual foi ferro-gusa. Seu método deixá-lo produzir aço em grandes quantidades barato, portanto, aço-carbono chegou a ser usado para a maioria dos fins para os quais ferro forjado foi usado anteriormente. O processo Gilchrist-Thomas (ou processo básico Bessemer) foi uma melhoria ao processo Thomas, feita alinhando o conversor com um materiais de base para remover o fósforo. Outra melhoria na produção de aço era a Processo Siemens-Martin, que complementa o processo de Bessemer.

Estes métodos de produção de aço tornaram-se obsoletas pelo processo de Linz-Donawitz aciaria de oxigénio (BOS), desenvolvido na década de 1950, e outros métodos de produção de aço de oxigênio. Aciaria de oxigénio é superior aos métodos anteriores de produção de aço porque o oxigênio bombeado para os limites de impurezas do forno, que anteriormente haviam entrado do ar usado. Hoje em dia, fornos de arco elétrico (EAF) são um método comum de reprocessamento sucata de metal para criar novo aço. Eles também podem ser usados para a conversão de ferro-gusa para o aço, mas eles usam uma grande quantidade de eletricidade (cerca de 440 kWh por tonelada métrica), e são, portanto, geralmente só econômico quando há uma oferta abundante de energia barata.

Indústria siderúrgica

A produção de aço por país em 2007

A planta de aço no Reino Unido .

É comum hoje para falar sobre "a indústria do ferro e do aço", como se fosse uma única entidade, mas historicamente eram produtos separados. A indústria do aço é muitas vezes considerado um indicador de progresso econômico, por causa do papel crítico desempenhado por aço em infra-estrutural e global desenvolvimento econômico.

Em 1980, havia mais de 500 mil metalúrgicos dos EUA. Em 2000, o número de trabalhadores siderúrgicos caíram para 224.000.

O boom económico na China e na Índia causou um grande aumento na demanda por aço nos últimos anos. Entre 2000 e 2005, a demanda mundial de aço aumentou 6%. Desde 2000, várias empresas siderúrgicas indianas e chinesas ganharam notoriedade como Tata Steel (que comprou Grupo Corus em 2007), Shanghai Baosteel Group Corporation e Grupo Shagang. ArcelorMittal é no entanto o mundo maior produtora de aço.

Em 2005, o Britânico Geological Survey afirmou a China foi o produtor de aço topo com cerca de um terço da quota mundial; Japão, Rússia e os EUA, seguido respectivamente.

Em 2008, começou aço negociação como uma mercadoria no London Metal Exchange. No final de 2008, a indústria do aço se uma quebra acentuada que levou a muitas cut-backs.

A indústria mundial de aço atingiu o pico em 2007. Naquele ano, a ThyssenKrupp gastou US $ 12 bilhões a construir as duas usinas mais modernas do mundo, no Alabama e no Brasil. A grande recessão mundial a partir de 2008, porém, com seus cortes pesados em construção, reduziu drasticamente a demanda e os preços caíram. ThyssenKrupp perdeu 11.000 milhões dólares em suas duas novas usinas, que vendeu aço abaixo do custo de produção. Finalmente, em 2013, ThyssenKrupp ofereceu as plantas para venda em menos de US $ 4 bilhões.

Reciclagem

Aço Contemporânea

Bethlehem Steel em Bethlehem, Pensilvânia foi um dos maiores fabricantes mundiais de aço antes do seu encerramento 2003 e posterior conversão em um cassino.

Aços modernos são feitas com diferentes combinações de metais de liga para satisfazer diversos fins. Aço de carbono, composto simplesmente de ferro e carbono, é responsável por 90% da produção de aço. Alta resistência aço de baixa liga tem pequenas adições (geralmente <2% em peso) de outros elementos, tipicamente 1,5% de manganês, para fornecer força adicional para um ligeiro aumento dos preços.

Aço de baixa liga está ligado com outros elementos, geralmente molibdénio , manganês, crómio, níquel ou, em quantidades de até 10%, em peso, para melhorar a capacidade de endurecimento de secções espessas. Os aços inoxidáveis e Os aços inoxidáveis cirúrgicos conter um mínimo de 11% de crómio, muitas vezes combinados com o níquel, para resistir à corrosão (oxidação). Alguns aços inoxidáveis, como o Os aços inoxidáveis ferríticos são magnética , enquanto que outros, tais como o austenítico, são nonmagnetic . Aços resistentes à corrosão são abreviados como CRES.

Alguns aços mais modernos incluem aços de ferramentas, que estão ligados com grandes quantidades de tungsténio e cobalto ou outros elementos para maximizar solução endurecimento. Isto também permite o uso de endurecimento por precipitação e melhora a resistência à temperatura da liga. Aço ferramenta é geralmente usado em eixos, brocas, e outros dispositivos que necessitam de um, de longa duração de ponta afiada. Outras ligas de propósito especial incluem aços de intemperismo, tais como Cor-ten, que o tempo através da aquisição de uma superfície estável, enferrujado, e isso pode ser usado pintados à un.

