ocel
|
Ocel je slitina železa s malým obsahem uhlíku a dalšími příměsemi. Je to jeden z nejběžněji používaných materiálů v průmyslu a stavebnictví díky svým vlastnostem, které zahrnují pevnost, tvárnost a odolnost.
Základní složkou oceli je železo, které tvoří většinu hmotnosti slitiny. Uhlík je důležitou součástí, která dodává oceli tvrdost a pevnost. Obsah uhlíku v oceli se pohybuje obvykle mezi 0,2 % a 2,1 %. Existuje mnoho různých typů oceli, z nichž každý má specifické vlastnosti a použití. Další příměsi, jako jsou chrom, nikl, mangan, molybden nebo vanad, mohou být přidány k oceli, aby se zlepšily její vlastnosti pro konkrétní aplikace.
Ocel má široké uplatnění v různých odvětvích, jako jsou stavebnictví (nosné konstrukce, nosníky, sloupy), automobilový průmysl (karoserie, rámy), energetika (jaderné reaktory, turbíny), výroba nástrojů, potravinářský průmysl (nádoby) a mnoho dalších. Mnoho výrobků, které denně používáme, je vyrobeno z oceli nebo jeho slitin, což ukazuje na jeho obrovský význam v moderním světě.
Některé důležité vlastnosti oceli
Pevnost: Ocel má vysokou pevnost, což znamená, že vykazuje schopnost odolat deformacím a tlakům bez trvalého poškození.
Tvárnost: Ocel je relativně snadno formovatelná za tepla nebo za studena. To umožňuje vytvářet různé tvary a komponenty.
Odolnost: Ocel je odolná vůči opotřebení, mechanickým zatížením a teplu, což ji činí vhodnou pro širokou škálu aplikací.
Recyklovatelnost: Ocel je recyklovatelný materiál, což z ní činí ekologicky šetrnou volbu a důležitého hráče v udržitelném hospodářství.
Fyzikální vlastnosti
Mechanické vlastnosti
Termické vlastnosti
Elektrické a magnetické vlastnosti
*IACS = International Annealed Copper Standard Složení a klasifikace ocelí
Podle obsahu uhlíku
Nízkouhlíkové oceli (< 0,25 % C) – tvárné, snadno svařitelné (např. stavební ocel).
Středně uhlíkové oceli (0,25–0,6 % C) – vyšší pevnost (např. strojní součásti).
Vysokouhlíkové oceli (0,6–2,1 % C) – tvrdé, ale křehké (např. nástrojové oceli).
Podle legujících prvků
Uhlíková ocel – pouze Fe + C (+ stopové prvky).
Legovaná ocel – přísady jako Cr, Ni, Mo, V, W pro zlepšení vlastností
Nerezová ocel (min. 10,5 % Cr – odolnost proti korozi).
Nástrojová ocel (W, V, Mo – vysoká tvrdost).
Automobilová ocel (Mn, Si – pevnost a tažnost)
Uhlík (C): Zvyšuje pevnost, ale snižuje tažnost
Chrom (Cr): Zvyšuje odolnost proti korozi (nerezové oceli) Nikl (Ni): Zlepšuje houževnatost za nízkých teplot Mangan (Mn): Zvyšuje tvárnost za tepla Vanad (V), Molybden (Mo): Zjemňují zrno, zvyšují pevnost Podle struktury Feritické – měkké, magnetické.
Austenitické (např. nerezové oceli) – nemagnetické, houževnaté.
Martenzitické – velmi tvrdé (kalené oceli).
Perlitické – směs feritu a cementitu (Fe₃C).
Výroba oceli Hlavní metody
Konvertorový proces (LD – Linz-Donawitz) - Vhánění kyslíku do roztaveného surového železa → oxidace uhlíku a nečistot. Rychlé (15–30 min), vysoká produktivita.
Elektrická oblouková pec - Tavení šrotu pomocí elektrického oblouku. Přesná kontrola složení, vhodné pro legované oceli. Pudlování (historická metoda)- Oxidace uhlíku v pudlovací peci → kujná ocel. Tepelné zpracování oceli
Žíhání – zahřátí a pomalé ochlazování → snížení vnitřního pnutí.
Popouštění – zahřátí kalené oceli na 150–650 °C → snížení křehkosti.
Normalizace – ohřev na 800–900 °C a ochlazení na vzduchu → jemnozrnná struktura.
Aplikace oceli Stavebnictví – nosné konstrukce, mosty, betonářská ocel, plechy, dráty.
