โลหะเหล็ก: โครงสร้างประเภทลักษณะคุณสมบัติและตัวอย่าง

โลหะเฟอร์รัส เป็น โลหะ ที่มีธาตุเหล็ก (Fe) รวมถึงโลหะอื่น ๆ จำนวนเล็กน้อยที่ถูกเติมเข้าไปเพื่อให้คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ต่อโลหะผสมของพวกมัน ถึงแม้ว่าเหล็กจะมีอยู่ในสถานะออกซิเดชันต่าง ๆ, +2 (เหล็ก) และ +3 (เฟอร์ริก) เป็นเรื่องธรรมดาที่สุด

อย่างไรก็ตามคำว่า "เหล็ก" หมายถึงการปรากฏตัวของเหล็กโดยไม่คำนึงถึงสถานะออกซิเดชันของมันในวัสดุ เหล็กเป็นธาตุที่มีมากที่สุดเป็นอันดับสี่ในเปลือกโลก แต่ทั่วโลกเป็นองค์ประกอบหลักของโลก ดังนั้นโลหะเหล็กในอดีตและอุตสาหกรรมจึงมีส่วนร่วมในวิวัฒนาการของมนุษย์

นี่เป็นกรณีที่เกิดขึ้นเนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์และคุณสมบัติที่แก้ไขได้ โลหะเหล็กเหล่านี้เริ่มต้นจากการสกัดเหล็กจากแหล่งแร่วิทยาเช่น hematite (Fe ₂ O ₃ ), magnetite (Fe ₃ O ₄ ) และ siderite (FeCO ₃ ) เนื่องจากผลผลิตออกไซด์เหล่านี้ต้องการมากขึ้นในการแปรรูปเหล็ก

ภาพด้านบนแสดงเหล็กหล่อ "ลิ้นไฟ" โลหะที่เป็นเหล็กทั้งหมดที่สำคัญที่สุดประกอบด้วยโลหะผสมเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย: เหล็ก

โครงสร้าง

เนื่องจากเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักของโลหะเหล็กโครงสร้างของพวกเขาประกอบด้วยการเปลี่ยนรูปผลึกของของแข็งบริสุทธิ์

ดังนั้นโลหะผสมเหล็กเช่นเหล็กจึงไม่มากไปกว่าการรวมตัวกันของอะตอมอื่นในการจัดเรียงผลึกของเหล็ก

ข้อตกลงนี้คืออะไร? เหล็กก่อให้เกิด allotropes (โครงสร้างที่เป็นของแข็งที่แตกต่างกัน) ตามอุณหภูมิที่มันสัมผัสทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ดังนั้นที่อุณหภูมิห้องจะนำเสนออาร์เรย์ bcc หรือที่เรียกว่าอัลฟาเหล็ก (ก้อนด้านซ้ายและด้านบนของภาพ)

อย่างไรก็ตามในช่วงอุณหภูมิสูง (912-1394 (ºC)) การจัดเรียงจะแสดง ccp หรือ fcc: iron-gamma (ลูกบาศก์ทางด้านขวา) เมื่ออุณหภูมิสูงกว่านี้เหล็กจะกลับคืนสู่รูปแบบ bcc เพื่อละลายในที่สุด

การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างอัลฟาแกมมานี้เรียกว่าการแปลงเฟส ช่วงแกมม่าสามารถ“ กักขัง” อะตอมคาร์บอนได้ในขณะที่เฟสอัลฟ่าไม่ได้

ดังนั้นในกรณีของเหล็กโครงสร้างของมันสามารถมองเห็นเป็นชุดของอะตอมเหล็กที่ล้อมรอบอะตอมของคาร์บอน

ด้วยวิธีนี้โครงสร้างของโลหะเหล็กขึ้นอยู่กับการกระจายของเฟสเหล็กและอะตอมของสายพันธุ์อื่น ๆ ในของแข็ง

ลักษณะและคุณสมบัติ

เหล็กบริสุทธิ์เป็นโลหะอ่อนและเหนียวมากมีความไวสูงต่อการกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดชันของปัจจัยภายนอก อย่างไรก็ตามเมื่อมันมีสัดส่วนที่แตกต่างกันของโลหะหรือคาร์บอนอื่นมันจะได้รับคุณสมบัติและคุณสมบัติใหม่

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้โลหะเหล็กมีประโยชน์สำหรับการใช้งานนับไม่ถ้วน

โลหะผสมเหล็กโดยทั่วไปจะมีความทนทานและทนทานสีเทาสดใสและมีคุณสมบัติแม่เหล็ก

ตัวอย่าง

เหล็กดัดหรือหวาน

มีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.03% มันเป็นสีเงินออกซิไดซ์ได้ง่ายและแตกภายใน นอกจากนี้ยังมีความเหนียวและขึ้นรูปเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีและเชื่อมได้ยาก

