You would like to know the actual structure of metals and what is important in iron production?°

Here you can find out what materials actually are and why materials technology is important. You will learn step by step about the structure of metals, see how the combination of atoms forms the crystal lattice and how the structure is created from this. You will also learn which properties metals have. Finally, you will go through the process of extracting iron and producing steel and see what needs to be taken into account.

Material subdivisions

Materials can be split into metals or non-metals. Steel and cast iron are among the most commonly used materials worldwide.

Materials technology and its importance

The purpose for which a particular material is used depends on its properties. These can be divided into different categories.

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Various scientific material technology methods are used to place materials into different categories and properties in the first place.

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Materials technology deals with extraction and use of materials and examines their various properties. This enables materials to be used properly, new materials to be developed and existing ones to be improved.

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Knowledge of the internal structure of materials is a prerequisite for analysing their properties. Only when you know what components a material is made up of and how these work are you able to gain new insights for further development.

Metals under the microscope

The positive charged particles of metal atoms are always arranged at fixed distances to one another, forming the crystalline lattice. They emit negative electrons, which surround the crystalline lattice as a so-called electron cloud. The electrons can move freely within this cloud, but cannot leave it.

The attraction of the positive and negative charges creates a strong metal bond. This ensures an extremely stable bond of the metal atoms and in turn the strength of the metal.

Summary of materials

You now know that materials have always played an important role and have characterised many eras and cultures. You have learnt that materials can generally be divided into metals and non-metals and can have different properties.°

You have also have learnt that materials technology is used to investigate the properties of materials so that new ones can be developed and existing ones improved. Finally, you have seen that metals are made up of a structure, crystal lattice and finally metal atoms, whose composition influences the metallic properties.

Structure of metals

Now we will take a look at the exact structure of metals and their properties. To do this, you will first find out how metals conduct and can be deformed. You will get to know different types of crystalline lattice and see what kind of lattice defects can occur. Then we will take a closer look at the structure of metals and get to understand what happens with alloys. Finally, you will learn what types of alloys there are and how to read corresponding parametric diagrams.  

Conductivité des métaux

Les métaux sont conducteurs et sont donc utilisés à diverses fins dans la vie quotidienne. La structure de leur réseau cristallin permet de mieux comprendre leur conductivité électrique.

Déformation des métaux

Outre leur conductivité électrique, les métaux sont également malléables. Ce faisant, ils subissent une déformation élastique ou plastique.

Revenons au niveau atomique dans le réseau cristallin. Lorsqu’une force est exercée sur une tôle, les atomes métalliques sont légèrement déplacés de leur position dans le réseau cristallin, mais ils reprennent ensuite leur place initiale. Cependant, dans le cas d’un bloc d’alliage, le déplacement dans le réseau cristallin persiste après la fin de l’application de la force, ce qui entraîne une déformation permanente.

Drei wichtigste Kristallgitterarten

KUBISCH-RAUMZENTRIERT (KRZ) 

Der Würfel besitzt ein Metallatom in der Mitte, das umschlossen wird. Da es nur locker gepackt ist, gibt es keine Stapelfolge. 

Relativ viel Platz zwischen den Atomen ermöglicht Einlagerung zusätzlicher Fremdatome. 

KUBISCH-FLÄCHENZENTRIERT (KFZ) 

Der Würfel besteht aus insgesamt 8 Atomen in den Würfelecken und je einem Atom in der Mitte der Seitenflächen. 

Die Atome sind in drei Stapeln angeordnet (ABC) und bilden dadurch eine dichteste Kugelpackung. 

Eine gestörte Stapelfolge führt zu Stapelfehlern, in die Legierungselemente eingelagert werden können. Daraus ergeben sich andere Eigenschaften. 

HEXAGONAL-DICHTEST GEPACKT (HDR) 

Die Metallatome sind in einem sechseckigen Prisma angeordnet mit je einem Atom in der Mitte der Grundflächen. 3 Atome befinden sich innerhalb des Prismas. 

Die Stapelfolge ist ABA und bildet so eine dichteste Kugelpackung. 

Große Gitterlücken bieten Platz für Fremdatome. 

Schlechter kalt umformbar als Metalle mit kfz-Gitter. 

Gitterbaufehler

Metalle sind keine Idealkristalle, sondern weisen Gitterfehler auf. Je nach Art und Größe lassen sich die Gitterfehler drei Dimensionen zuordnen. Die erste Dimension sind die nulldimensionalen Fehler. Diese entsprechen einem Gitterpunkt und lassen sich nochmals unterteilen.

Die nulldimensionalen Fehler haben in der Regel keine negativen Auswirkungen auf Eigenschaften metallischer Werkstoffe, sondern ermöglichen sogar wichtige Wärmebehandlungen.

Eindimensionalen Fehler

Daneben gibt es noch die eindimensionalen Fehler, auch Linienfehler genannt. Wird eine Halbebene in das reguläre Kristallgitter eingeschoben, ist die Linie gestört und es bildet sich so eine Stufenversetzung. Versetzungen sind beweglich und somit Ursache für die plastische Verformbarkeit von Metallen.

zweidimensionalen Fehlern 

Bei zweidimensionalen Fehlern kommt es zu Stapelfehlern     der regulären Schichtenfolge. Stapelfehler entstehen durch   Kristallisation oder durch Zusammenfallen eines   Leerstellenclusters. Zweidimensionale Gitterfehler haben   Einfluss auf die Zugfestigkeit eines Metalls. 

