Bedste svar
Den gamle metallurgiske ingeniør og stålmager siger:
Stål er ikke en forbindelse , som har definerede proportioner af elementerne, der omfatter det. Stål er en legering og kan som sådan indeholde forskellige mængder legeringselementer. Der er ingen “molekylær” formel for stål, fordi der ikke er noget sådant som et stålmolekyle.
For eksempel AISI 6150H er et legeret stål med følgende kemiske sammensætning (i vægt\% af legeringselementet):
0,75 – 1,20 Cr
0,60 – 1,00 Mn
0,47 – 0,54 C
0,15 – 0,30 Si
≥0,15 V
≤0,040 S
≤0,035 P
Du kan se, at legeringselementerne har en række værdier; der er ingen fast andel.
Yderligere oplysninger om AISI 6150H stål:
Elasticitetsmodul: 200GPa
Trækstyrke: 924MPa (134.000 psi)
Udbyttestyrke: 800MPa (116.000psi)
Hårdhed: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Brudforlængelse 19,5\%
Svar
Jeg ser, at mange af disse svar hænger på ordformlen snarere end at forsøge at fortolke hensigten med dit spørgsmål. Som lægmand anser jeg “kemisk sammensætning” og “kemisk formel” for at være identiske nok til at fortolke “strukturformel” som “struktursammensætning”, så jeg vil gøre mit bedste for at forklare ståls komplicerede strukturelle sammensætning.
Strukturelt er det en ideel homogen dispersion af kubiske krystallinske strukturer af jernatomer med carbonatomer opløst i og blandt disse terninger. Den kubiske struktur af jernkrystaller kan enten være kropscentreret kubisk, BCC, med et jernatom i midten af en terning af jernatomer ved hver af sine seks hjørner eller ansigt-centreret kubisk med et jernatom centralt placeret på hver af terningens seks ansigter. Når stål opvarmes til en tilstrækkelig temperatur, kaldet det er eutektisk punkt, overgår BCC-konfigurationen af jernatomer kaldet ferrit til FCC-form kaldet austenit, en fast opløsning, der gør det muligt for carbonatomer at opløses i den krystallinske struktur. Afhængigt af stålets kemiske sammensætning kan det forblive som austenit ved stuetemperatur. Dette er tilfældet med nogle rustfrit stål og kan identificeres som sådan med en magnet. Austenitisk stål er ikke-magnetisk. Stål har en unik egenskab, hvor FCC-austenit med kulstofatomer opløst i det hurtigt omdannes til en stærkt anstrengt BCC-form, der adskiller sig fra ferrit, og fryser kulstofatomer på plads, når det opvarmes til det eutektiske punkt og hurtigt afkøles eller slukkes. . Dette materiale kaldes martensit. Martensitiske stål er magnetiske. Afhængigt af stålets kemiske sammensætning og kølehastighed forbliver forskellige mængder austenit i stålet. Bibeholdt austenit holdes generelt lavt i martensitisk stål. Dispersionen af kulstofatomer fastlåst i martensitisk stål forhindrer forskydning af jernatomer fra deres position i deres krystalstrukturer. Det er det, der giver martensitisk stål, at det er høj hårdhed. Derfor er stål så sejt. Ved at manipulere temperatur, tid og kemisk sammensætning kan vi kontrollere, hvad der sker, når sige, en stålstang, er bøjet. Vi kan gøre det, så det forbliver permanent bøjet, eller bøjer en smule og derefter bryder eller springer tilbage i sin oprindelige form. Oven i det kan vi ændre, hvor hårdt stålet er.
Også fundet i stål er indeslutninger af jerncarbider, Fe3C, hårde, skøre keramiske materialer spredt mellem jern-kulstoflegeringen. Tilstedeværelsen af disse karbider kan forbedre den øvre grænse for, hvor meget et stål kan hærdes, men også gøre stålet mere sprødt. Stål indeholder også nogle forskellige niveauer af urenheder, eller legeringselementer kan tilføjes for at øge eller mindske visse egenskaber ved stålet. Krom, wolfram, vanadium, molybdæn, niob, nikkel, titanium, bor og mangan er elementer, der forsætligt tilsættes for at forbedre stålets hårdhed, stødmodstand, modstandsdygtighed over for deformation, slagfasthed og ridsefasthed og bearbejdelighed ved forskellige temperaturer. Krom, der udfældes på overfladen af stålet, danner chromoxid ved kontakt med ilt, hvilket forbedrer stålets modstandsdygtighed over for korrosion. Mange af disse elementer danner også carbider og nitrider, blandt de hårdeste kendte materialer. Wolframcarbid og bornitrid ville være to gode eksempler på ekstremt hårde materialer, der kan findes i nogle stål.
Andre elementer, der findes i stål, der er mindre hyppigt ønskede, er silicium, svovl, ilt, fosfor, nitrogen, brint og kobber. Silicium nedsætter nogle af stålets mekaniske egenskaber, men forbedrer også dets magnetiske egenskaber – sænker hysterese og kernetab, samtidig med at den forbedrer magnetisk permeabilitet. Det er denne egenskab, der gør høj-siliciumstål meget nyttigt som et kernemateriale i elektromagneter, elektriske motorer og transformatorer og induktorer med lavere frekvens.Svovl forbedrer stålets bearbejdelighedsegenskaber, inden det slukkes. Fosfor og nitrogen kan hjælpe med at forbedre stålets modstandsdygtighed over for korrosion. Kobber øger duktilitet, hvilket normalt er en dårlig ting, men gør det lettere at varme stålet. Oxygen driver urenheder ud under stålfremstillingsprocessen, men som en urenhed gør det stålet mere modtageligt for korrosion og sænker hærdbarheden. Brint er simpelthen dårligt. Det gør stål meget skørt ved at fremme forskydninger i jernkrystalgitteret. Dette gør stål til et dårligt valg, når der findes hydrogen og høje temperaturer.
Den homogene spredning af legeringselementer i jernet er meget efterspurgt og giver moderne stål utrolige materialegenskaber i forhold til hvad der var muligt tidligt stålproduktion. Tilstrækkelig høje temperaturer, der kan smelte alle de elementer, der anvendes i stålfremstillingsprocessen, gør det lettere for dem at blande sig sammen. En teknik til forbedring af denne homogene spredning af grundstoffer, der anvendes til højtydende stål, er pulvermetallurgi. Stålet smeltes, sprøjtes som fine dråber, der afkøles og danner et pulver, der derefter skabeloner og formes til grundlæggende former. Mønstersvejsning af stål med forskellige egenskaber sammen ved meget høje temperaturer er nyttigt, for eksempel ved fremstilling af skæreværktøjer, hvor skærekanten har høj hårdhed og er beklædt med et stål, der har en lavere hårdhed, men bedre modstandsdygtighed over for belastning, deformation og korrosion. Kemiske processer kan også bruges til at forbedre stålets overfladehårdhed og korrosionsbestandighed. Opvarmning af stål til temperaturer, der tillader andre grundstoffer såsom ekstra kulstof, bor og kvælstof som en atmosfære med lavt iltindhold og højt indhold af gasser, der indeholder disse grundstoffer, bruges til at give værktøjer såsom filer, vandhaner, matricer og nedbryder deres evne til at skære stål , eller for at give pistoldele en større modstandsdygtighed over for korrosion, galdning og ridser og sliddeformation.
Endelig findes der en amorf krystallinsk form af jern-kulstoflegering. Teknisk set gør det det til et glas, og det har nogle utroligt underlige egenskaber, der ligger uden for dette svar. Magic 8-ball siger spørg igen senere.