Automobilový průmysl – karoserie, pružiny, převodovky.
Energetika – turbíny, tlakové nádoby.
Nástroje – vrtáky, frézy, nože, nůžky, soustružnické nože, dláta, pily, kladiva, palice, šroubováky, kleště, kosy, srpy, motyky, rýče, hrábě, krumpáče, sekery, lisy, formy pro vstřikování plastů, chirurgické nástroje, příbory, atd.
Potravinářství – nerezové oceli (AISI 304).
Výhody a nevýhody oceli Výhody:
Vysoká pevnost a houževnatost
Dobrá tepelná a elektrická vodivost
Recyklovatelnost (šrot lze opětovně tavit).
Nevýhody: Náchylnost ke korozi (vyžaduje povrchové úpravy).
Vysoká hmotnost oproti hliníku nebo kompozitům.
Zajímavosti
Nejpevnější oceli (např. maragingové oceli) dosahují pevnosti až 2500 MPa a používají se v leteckém a vojenském průmyslu.
Nejodolnější proti korozi je superduplexní ocel (odolnost i v mořské vodě)
Nejvyšší teplotní odolnost: Při teplotách nad 800 °C většina ocelí ztrácí pevnost – wolframové slitiny jsou výjimkou, odolají až 1200 °C. Nejodolnější komerční oceli s wolframem (např. Tungsten H-13) vydrží krátkodobě i 1500 °C, tato teplota však následně způsobí nevratné poškození. Superslitiny oceli s 5–10 % W (např. Inconel) odolávají plazmatu (>1000 °C) a teplotám až 1400 °C , používají se k výrobě trysek raketových motorů, výstelek průmyslových pecí z žáruvzdorných ocelí nebo jaderných reaktorů (W + Ni/Co báze). Obsah W v pláštích svařovacích elektrod zlepšuje odolnost vůči oblouku.
Největší ocelárna na světě se nachází v Indii – je to integrovaný ocelářský závod společnosti ArcelorMittal v městě Hazira (stát Gudžarát). Tento komplex patří mezi nejmodernější a nejvýkonnější na světě s roční kapacitou přes 9–10 milionů tun oceli.
Na výrobu letadla Boeing 737 se spotřebuje přibližně 20–25 tun oceli, což představuje asi 5–10 % jeho celkové hmotnosti. Většinu konstrukce tvoří lehčí hliníkové slitiny (60–80 %) a kompozity (10–20 %), ale ocel hraje klíčovou roli v kritických částech.
Na stavbu legendární lodě Titanic bylo použito přibližně 52 000 tun oceli, která tvořila hlavní část jeho konstrukce. Tato ocel byla vyrobena převážně ve skotských hutích Dalzell a David Colville & Sons a měla specifické vlastnosti, které později hrály roli při potopení lodi.
Nejmenší ruční ocelové nástroje jsou mikroskalpely a jehly pro oční chirurgii, jejichž šířka je jen 0,02–0,3 mm a celková délka se pohybuje kolem 3–5 cm. Na dalších příčkách se nachází např. šroubováky pro hodináře nebo elektrotechniku a mikropilníky pro modeláře. Nejmenší nástroje se vyrábějí elektroerozivními metodami s tolerancí ±0,01 mm. V hodinářství existují šroubováky pro šroubky M0,6 (průměr 0,6 mm)
Největší ruční ocelové nástroje představují kovářské kladivo pro hutní průmysl (Sledgehammer) s hmotností až 25 kg a celkovou délkou až 1,5 m, ruční lomové klíče pro potrubí (až 2 m dlouhé) nebo montážní páčidla pro těžký průmysl (až 3 m).
Nejmenšími běžně používanými ocelovými výrobky na světě jsou pravděpodobně lékařské mikrojehly o půměru 20–50 µm a nože pro histologické řezy s šířkou čepele 100 µm, mikrošroubky v hodinářství a optice 0,6 mm, nebo vlákna pro průmyslové a laboratorní filtry s průměrem 5-10 µm. Tyto výrobky se vyrábějí laserovým obráběním nebo elektroformováním s tolerancí ±1 µm. I když existují ještě menší experimentální nanostruktury (např. ocelové nanotyče), mikrojehly jsou nejmenší masově vyráběné ocelové produkty.
Damascenská ocel - starověká ocel z vesmíru (slavné meče z Blízkého východu) obsahovala mikročástice meteorického železa s vysokým obsahem niklu. Tajemství její výroby zmizelo v 18. století – dnešní metalurgové jej rozluštili až pomocí elektronových mikroskopů.
