Paras vastaus
Vanha metallurgian insinööri ja Steelmaker sanoo:
Teräs ei ole yhdiste , joka on määritellyt osuudet sen muodostavista elementeistä. Teräs on seos, ja sellaisenaan se voi sisältää useita määriä seosaineita. Teräkselle ei ole ”molekyylikaavaa”, koska teräsmolekyyliä ei ole.
Esimerkiksi AISI 6150H on seosterästä, jolla on seuraava kemiallinen koostumus (painoprosentteina seosaineesta):
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
Voit nähdä, että seosaineilla on arvoalue; kiinteää osuutta ei ole.
Lisätietoja AISI 6150H -teräksestä:
Kimmomoduuli: 200GPa
Vetolujuus: 924MPa (134 000 psi)
Tuotto: 800 MPa (116 000 psi)
Kovuus: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Murtovenymä 19,5\%
Vastaus
Huomaan, että monet näistä vastauksista jäävät kiinni sanakaavaan sen sijaan, että yrittäisivät tulkita kysymyksesi tarkoitusta. Maallikkona pidän ”kemiallista koostumusta” ja ”kemiallista kaavaa” riittävän identtisinä tulkitsemaan ”rakennekaava” ”rakennekoostumukseksi”, joten yritän parhaani mukaan selittää teräksen monimutkaisen rakennekoostumuksen.
Rakenteellisesti se on ihanteellisesti homogeeninen rauta-atomien kuutiomaisen kiteisen rakenteen dispersio, jossa hiiliatomit ovat liuenneet näihin kuutioihin ja niiden kesken. Rautakiteiden kuutiomainen rakenne voi olla joko kehon keskitetty kuutio, BCC, jossa on rautiatomi kuuden kärjessä olevan rautatomi-kuution keskellä, tai kasvot-keskitetty kuutio, jossa rauta-atomi on keskitetysti jokaisessa kuution kuusi kasvoa. Kun teräs kuumennetaan riittävään lämpötilaan, jota kutsutaan sen eutektiseksi pisteeksi, ferriittiksi kutsuttujen rautaatomien BCC-konfiguraatio siirtyy FCC-muotoon, jota kutsutaan austeniitiksi, kiinteäksi liuokseksi, joka antaa hiiliatomien liukentua sen kiteiseen rakenteeseen. Teräksen kemiallisesta koostumuksesta riippuen se voi jäädä austeniitiksi huoneenlämpötilassa. Näin on joissakin ruostumattomissa teräksissä, ja ne voidaan tunnistaa magneeteilla. Austeniittinen teräs ei ole magneettinen. Teräksellä on ainutlaatuinen ominaisuus, jossa kuumennettaessa eutektiseen pisteeseen ja nopeasti jäähdytettynä tai sammutettuna FCC-austeniitti, johon on liuennut hiiliatomeja, muuttuu nopeasti erittäin kireäksi BCC-muodoksi, erilliseksi ferriitistä, pakastamalla paikallaan olevat hiiliatomit . Tätä materiaalia kutsutaan martensiitiksi. Martensiittiteräkset ovat magneettisia. Teräksen kemiallisesta koostumuksesta ja jäähdytysnopeudesta riippuen teräksessä on vaihtelevia määriä austeniittia. Pidätetty austeniitti pidetään yleensä vähäisenä martensiittiteräksissä. Martensiittiteräksissä lukittujen hiiliatomien leviäminen estää rautatomien siirtymisen niiden sijainnista kristallirakenteissaan. Tämä antaa martensiittiteräkselle sen kovuuden. Siksi teräs on niin siistiä. Lämpötilaa, aikaa ja kemiallista koostumusta manipuloimalla voimme hallita mitä tapahtuu, kun sanotaan, että teräspalkki taipuu. Voimme tehdä sen niin, että se pysyy pysyvästi taivutettuna tai taipuu hieman ja sitten rikkoutuu tai joustaa takaisin alkuperäiseen muotoonsa. Tämän lisäksi voimme muuttaa teräksen kovuutta.