Existem muitas outras ligas de alta resistência, tal como aço de fase dupla, que é tratado termicamente para conter tanto uma microestrutura ferrítica e martensítica para a força extra. Transformation Induced Plasticity (TRIP) de aço de liga e envolve calor tratamentos especiais para estabilizar quantidades de austenite à temperatura ambiente em baixa liga aços ferríticos normalmente austenita-free. Através da aplicação de tensão ao metal, o austenita sofre uma de transição de fase de martensite sem a adição de calor. Aços maraging é ligado com níquel e outros elementos, mas ao contrário da maioria de aço contém quase nenhum carbono em tudo. Isto cria uma muito forte, mas ainda metal maleável.

Twinning Induced Plasticidade (TWIP) de aço usa um tipo específico de tensão para aumentar a eficácia do trabalho de endurecimento na liga. Eglin aço usa uma combinação de mais de uma dúzia de elementos diferentes em quantidades variáveis para criar um metal relativamente de baixo custo para uso em armas anti-bunker. Aço Hadfield (após Sir Robert Hadfield) ou aço manganês contém 12-14% de manganês que, quando desgastada forma uma pele incrivelmente difícil que resiste vestindo. Exemplos incluem faixas de alças, bordas de lâmina bulldozer e lâminas cortantes na maxilas de vida.

A maioria das ligas de aço mais comumente usados são classificados em vários graus por organizações de padrões. Por exemplo, a Society of Automotive Engineers tem uma série de graus que definem vários tipos de aço. O Sociedade Americana de Testes e Materiais tem um conjunto separado de normas, que definem ligas como A36 aço, o aço estrutural mais utilizado nos Estados Unidos.

Apesar de não ser uma liga, aço galvanizado é comumente usado uma variedade de aço que tem sido quente-mergulhado galvanizado ou em zinco para proteção contra a ferrugem.

Usos

Um rolo de lã de aço

Ferro e aço são amplamente utilizados na construção de estradas, ferrovias, outras infra-estruturas, aparelhos e edifícios. A maioria das grandes estruturas modernas, tais como estádios e arranha-céus, pontes , e aeroportos, são apoiados por um esqueleto de aço. Mesmo aqueles com uma estrutura de concreto empregar aço de reforço. Além disso, vê-lo em uso generalizado os principais aparelhos e carros . Apesar do crescimento no uso de alumínio , ainda é o principal material para carrocerias de automóveis. O aço é utilizado em uma variedade de outros materiais de construção, tais como parafusos, pregos e parafusos .

Outras aplicações comuns incluem construção naval, transporte por conduta, mineração , construção offshore, aeroespacial, produtos de linha branca (por exemplo, máquinas de lavar roupa), equipamento pesado, como tratores, mobiliário de escritório, lã de aço, ferramentas, e armadura em forma de coletes pessoais ou armadura de veículos (mais conhecido como armadura homogênea rolou nesse papel). Aço foi o metal de escolha para escultor Jim Gary e uma escolha frequente para escultura por muitos outros escultores modernos.

Histórico

Um aço carbono faca

Antes da introdução do processo de Bessemer e outras técnicas modernas de produção, o aço era caro e só foi utilizado onde não existia alternativa mais barata, especialmente para a ponta de facas, navalhas, espadas e outros itens em que se impunha, uma borda afiada duro. Também foi usado para molas, incluindo aqueles usados em relógios .

Com o advento da mais rápida e métodos de produção mais cautelosas, o aço tem sido mais fácil de obter e muito mais barato. Ele substituiu ferro forjado para uma infinidade de propósitos. No entanto, a disponibilidade de materiais plásticos na última parte do século 20 permitiu que estes materiais para substituir o aço, em algumas aplicações devido ao seu custo de fabricação mais baixo e de peso. Fibra de Carbono é substituir o aço em alguma aplicação insensível custo, tais como aviões, equipamentos esportivos e veículos de alta gama.

Aços longos

A suspensão pilão de aço linhas eléctricas aéreas

• Como barras de reforço e malha em betão armado
• Trilhos de trem
• Aço estrutural na moderna edifícios e pontes
• Fios
• Entrada para aplicações Reforjando

Aço carbono plano

• Os principais aparelhos
• Núcleos magnéticos
• O corpo dentro e fora de automóveis, trens e navios .

Aço inoxidável

Um aço inoxidável molheira

• Talheres
• Réguas
• Surgical equipamentos
• Relógios de pulso

Aço de baixo-fundo

Aço fabricados após a II Guerra Mundial ficaram contaminados com radionuclidos devido à testes de armas nuclear. Aço de baixo-fundo, de aço fabricados antes de 1945, é usado para certas aplicações sensíveis à radiação, tais como Contadores Geiger e proteção contra radiações.