Teräs: määritelmä, ominaisuudet, tyypit ja käyttö

Teräs on rautaa, johon on sekoitettu hiiltä ja mahdollisesti muita metalleja. Se on rautaa kovempaa ja vahvempaa. Rautaa, jossa on yli 1,7 painoprosenttia hiiltä, kutsutaan valuraudaksi. Teräs eroaa takoraudasta, jossa on vähän tai ei lainkaan hiiltä.

Ominaisuudet

Teräksen ominaisuudet vaihtelevat laajasti koostumuksen (hiilen ja seosaineiden määrän) sekä mikrostruktuurin mukaan. Keskeisiä ominaisuuksia ovat:

  • Lujuus ja kovuus: hiilipitoisuus ja seosaineet (esim. mangaani, kromi, nikkeli, molybdeeni) nostavat lujuutta ja kovuutta.
  • Muokattavuus ja taottavuus: matalahiilinen teräs on helposti muovattavaa ja hitsattavaa; korkeamman hiilipitoisuuden teräkset ovat herkempiä halkeilulle.
  • Sitkeys ja sitkas murtuminen: riippuvat lämmönkäsittelystä ja mikrorakenteesta (ferriitti, pearliitti, martensiitti, bainiitti).
  • Korroosionkestävyys: puhtaalla hiiliteräksellä on heikko korroosionkestävyys, kun taas ruostumattomat teräkset sisältävät kromia, joka muodostaa passiivikerroksen.

Tyypit

Teräksiä luokitellaan tarkoituksen ja koostumuksen mukaan. Tavallisimmat ryhmät:

  • Hiiliteräkset: jaetaan matala-, keski- ja korkeahiilisiin teräksiin. Noin matala < 0,25 % C, keski ~0,25–0,6 % C, korkea ~0,6–1,0 % C (rajat ovat likimääräisiä).
  • Seosteräkset: joissa on spesifisiä lisäaineita kuten Cr, Ni, Mo, V, jotka parantavat lujuutta, kovetettavuutta ja korroosionkestävyyttä.
  • Ruostumattomat teräkset: sisältävät tavallisesti vähintään ~11–12 % kromia ja mahdollisesti nikkeliä; erikoislaatuisia seoksia, joita käytetään korroosiota vaativissa ympäristöissä.
  • Työkaluteräkset: korkea hiilipitoisuus ja seosaineet, jotka mahdollistavat korkean kovuuden ja kulutuskestävyyden kuumentamisen jälkeen.
  • Erikois- ja rakenneteräkset: esimerkiksi korkean lujuuden rakenne- ja autoteräkset (HSLA), lämpöä kestävät teräkset ja sähköteräkset.

Valmistus ja jalostus

Terästä valmistetaan pääasiallisesti malmista rautametallurgian eri prosesseilla, kuten perinteisillä masuunilla ja peruskonvertterilla tai sähkökaariuunissa kierrätetystä teräspellistä. Keskeisiä vaiheita ovat sulatus, seostus, valaminen ja mekaaninen muokkaus (rollaus, taonta, vetäminen).

Lämmönkäsittely ja mekaaniset ominaisuudet

Lämmönkäsittelyillä muokataan teräksen mikrorakennetta ja siten ominaisuuksia:

  • Askeltaminen/normalisointi: tasoittaa rakennetta ja poistaa jännityksiä.
  • Karkaisu (quench) ja temperointi: karkaisulla saadaan martensiittia (kovuus), temperoinnilla vähennetään haurauden riskiä ja säädetään sitkeyttä.
  • Jäähdytysnopeus: vaikuttaa merkittävästi muodostuvaan mikrorakenteeseen ja siten lujuuteen/kovuuteen.