Teräksessä on myös rauta-karbidien, Fe3C: n, kovien, hauraiden keraamisten materiaalien hajaantumista rauta-hiiliseoksen keskelle. Näiden karbidien läsnäolo voi parantaa teräksen kovettumisen ylärajaa, mutta myös tehdä teräksestä hauraampaa. Teräs sisältää myös joitain vaihtelevia epäpuhtauksia tai seosaineita voidaan lisätä teräksen tiettyjen ominaisuuksien lisäämiseksi tai vähentämiseksi. Kromi, volframi, vanadium, molybdeeni, niobium, nikkeli, titaani, boori ja mangaani ovat elementtejä, jotka on tarkoituksella lisätty parantamaan teräksen kovuutta, iskunkestävyyttä, muodonmuutoksen vastustuskykyä, iskunkestävyyttä ja naarmuuntumista sekä työstettävyyttä vaihtelevissa lämpötiloissa. Teräksen pinnalle saostuva kromi muodostaa kromioksidia joutuessaan kosketuksiin hapen kanssa, mikä parantaa teräksen korroosionkestävyyttä. Monet näistä alkuaineista muodostavat myös karbideja ja nitridejä, tunnetuimpien materiaalien joukossa. Volframikarbidi ja boorinitridi ovat kaksi hyvää esimerkkiä erittäin kovista materiaaleista, joita löytyy joistakin teräksistä.
Muita teräksessä esiintyviä vähemmän toivottuja elementtejä ovat pii, rikki, happi, fosfori, typpi, vety ja kupari. Pii vähentää joitain teräksen mekaanisia ominaisuuksia, mutta parantaa myös sen magneettisia ominaisuuksia – alentaa hystereesiä ja sydämen häviöitä ja parantaa samalla magneettista läpäisevyyttä. Juuri tämä ominaisuus tekee korkeapiiniteräksestä erittäin hyödyllisen ydinmateriaalina sähkömagneeteissa, sähkömoottoreissa ja matalataajuisissa muuntajissa ja induktoreissa.Rikki parantaa teräksen työstettävyysominaisuuksia ennen sammutusta. Fosfori ja typpi voivat auttaa parantamaan teräksen korroosionkestävyyttä. Kupari lisää sitkeyttä, mikä on yleensä huono asia, mutta tekee teräksestä helpomman kuumakäsiteltävän. Happi ajaa epäpuhtaudet pois teräksen valmistusprosessin aikana, mutta epäpuhtauksena se tekee teräksestä alttiimmaksi korroosiolle ja heikentää kovettuvuutta. Vety on vain huono. Se tekee teräksestä hyvin hauraan edistämällä dislokaatioita rautakristikossa. Tämä tekee teräksestä huonon valinnan, kun vetyä ja korkeita lämpötiloja esiintyy samanaikaisesti.
Seosaineiden homogeeninen dispersio raudassa on erittäin haluttu ja antaa nykyaikaisille teräksille uskomattomat materiaaliominaisuudet verrattuna siihen, mikä oli mahdollista varhaisessa vaiheessa teräksen tuotanto. Riittävän korkeat lämpötilat, jotka voivat sulattaa kaikki teräksen valmistuksessa käytetyt elementit, helpottavat niiden sekoittumista toisiinsa. Yksi tekniikka tämän suuritehoisille teräksille käytetyn elementtien homogeenisen leviämisen parantamiseksi on jauhemetallurgia. Teräs sulatetaan, ruiskutetaan hienoin pisaroina, jotka jäähtyvät ja muodostavat jauheen, joka sitten on malline ja muodostuu perusmuodoiksi. Eri ominaisuuksilla varustetut kuviohitsausteräkset yhdessä erittäin korkeissa lämpötiloissa ovat hyödyllisiä esimerkiksi leikkaustyökalujen valmistuksessa, kun leikkausreunalla on suuri kovuus ja joka on verhottu teräkseen, jonka kovuus on alhaisempi, mutta joka kestää paremmin venymistä, muodonmuutoksia ja korroosio. Kemiallisia prosesseja voidaan käyttää myös terästen pintakovuuden ja korroosionkestävyyden parantamiseen. Teräksen lämmittämistä lämpötiloihin, jotka sallivat muiden alkuaineiden, kuten hiili-, boori- ja typpipitoisuuden, ilmapiirinä, jossa on vähän happea ja runsaasti näitä elementtejä sisältäviä kaasuja, käytetään työkalujen, kuten viilojen, hanojen, muottien ja aukkojen, kykyyn leikata teräksiä tai antaa pistoolin osille paremman kestävyyden korroosiota, särkymistä, naarmuuntumista ja hankautumista vastaan.
Lopuksi on olemassa rauta-hiiliseoksen amorfinen kiteinen muoto. Teknisesti tämä tekee siitä lasin, ja sillä on uskomattoman outoja ominaisuuksia, jotka eivät kuulu tämän vastauksen piiriin. Maaginen 8-pallo sanoo kysy uudelleen myöhemmin.