Gefüge

Sie haben bereits erfahren, dass Metalle aus vielen regelmäßig geformten Körnern bestehen, die in ihrer Vielzahl das Gefüge bilden. Mit bloßem Auge ist das Gefüge nicht zu erkennen. Doch mit einem metallografischen Schliffbild kann das Gefüge unter einem Metallmikroskop sichtbar gemacht werden. 

Das Schliffbild zeigt die Korngröße und die Korngrenzen eines Metalls. Die Korngröße reicht von feinkörnig bis grobkörnig und lässt sich durch gezielte Behandlung einstellen. Korngrenzen stellen Unterbrechungen der Atomanordnung der Körner dar und zählen zu den erwähnten zweidimensionalen Gitterfehlern. Diese entstehen beispielsweise während der Kristallisation. 

Feinkörnige Metalle haben bessere mechanische Eigenschaften gegenüber grobkörnigen, da es mehr Korngrenzen gibt. Eine Erhöhung der Korngrenze verbessert die Zähigkeit.  Allerdings entstehen bei erhöhten Temperaturen unerwünschte Kriechvorgänge.

Kornformen

Neben der Gemeinsamkeit von Korngröße und Korngrenzen gibt es je nach Metall und Kristallgittertyp unterschiedliche Kornformen.

GLOBULARE KÖRNER Rundliche Körner, z. B. reines Eisen	POLYEDRISCHE KÖRNER  Körner in Vieleckform, z. B. Eisen mit Austenitgefüge
DENDRITISCHE KÖRNER Nadelartige Körner, z. B. gehärteter Stahl	LAMELLENARTIGE GEFÜGE Lamellenartig geformte Kristalle, z. B. Lamellengrafit von Grauguss

Zustandsdiagramme von Legierungen

Zur Erforschung und Weiterentwicklung der Eigenschaften von Legierungen werden deren Zustandsdiagramme analysiert. Allgemein bilden Zustandsdiagramme die Aggregatzustände reiner Metalle ab. Dafür wird der Knickpunkt in der Abkühlungs- beziehungsweise Erwärmungskurve verwendet. 

Bei Legierungen kommt noch die Temperatur des zweiten Metalls hinzu sowie das Mischungsverhältnis in der Legierung. Werden nun alle Knickpunkte übertragen und die Temperaturpunkte verbunden, ergibt sich das Zustandsdiagramm für die Legierung.   

Mischkristalle und Kristallgemische haben unterschiedliche Zustandsdiagramme. Mischkristalle wie Kupfer und Nickel sind geprägt durch eine vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand.

Das Zustandsdiagramm für Kristallgemische wie Blei und Zinn sieht anders aus. Dieses ist durch eine vollständige Löslichkeit im flüssigen und Unlöslichkeit im festen Zustand geprägt.

L’extraction de la fonte brute

Dans la dernière partie, nous allons d’abord voir comment on extrait la fonte brute et quelles sont les étapes importantes de ce processus. Vous découvrirez ensuite les différents procédés permettant de transformer la fonte brute en acier. Pour finir, vous verrez les différentes méthodes de traitement ultérieur et de coulée de l’acier. 

Comme vous l’avez appris, l’acier est l’un des matériaux les plus utilisés au monde. Son principal composant est le fer. Le fer est présent dans la nature sous forme de minerai de fer, un composé de fer et d’oxygène. Pour fabriquer de l’acier, le fer doit d’abord être extrait au moyen de procédés de réduction. 

Deux procédés de réduction sont utilisés pour l’extraction de la fonte brute. Voici un aperçu de ces deux procédés. 

La fabrication de l’acier

Une fois la fonte brute, ou l’éponge de fer solide, obtenue, on passe à ce que l’on appelle les « procédés d’affinage » pour produire l’acier. Pouvez-vous imaginer ce qui se passe lors de l’affinage ? 

Dans le procédé de soufflage à l’oxygène, la fonte brute liquide est versée dans un convertisseur avec de la ferraille et des additifs. Un tube refroidi à l’eau insuffle de l’oxygène dans ce récipient, ce qui provoque une réaction chimique avec les particules de fer. Le carbone contenu dans la fonte brute s’oxyde et la chaux vient fixer les impuretés présentes dans le fer. L’acier et les scories sont ensuite coulés.

Le procédé du four à arc électrique est utilisé pour la fabrication d’aciers fortement alliés. Pour ce faire, on remplit une cuve de fusion de fonte brute et d’autres composants. On place des électrodes en carbone par-dessus, puis on déclenche un arc électrique. Le carbone résiduel et les impuretés sont éliminés par combustion au cours de la fusion. L’acier et les scories sont ensuite coulés.

Après la fabrication de l’acier, il reste souvent des composants indésirables. Pour obtenir des aciers de qualité, on élimine ces composants en recourant à des traitements ultérieurs. Vous trouverez ici les principaux procédés et leur description. Sélectionnez les procédés pour en savoir plus.