Korroosio ja suojaukset

Teräs ruostuu hapen ja veden vaikutuksesta. Korroosion estoon käytetään erilaisia keinoja:

  • Galvanointi (sinkitys), maalaukset ja pinnoitukset
  • Ruostumattomat teräkset ja kromipitoiset seokset
  • Suojakerrokset, kuten maalit, polymeeripäällysteet ja katodinen suojaus

Käyttöalueet

Teräs on yksi yleisimmistä rakennusmateriaalista sen lujuuden, muokattavuuden ja hinnan vuoksi. Tyypillisiä käyttökohteita:

  • Rakentaminen: pilarit, palkit, sillat ja raudoitus
  • Koneenrakennus ja autoteollisuus: runkorakenteet, akselit, hammaspyörät
  • Kotitalous- ja teollisuuslaitteet: keittiövälineet, säiliöt, putkistot
  • Työkalut ja leikkureiden terät
  • Energia- ja putkiteollisuus: höyrykattilat, öljy- ja kaasulinjat

Kierrätys ja ympäristö

Teräs on erittäin kierrätettävyytensä puolesta arvokas materiaali: suuri osa uudesta teräksestä valmistetaan kierrätetystä materiaalista sähkökaariuunissa. Teräksen valmistus aiheuttaa kuitenkin merkittäviä hiilidioksidipäästöjä, ja alalla tehdään työtä päästöjen vähentämiseksi esimerkiksi vetyä hyödyntävillä prosesseilla ja lisäämällä sähköistystä.

Turvallisuus

Työ teräksen kanssa sisältää riskejä kuten terävät reunat, raskaat nostot ja hitsauksesta syntyvät höyryt sekä kuumuus. Oikeilla työmenetelmillä, suojaimilla ja hitsaustekniikoilla riskit voidaan hallita.

Yhteenvetona, teräs on monipuolinen ja taloudellinen materiaali, jonka ominaisuuksia voidaan laajasti muokata koostumuksella ja käsittelyillä. Sen laaja käyttöala ja hyvä kierrätettävyys tekevät siitä keskeisen materiaalin teollisuudessa ja rakentamisessa.

  Terässilta  Zoom
Terässilta  

Joitakin vanhoja teräksestä valmistettuja koneita  Zoom
Joitakin vanhoja teräksestä valmistettuja koneita  

Teräksen valmistus

Teräksellä on pitkä historia. Intiassa ja Sri Lankassa valmistettiin pieniä määriä terästä jo yli 2 500 vuotta sitten. Se oli hyvin kallista, ja sitä käytettiin usein miekkojen ja veitsien valmistukseen. Keskiajalla terästä voitiin valmistaa vain pieniä määriä, koska prosessit kestivät kauan.

Sen jälkeen teräksen valmistuksessa on tapahtunut monia muutoksia. Noin vuonna 1610 terästä alettiin valmistaa Englannissa, ja sen valmistustapa parani ja halpeni seuraavien 100 vuoden aikana. Halpa teräs auttoi käynnistämään teollisen vallankumouksen Englannissa ja Euroopassa. Ensimmäinen teollinen muunnin (metallurgia) halvan teräksen valmistamiseksi oli Bessemer-konvertteri, jota seurasi Siemens-Martinin avotuliprosessi.

Nykyisin yleisin tapa valmistaa terästä on happipohjainen prosessi. Konvertteri on suuri nauriin muotoinen astia. Siihen kaadetaan nestemäistä raakarautaa, jota kutsutaan "harkkoraudaksi", ja siihen lisätään hieman metalliromua lämmön tasapainottamiseksi. Sen jälkeen rautaan puhalletaan happea. Happi polttaa ylimääräisen hiilen ja muut epäpuhtaudet pois. Sen jälkeen hiiltä lisätään niin paljon, että hiilipitoisuus on halutunlainen. Nestemäinen teräs kaadetaan sitten. Se voidaan joko valaa muotteihin tai valssata levyiksi, laatoiksi, palkeiksi ja muiksi niin sanotuiksi "pitkiksi tuotteiksi", kuten rautatiekiskoiksi. Joitakin erikoisteräksiä valmistetaan valokaariuunissa.

Terästä valmistetaan useimmiten koneilla valtavissa rakennuksissa, joita kutsutaan terästehtaiksi. Se on erittäin halpa metalli, ja sitä käytetään monien tavaroiden valmistukseen. Terästä käytetään rakennusten ja siltojen sekä kaikenlaisten koneiden valmistukseen. Lähes kaikki laivat ja autot valmistetaan nykyään teräksestä. Kun teräsesine on vanha tai korjauskelvoton, sitä kutsutaan romuksi. Se voidaan sulattaa ja muotoilla uudelleen uudeksi esineeksi. Teräs on kierrätyskelpoinen materiaali, eli samaa terästä voidaan käyttää ja käyttää uudelleen.