Ocel, která "roste" v moři - Bakterie Mariprofundus ferrooxydans vytváří v oceánech přírodní ocelové věže.
Jejich odpadní produkt (oxid železa) formuje podmořské komíny vysoké až 15 m! Nejstarší dochovaný ocelový předmět je dýka z Alaca Höyük (Turecko, 2500 př. n. l.). Obsahuje první uměle vyrobenou ocel – kováři ji vytvořili opakovaným kováním železa s dřevěným uhlím.
Nejtenčí ocel na světě - Japonská firma Nippon Steel vyrobila ocelový plech tlustý jen 10 µm (10× tenčí než lidský vlas!). Používá se na obaly luxusních čokolád – chrání před světlem, ale je ohebný jako papír.
Ocel, která se sama "léčí" - Vědci vyvinuli samohojivou ocel s mikrokapslemi plnými tekutého kovu. Při prasknutí se kapsle rozbijí a "zatáhnou" trhlinu – revoluce pro mosty a letadla!
Nejvzácnější ocel na Zemi je Tamahagane – tradiční japonská ocel pro meče katana. Z 1 tuny železitého písku lze po 3 dnech tavení v japonské peci tatara získat pouhých 10 kg tamahagane.
Bonus: Železo ve vaší krvi - Lidské tělo obsahuje 4–5 g železa – právě díky němu může krev přenášet kyslík. Kdybyste vytěžili všechno železo z krve 50 lidí, stačilo by na malý ocelový hřebík!
Stavby světa s největší spotřebou oceliPanamský průplav (Panama)
Stavba Panamského průplavu o délce 82 km (1878-1914) byla jedním z nejnáročnějších inženýrských projektů historie, který spotřeboval obrovské množství oceli - přibližně 1,8 miliónů tun. Nejvíce oceli bylo použito v klíčových částech projektu, zejména pro zdymadla a pohyblivé mechanismy (60%), ale také pro jeřáby a bagry, železnici, dopravní infrastrukturu, pohyblivé mosty nebo potrubí. Korozivní tropické podnebí vyžadovalo častou údržbu ocelových částí, což stavbu velmi zkomplikovalo a prodloužilo. Celková stavba trvala přes 30 let (s přestávkami a změnami projektů), ale finální fáze pod vedením USA (1904–1914) byla nejintenzivnější. Náklady na stavbu činily přibližně 639 milionů dolarů (v hodnotě peněz z roku 1914) - po přepočtu na dnešní měnu by to bylo kolem 15–20 miliard USD. USA koupily od Francie roku 1903 práva a vybavení za 40 milionů USD. Investice do průplavu se vrátila až po roce 1950. Dnes by podobný projekt stál desítky miliard – například rozšíření průplavu a modernizace v letech 2007–2016 přišly na 5,25 miliardy USD.
Nejtěžší vrata: Váha jednoho křídla ocelového zdymadla v Gatúnu je 390 tun (jako 70 slonů!). Jejich výroba stála tehdejších 12 miliónů USD.
Transsibiřská magistrála (Rusko)
Přesné množství oceli použité na stavbu nejdelší železnice světa není historicky podchyceno, ale lze jej odhadnout na základě délky trati a typických nároků na ocelové komponenty. Realistický odhad celkové spotřeby oceli je 1,2–1,5 milionu tun (včetně všech mostů, pražců a infrastruktury). Většina kolejnic se pokládala bez těžké techniky, tato práce byla pro dělníky srovnatelně náročná, jako pro otroky při stavbě egyptských pyramid! Na samotné kolejnice se spotřebovalo 557 280 t oceli.
Délka: 9 288 km (hlavní trať Moskva–Vladivostok) + odbočné větve.
