2013-12-31
681
Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al[2]). Считается так же, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.
Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.
Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:
§ до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа)
§ в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика
§ в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой
§ выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
Сталь (от нем. Stahl [1]) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %.[ источник не указан 363 дня ]Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харалуг» и «Уклад». В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется «Оцел», например в чешском.
Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.
Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.[2]
Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.
По химическому составу стали делятся на углеродистые[3] и легированные[4]; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.
Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.
Дама́ск (дама́сская сталь) — вид стали с видимыми неоднородностями на стальной поверхности, чаще всего в виде узоров, получаемых различными способами. Различается два рода стали, которые именуются общим термином «дамаск»: сварочный дамаск (при многократной перековке стального пакета, состоящего из сталей с различным содержанием углерода) и рафинированные стали. Тиглевые булаты (он же вуц, англ. wootz), где узоры появляются за счёт образования крупных карбидов как результат высокого содержания углерода и методов медленного охлаждения, к дамасским сталям не относятся. Использовалась для изготовленияхолодного оружия и, реже, доспехов.
Булат (от перс. فولاد — фул́ад и тюркского «болот», «сталь») — сталь, благодаря особой технологии изготовления отличающаяся своеобразной внутренней структурой и видом («узором») поверхности, высокой твёрдостью и упругостью. С древнейших времён, первые упоминания встречаются ещё у Аристотеля, используется для изготовления холодного оружия — клинков мечей, сабель,кинжалов, ножей и др.
Главное отличие булатной стали от обычной — химическая и физическая неоднородность. Внутри отливки образуется развитая дендридная решетка, которая пронизывает весь объем слитка и выходит даже на поверхность. Узор булатной стали ярко и равномерно выражен по всему клинку, очень плотный в объеме металла, дендридные «ветви» толщиной от 200 до 500 мкм видны невооруженным глазом.
Хотя внешние признаки и механические качества изделий из этих материалов могут быть очень близки, создание булатной стали несколько отличается от дамасской технологии.
Самый главный и важный инструмент для кузнеца Дамаска — это его горн: от того, как устроен, от его возможностей зависит очень много, в нем происходит основное таинство. Поэтому перед разжиганием кузнец тщательно чистит его от шлака и пыли. Заготовка для Дамаска состоит из стальной жерди, к концу которой приварен «пакет», как мы его называем, то есть комбинация определенного количества разных по качеству стальных пластин или прутков, набранных особым способом, в зависимости от преследуемой цели. У каждого мастера свои отработанные рецепты и приемы.
Далее кузнец разжигает дробленый кокс, величина которого, как правило, не больше грецкого ореха, горн разгорается и в самое горячее место мастер погружает пакет. Поскольку рабочая температура горна очень велика, кузнец работает в спецодежде и похож на сталевара.
Неторопливо нагрев «пакет» до красного цвета, он посыпает его флюсом, временами покручивая и колдуя над ним. Когда флюс потечет и заготовка нагреется до ярко-белого каления, а слои металла почти слипнутся друг с другом, кузнец быстрым движением переносит заготовку из горна под бойки уже включенного пневматического молота и начинает кузнечную сварку сначала легкими, потом более сильными ударами, перемещая заготовку вдоль бойков. Так сварка плавно переходит в протяжку заготовки до определенной длины, тогда кузнец надрубает ее по центру специальным топориком и складывает вдвое. Затем снова повторяется процесс нагрева в горне, сварка.
Снова проковка и складывание.
Это повторяется до тех пор, пока мастер не наберет нужное количество слоев, процесс, напоминающий приготовление слоеного теста коком. Далее идет ковка самого изделия, но уже при более низких температурах.
Хотя внешние признаки и механические качества изделий из этих материалов могут быть очень близки, создание булатной стали несколько отличается от дамасской технологии.
Дамаск создается при помощи горновой сварки стальных пластин с многократным повторением этого процесса.
Булат отливается при особых условиях в тигле и уже из слитка куется само изделие.
Как бы не был затейлив и красив рисунок Дамаска — это плод труда и воли человека, что касается булата — здесь сама природа приходит на помощь мастеру; он лишь правильно подбирает материалы. Создает нужную температуру для плавки, контролируя ее продолжительность, и происходит чудо: при медленном остывании печи внутри еще кипящего расплава начинают расти кристаллы металла в виде густого ветвистого куста или коралла, заключенного в геометрической форме слитка. Сама конструкция и образ выросшего внутри слитка кристалла сильно влияет на качество и текстуру конечного изделия, а также на различие сортов булата.
Ковка слитка происходит при очень низких температурах и определенным способом, складываясь и переплетаясь, кристалл как бы густо армирует матрицу, что сказывается на его великолепных механических качествах.
