Otelul este un aliaj format din fier cu un mic procentaj de carbon, pentru a-si imbunatati rezistenta la rupere in comparatie cu alte forme de fier. Multe alte elemente pot fi prezente sau adaugate. Otelurile inoxidabile care sunt rezistente la coroziune si oxidare, au nevoie de obicei de un plus de 11% crom. Datorita rezistentei sale ridicate la tractiune si costului scazut, otelul este utilizat in cladiri, infrastructura, unelte, nave, trenuri, masini, aparate electrice, arme si rachete.
Fierul este metalul de baza al otelului. In functie de temperatura, poate lua doua forme cristaline (forme alotrope): cubic centrat pe corp si cubic centrat pe fata. Interactiunea alotropilor fierului cu elementele de aliere, in primul rand carbonul, confera otelului si fontei gama lor de proprietati unice.
In fierul pur, structura cristalina are o rezistenta relativ mica la alunecarea atomilor de fier unul pe langa altul, astfel incat fierul pur este destul de ductil, sau moale si usor de format. In otel, cantitati mici de carbon, alte elemente si incluziunile din fier actioneaza ca agenti de intarire, care impiedica miscarea luxatiilor.
Carbonul din aliajele tipice de otel poate contribui cu pana la 2,14% din greutatea sa. Varierea cantitatii de carbon si a multor alte elemente de aliere, precum si controlul componentei lor chimice si fizice in otelul final (fie ca elemente dizolvate, fie ca faze precipitate), impiedica miscarea dislocatiilor care fac fierul pur ductil si, astfel, controleaza si sporeste calitatile acestuia.
Aceste calitati includ duritatea, comportamentul la calire, nevoia de recoacere, comportamentul la revenire, limita de curgere si rezistenta la rupere a otelului rezultat. Cresterea rezistentei otelului in comparatie cu fierul pur este posibila numai prin reducerea ductilitatii fierului.
Otelul a fost produs in cuptoare cu flori de mii de ani, dar utilizarea sa industriala pe scara larga a inceput abia dupa ce in secolul al XVII-lea au fost concepute metode de productie mai eficiente, o data cu introducerea furnalului si productia de otel pentru creuzet. Acesta a fost urmat de cuptorul cu vatra deschisa si apoi de procesul Bessemer in Anglia la mijlocul secolului al XIX-lea. Odata cu inventarea procesului Bessemer, a inceput o noua era a otelului produs in masa. Otelul moale a inlocuit fierul forjat.
Perfectionarile ulterioare ale procesului, cum ar fi fabricarea otelului cu oxigen de baza (BOS), au inlocuit in mare masura metodele anterioare prin scaderea suplimentara a costurilor de productie si cresterea calitatii produsului final. Astazi, otelul este unul dintre cele mai des fabricate materiale din lume, cu peste 1,6 miliarde de tone produse anual. Otelul modern este, in general, identificat prin diferite grade definite de organizatii de standardizare.
Industria siderurgica moderna este una dintre cele mai mari industrii de productie din lume, dar este una dintre cele mai intense industrii de energie si emisii de gaze cu efect de sera, contribuind cu 8% din emisiile globale. Cu toate acestea, otelul este si foarte reutilizabil: este unul dintre cele mai reciclate materiale din lume, cu o rata de reciclare de peste 60% la nivel global.
Proprietatile materialelor – Origini si productie
Fierul se gaseste in mod obisnuit in scoarta terestra sub forma de minereu, de obicei un oxid de fier, cum ar fi magnetita sau hematita. Fierul este extras din minereul de fier prin eliminarea oxigenului si combinarea sa cu un partener chimic preferat, cum ar fi carbonul, care este apoi pierdut in atmosfera sub forma de dioxid de carbon. Acest proces, cunoscut sub numele de topire, a fost aplicat pentru prima data pe metale cu puncte de topire mai scazute, cum ar fi staniul, care se topeste la aproximativ 250 °C (482 °F) si cuprul, care se topeste la aproximativ 1.100 °C (2.010 °F), si combinat cu bronzul, care are un punct de topire mai mic de 1.083 °C (1.981 °F).
In comparatie, fonta se topeste la aproximativ 1.375 ° C (2.507 ° F). Cantitati mici de fier erau topite in vremuri stravechi, in stare solida, prin incalzirea minereului la foc de carbune si apoi sudand bulgari impreuna, prin acest proces urmarindu-se eliminarea impuritatilor. Cu grija, continutul de carbon ar putea fi controlat prin miscarea acestuia in foc. Spre deosebire de cupru si staniu, fierul lichid sau solid dizolva carbonul destul de usor.
Toate aceste temperaturi au putut fi atinse cu metode antice folosite inca din epoca bronzului. Deoarece rata de oxidare a fierului creste rapid peste 800 °C (1470 °F), este important ca topirea sa aiba loc intr-un mediu cu oxigen scazut. Topirea, folosind carbonul pentru a reduce oxizii de fier, are ca rezultat un aliaj (fonta) care retine prea mult carbon pentru a fi numit otel. Excesul de carbon si alte impuritati sunt indepartate intr-o etapa ulterioara.