Stavební období: 1891–1916 (s pozdějšími modernizacemi). Nejnáročnější úsek: Čeljabinsk–Vladivostok (7 032 km, vedený extrémním terénem). Golden Gate Bridge (USA, San Francisco)
Stavba ikonického mostu, spojujícího San Francisco a Marin County, trvala 4 roky a vyžádala si přes 83 000 t oceli (hlavní nosné kabely obsahují 27 572 ocelových vláken o celkové hmotnosti 24 500 tun a délce 128 747 km (kdybyste je rozpletli, obtočila by se jimi Země 3× kolem rovníku!). Během stavby (1933–1937) panovaly doslova pekelné podmínky - rychlost větru dosahovala až 100 km/h, což most vychylovalo až 8 m do stran. Poprvé zde použita pojízdná bezpečnostní síť proti pádu umístěná pod mostem, která zachránila 19 životů (těm se říkalo „Halfway to Hell Club“). Přesto při stavbě zemřelo 11 dělníků (10 z nich při jediné nehodě, když síť praskla). Nátěr ocelové konstrukce je pravidelně obnovován akrylovou barvou v hodnotě 70 miliónů USD, přičemž práci lze provádět jen manuálně a natěračům zabere celý jeden rok. Most každoročně obalí tuny koroze – sanfranciská mlha je slaná a agresivní. Sirény proti mlze (Fog horns) houkají v průměru 2,5 hodiny denně. Most odolá zemětřesení o síle 8,3 Richterovy škály. První den po otevření přešlo most 200 000 lidí, v současnosti ho každý rok přejede 40 milionů vozidel. Mýto se platilo původně ve výši 50 centů, dnes 8,70 USD (jen pro jízdu jižním směrem). Náklady na stavbu ve výši 35,5 milionů USD (1937, dnešních cca 1,7 miliard USD) se díky výběru mýtného vrátily po roce 1970.
Délka: 2 737 m (hlavní rozpětí = 1 280 m).
Výška věží: 227 m nad vodou (jako 65patrový dům)
Výška vozovky nad vodou: 67 m
Hloubka vody pod mostem: Až 115 m (tlak na pilíře je obrovský).
Willis Tower (dříve Sears Tower, USA, Chicago)
Ikonický mrakodrap, dokončený v roce 1973, byl až do roku 1998 nejvyšší budovou světa.
Jeho konstrukce je nejen pevná, ale zároveň také pružná jako bambus - při silném větru se vychýlí až o 90 cm!
Výška: 442 m, s anténou 527 m
Spotřeba oceli: 76 000 tun
Petronius Platform (USA, Mexický záliv) - největší ocelová stavba na moři
Výška: 610 m
Spotřeba oceli: 43 000 tun
Burj Khalifa (Spojené arabské emiráty, Dubaj) - nejvyšší budova světa
Výška: 828 m (ocelový skelet + beton)
Spotřeba oceli: 39 000 tun
Viaduct de Millau (Francie) - Nejvyšší most na světě
Jeden z největších zázraků moderního inženýrství, symfonie oceli a betonu, která spojuje technickou genialitu s uměním. Část roku je most schovaný v mracích a díky minimalistickému designu každý, kdo jím projíždí, zažívá pocit, jako by se vznášel nad krajinou. Každý díl mostu byl vyroben na místě a postupně posouván hydraulickými lisy do jeho středu. Pilíře rostly současně shora i zdola – jejich dvě části se potkaly s přesností 1 cm. Do základny nejvyššího pilíře P2 by se vešlo celé fotbalové hřiště. Díky aerodynamickému tvaru most odolá větru 250 km/h. Mezi létem a zimou se konstrukce roztáhne nebo smrští až o 60 cm a odolá otřesům do 7,5 Richterovy škály. Vozovka se může bezpečně vychýlit až 90 cm. Cesta z Paříže do Středomoří se díky tomuto mostu zkrátila o 4 hodiny. Náklady na stavbu se výběrem mýtného (11-13 €) vrátí do roku 2045.
Stavba: 2001-2004
Délka: 2 460 m (7 pilířů, 8 polí)
Výška pilíře: 343 m
Výška vozovky nad řekou Tarn: 270 m
Celkové náklady: 394 milionů €
Spotřeba oceli: 36 000 tun
Eiffelova věž (Francie, Paříž) - nejvyšší čistě ocelová věž
Výška: 330 m (s anténou)
Spotřeba oceli: 7 300 tun
Socha jednoty (Indie)
Největší ocelová socha na světě zobrazuje Vallabhbhai Patela, jednoho z otců zakladatelů indické nezávislosti. Ačkoli je primárně z betonu a bronzu, její vnitřní nosná konstrukce obsahuje obrovské množství oceli dvou druhů – S355 pro základ a S420 pro kritické spoje.
Výška: 182 m (240 m s podstavcem)
Stavba: 2014–2018, náklady ~430 milionů USD
Spotřeba oceli: 5 700 tun
Čchang-ťia-kchou Glass Bridge (Čína) - nejdelší visutý ocelový most na světě
Délka: 430 m
Spotřeba oceli: ~5 000 tun
Socha Svobody (USA, New York) - nejznámější socha na světě
Výška: 93 m
Spotřeba oceli: 125 tun (skelet) Plášť byl zhotoven z mědi o hmotnosti 31 tun.
|