มันเป็นประเภทของโลหะเหล็กที่มนุษย์ใช้ครั้งแรกในการผลิตอาวุธเครื่องใช้และสิ่งปลูกสร้าง ปัจจุบันใช้ในแผ่นหมุดหมุดขัดแตะ ฯลฯ เนื่องจากเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีจึงถูกใช้ในแกนแม่เหล็กไฟฟ้า

เหล็กในเหล็กหยาบหรือเหล็กหล่อ

ในผลิตภัณฑ์เริ่มต้นของเตาหลอมระเบิดมันมีคาร์บอน 3-4% และมีร่องรอยขององค์ประกอบอื่น ๆ เช่นซิลิคอนแมกนีเซียมและฟอสฟอรัส การใช้งานหลักคือการแทรกแซงในการผลิตโลหะเหล็กอื่น ๆ

ธาตุเหล็กบริสุทธิ์

เป็นโลหะสีขาวเทาที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก แม้จะมีความแข็ง แต่ก็เปราะบางและเปราะ จุดหลอมเหลวสูง (1500 ºC.) และออกซิไดซ์อย่างรวดเร็ว

มันเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีดังนั้นจึงใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ สำหรับส่วนที่เหลือจะใช้น้อย

เหล็กหล่อหรือเหล็กหล่อ (โรงหล่อ)

มีปริมาณคาร์บอนสูง (ระหว่าง 1.76% และ 6.67%) มันแข็งกว่าเหล็ก แต่เปราะบางกว่า พวกเขาละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่าเหล็กบริสุทธิ์ประมาณ 1100 ºC

เนื่องจากสามารถขึ้นรูปได้ชิ้นงานที่มีขนาดและความซับซ้อนต่างกันจึงสามารถทำการผลิตได้ เหล็กหล่อชนิดสีเทาใช้ในเหล็กประเภทนี้ซึ่งให้ความเสถียรและความสามารถในการขึ้นรูป

พวกเขามีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กกล้า นอกจากนี้พวกเขามีราคาถูกและหนาแน่น พวกเขานำเสนอการไหลที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำสามารถเติมแม่พิมพ์

นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติในการบีบอัดที่ดี แต่มีความเปราะบางและแตกก่อนที่จะทำการดัดดังนั้นจึงไม่มีประโยชน์สำหรับชิ้นงานที่ซับซ้อนมาก

เหล็กสีเทา

มันเป็นเหล็กหล่อที่พบมากที่สุดคือสีเทาเนื่องจากมีกราไฟท์ มันมีความเข้มข้นของคาร์บอนระหว่าง 2.5% ถึง 4%; นอกจากนี้ยังมีซิลิโคน 1-3% เพื่อรักษาเสถียรภาพของกราไฟท์

มันนำเสนอคุณสมบัติหลายอย่างของเตารีดหล่อขั้นพื้นฐานมีความลื่นไหลสูง มีความยืดหยุ่นและโค้งงอไม่นานก่อนที่จะแตก

เหล็กดัด

คาร์บอนถูกเติมในรูปแบบของหินแกรนิตทรงกลมที่ความเข้มข้นระหว่าง 3.2% และ 3.6% รูปทรงกลมของกราไฟต์ให้ความต้านทานต่อแรงกระแทกและการทำให้นิ่มกว่าเหล็กสีเทาซึ่งช่วยให้สามารถใช้ในการออกแบบที่มีรายละเอียดและมีขอบ

เหล็ก

ปริมาณคาร์บอนระหว่าง 0.03% ถึง 1.76% ในบรรดาคุณสมบัติของมันคือความแข็งความดื้อรั้นและความต้านทานต่อความพยายามทางกายภาพ โดยทั่วไปแล้วพวกมันจะออกซิไดซ์ได้ง่าย พวกเขาสามารถเชื่อมได้และสามารถประมวลผลในการปลอมแปลงหรือกลไก

นอกจากนี้ยังมีความแข็งและการไหลน้อยกว่าเหล็กหล่อ ด้วยเหตุนี้พวกเขาต้องการอุณหภูมิสูงในการไหลของแม่พิมพ์

เหล็กและการใช้งาน

เหล็กมีหลายประเภทแต่ละชนิดมีการใช้งานที่แตกต่างกัน:

เหล็กกล้าคาร์บอนหรือการก่อสร้าง

ความเข้มข้นของคาร์บอนอาจแตกต่างกันสร้างสี่รูปแบบ: เหล็กอ่อน (คาร์บอน 0.25%), เหล็กกึ่งหวาน (คาร์บอน 0.35%), เหล็กกึ่งแข็ง (0.45% คาร์บอน) และแข็ง (0.5%) )

มันถูกใช้ในการผลิตเครื่องมือเหล็กแผ่นยานพาหนะรถไฟตะปูสกรูรถยนต์และเรือ