Alte materiale sunt adesea adaugate la amestecul fier/carbon pentru a produce otel cu proprietatile dorite. Nichelul si manganul din otel sporesc rezistenta la tractiune si fac forma de austenita a solutiei fier-carbon mai stabila, cromul creste duritatea si temperatura de topire, iar vanadiul creste de asemenea duritatea, facandu-l mai putin predispus la oboseala metalelor.
Pentru a inhiba coroziunea, cel putin 11% crom poate fi adaugat in otel, astfel incat pe suprafata metalului sa se formeze un oxid dur; acesta este cunoscut sub numele de otel inoxidabil. Tungstenul incetineste formarea cementitei, mentinand carbonul in matricea de fier si permitand martensitei sa se formeze preferabil la viteze de stingere mai lente, rezultand otel de mare viteza.
Adaugarea de plumb si sulf micsoreaza dimensiunea granulelor, facand astfel otelul mai usor de rasucit, dar si mai fragil si predispus la coroziune. Astfel de aliaje sunt totusi utilizate frecvent pentru componente precum piulite, suruburi si saibe, in aplicatii in care duritatea si rezistenta la coroziune nu sunt primordiale. In cea mai mare parte, totusi, elementele p-bloc, cum ar fi sulful, azotul, fosforul si plumbul sunt considerate contaminanti care fac otelul mai fragil si, prin urmare, sunt indepartate din topitura de otel in timpul procesarii.
Tratament termic
Exista multe tipuri de procese de tratare termica disponibile pentru otel. Cele mai comune sunt recoacerea, calirea si revenirea.
Recoacerea este procesul de incalzire a otelului la o temperatura suficient de ridicata pentru a elimina solicitarile interne locale. Nu creeaza o inmuiere generala a produsului, ci doar amelioreaza local tensiunile blocate in material. Recoacerea trece prin trei faze: recuperare, recristalizare si crestere. Temperatura necesara pentru recoacerea unui anumit otel depinde de tipul de recoacere care trebuie realizat si de constituentii de aliere.
Calirea implica incalzirea otelului pentru a crea faza de austenita, apoi calirea in apa sau ulei. Aceasta racire rapida are ca rezultat o structura martensitica dura, dar fragila. Otelul este apoi calit, care este doar un tip specializat de recoacere, pentru a reduce fragilitatea. In aceasta aplicatie, procesul de recoacere (calire) transforma o parte din martensita in cementita sau sferoidit si, prin urmare, reduce tensiunile si defectele interne. Rezultatul este un otel mai ductil si mai rezistent la rupere.
Productie
Cand fierul este topit din minereul sau, acesta contine mai mult carbon decat este de dorit. Pentru a deveni otel, acesta trebuie reprocesat pentru a reduce carbonul la cantitatea corecta, moment in care pot fi adaugate si alte elemente. In trecut, instalatiile siderurgice turnau produsul brut din otel in lingouri care erau depozitate pana la utilizarea in procese ulterioare de rafinare care aveau ca rezultat produsul finit.
In instalatiile moderne, produsul initial este aproape de compozitia finala si este turnat continuu in placi lungi, taiat si modelat in bare extrudate si tratat termic pentru a crea un produs final. Astazi, aproximativ 96% din otel este turnat continuu, in timp ce doar 4% este produs ca lingouri.
Lingourile sunt apoi incalzite intr-o groapa de inmuiere si laminate la cald in placi. Placile sunt laminate la cald sau la rece in tabla sau placi. Billetele sunt laminate la cald sau la rece in bare, tije si sarma. In fabricile moderne de otel, aceste procese au loc adesea intr-o singura linie de asamblare, cu minereu care intra si produse finite din otel care ies. Uneori, dupa laminarea finala a otelului, acesta este tratat termic pentru rezistenta; cu toate acestea, acest lucru este relativ rar.
Reciclare
Otelul este unul dintre cele mai reciclate materiale din lume, cu o rata de reciclare de peste 60% la nivel global; numai in Statele Unite, peste 82.000.000 de tone metrice (81.000.000 de tone lungi; 90.000.000 de tone scurte) au fost reciclate in anul 2008, pentru o rata globala de reciclare de 83%.
Deoarece se produce mai mult otel decat este casat, cantitatea de materii prime reciclate este de aproximativ 40% din totalul otelului produs – in 2016, 1.628.000.000 de tone (1.602×109 tone lungi; 1.795×109 tone scurte) de otel brut au fost produse la nivel global. , cu 630.000.000 de tone (620.000.000 de tone lungi; 690.000.000 de tone scurte) reciclate.
Utilizari
Fierul si otelul sunt utilizate pe scara larga in constructia de drumuri, cai ferate, alte infrastructuri, aparate si cladiri. Cele mai multe structuri moderne mari, cum ar fi stadioane si zgarie-nori, poduri si aeroporturi, sunt sustinute de un schelet de otel.
Chiar si constructiile cu structura din beton folosesc otel pentru armare. Este utilizat pe scara larga in masini si electrocasnice majore. In ciuda cresterii in utilizare a aluminiului, acesta este inca principalul material pentru caroserii auto. Otelul este utilizat intr-o varietate de alte materiale de constructie, cum ar fi suruburi, cuie si alte produse de uz casnic si ustensile de gatit.
Alte aplicatii comune includ constructii navale, conducte, minerit, constructii offshore, aerospatiale, echipamente grele, mobilier de birou, vata de otel, scule, etc.