 

Raudan ja teräksen kemia

Teräs on metalliseos, joka sisältää rautaa ja usein hiiltä.

Jokainen materiaali koostuu atomeista, jotka ovat hyvin pieniä osia. Jotkin atomit pysyvät melko hyvin yhdessä, mikä tekee joistakin kiinteistä materiaaleista kovia. Puhtaasta raudasta tehty aine on pehmeämpää kuin teräs, koska atomit voivat liukua toistensa päälle. Jos siihen lisätään muita atomeja, kuten hiiltä, ne eroavat rauta-atomeista ja estävät rauta-atomeja liukumasta toisistaan niin helposti. Tämä tekee metallista vahvemman ja kovemman.

Teräkseen lisätyn hiilen (tai muiden atomien) määrän muuttaminen muuttaa niitä asioita, jotka ovat metallissa mielenkiintoisia ja hyödyllisiä. Näitä kutsutaan teräksen ominaisuuksiksi. Joitakin ominaisuuksia ovat:

  • Kovuus
  • Kuinka helposti se taipuu
  • Taipuisuus: voidaanko siitä tehdä ohuita lankoja.
  • Vahvuus
  • Onko se magneettinen, magneetti voi poimia sen ylös?
  • Ruostuuko (tai syöpyykö)

Teräs, jossa on enemmän hiiltä, on kovempaa ja vahvempaa kuin puhdas rauta, mutta se myös murtuu helpommin (haurastuu).

 

Terästyypit

Terästyyppejä on tuhansia. Kukin tyyppi on valmistettu erilaisista kemiallisista alkuaineista.

Kaikissa teräksissä on joitakin haitallisia aineita, kuten fosforia (P) ja rikkiä (S). Teräksenvalmistajat poistavat mahdollisimman paljon P:tä ja S:ää.

Tavalliset hiiliteräkset koostuvat ainoastaan raudasta, hiilestä ja ei-toivotuista alkuaineista. Ne voidaan jakaa kolmeen yleiseen ryhmään. Tavallinen hiiliteräs, jossa on 0,05-0,2 % hiiltä, ei kovetu nopeasti jäähdytettäessä. Sen hitsaaminen on yksinkertaista, joten sitä käytetään laivanrakennuksessa, kattiloissa, putkissa, aitauslangassa ja muissa tarkoituksissa, joissa alhaiset kustannukset ovat tärkeitä. Tavallisia teräksiä käytetään jousissa, hammaspyörissä ja moottorin osissa. Tavallista hiiliterästä, jossa on 0,45-0,8 % hiiltä, käytetään erittäin kovissa kappaleissa, kuten saksissa ja työstökoneissa.

Seosteräkset ovat tavallisia hiiliteräksiä, joihin on lisätty metalleja, kuten booria (B), mangaania (Mn), kromia (Cr), nikkeliä (Ni), molybdeeniä (Mo), volframia (W) ja kobolttia (Co). Nämä antavat muita ominaisuuksia kuin tavallinen hiiliteräs. Seosteräkset valmistetaan erikoistarkoituksiin. Esimerkiksi kromia voidaan lisätä ruostumattoman teräksen valmistamiseksi, joka ei ruostu helposti, tai booria voidaan lisätä erittäin kovan teräksen valmistamiseksi, joka ei myöskään ole haurasta.

 Teräsköysi tai -kaapeli, joka on valmistettu monista ohuista teräslangoista.  Zoom
Teräsköysi tai -kaapeli, joka on valmistettu monista ohuista teräslangoista.  

Teräksen käyttötarkoitukset

Ihmiset valmistavat teräksestä valtavasti erilaisia tuotteita. Se on yksi yleisimmistä ja hyödyllisimmistä metalleista. Monet aiemmin raudasta tehdyt esineet on nykyään valmistettu teräksestä. Joitakin niistä ovat mm:

 

AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3