Beste svaret
Den gamle metallurgiske ingeniøren og stålmakeren sier:
Stål er ikke en forbindelse , som har definert proporsjoner av elementene som omfatter den. Stål er en legering, og kan som sådan inneholde forskjellige mengder legeringselementer. Det er ingen «molekylær» formel for stål, fordi det ikke er noe som heter et molekyl av stål.
For eksempel AISI 6150H er et legeringsstål med følgende kjemiske sammensetning (i vekt\% av 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 legeringselementene har en rekke verdier; det er ingen fast andel.
Ytterligere informasjon om AISI 6150H stål:
Elastisitetsmodul: 200GPa
Strekkfasthet: 924MPa (134.000 psi)
Utbyttestyrke: 800MPa (116.000 psi)
Hardhet: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Bruddforlengelse 19,5\%
Svar
Jeg ser at mange av disse svarene blir hengt opp på ordformelen, i stedet for å prøve å tolke hensikten med spørsmålet ditt. Som lekmann anser jeg «kjemisk sammensetning» og «kjemisk formel» for å være identiske nok til å tolke «strukturformel» som «strukturell sammensetning», så jeg vil prøve mitt beste for å forklare den kompliserte struktursammensetningen av stål.
Strukturelt sett er det en ideell homogen dispersjon av kubiske krystallinske strukturer av jernatomer med karbonatomer oppløst i og blant disse terningene. Den kubiske strukturen til jernkrystaller kan enten være kroppssentrert kubisk, BCC, med et jernatom i midten av en kube av jernatomer ved hver av sine seks hjørner, eller ansiktssentrert kubikk, med et jernatom sentralt plassert på hver av kubens seks ansikter. Når stål varmes opp til tilstrekkelig temperatur, kalt det er eutektisk punkt, overgår BCC-konfigurasjonen av jernatomer kalt ferrit til FCC-formen kalt austenitt, en solid løsning som gjør at karbonatomer kan oppløses i den krystallinske strukturen. Avhengig av stålets kjemiske sammensetning, kan den forbli som austenitt ved romtemperatur. Dette er tilfellet med noen rustfrie stål, og kan identifiseres som sådan med en magnet. Austenittisk stål er ikke-magnetisk. Stål har en unik egenskap der FCC-austenitt med karbonatomer oppløst i det raskt omdannes til en høyspenet BCC-form, forskjellig fra ferritt, og fryser karbonatomer på plass når det blir oppvarmet til det eutektiske punktet og raskt avkjølt eller slukket. . Dette materialet kalles martensitt. Martensittiske stål er magnetiske. Avhengig av stålets kjemiske sammensetning og avkjølingshastighet, vil det forbli forskjellige mengder austenitt i stålet. Holdt austenitt holdes generelt lavt i martensittisk stål. Dispersjonen av karbonatomer som er låst på plass i martensittisk stål, forhindrer forskyvning av jernatomer fra deres posisjon i deres krystallstrukturer. Dette er det som gir martensittisk stål høy hardhet. Dette er grunnen til at stål er så kult. Ved å manipulere temperatur, tid og kjemisk sammensetning, kan vi kontrollere hva som skjer når vi sier, en stålstang, er bøyd. Vi kan gjøre det slik at det blir bøyd permanent, eller bøyer seg litt og bryter, eller springer tilbake i original form. På toppen av det kan vi endre hvor hardt stålet er.
Også funnet i stål er inneslutninger av jernkarbider, Fe3C, harde, sprø keramiske materialer spredt mellom jern-karbonlegeringen. Tilstedeværelsen av disse karbidene kan forbedre den øvre grensen for hvor mye et stål kan herdes, men også gjøre stålet mer sprøtt. Stål inneholder også noen varierende nivåer av urenheter, eller legeringselementer kan tilsettes for å øke eller redusere visse egenskaper av stålet. Krom, wolfram, vanadium, molybden, niob, nikkel, titan, bor og mangan er elementer med vilje tilsatt for å forbedre stålets hardhet, støtmotstand, motstand mot deformasjon, slagfasthet og ripebestandighet og bearbeidbarhet ved varierende temperaturer. Krom som faller ut på overflaten av stålet danner kromoksid ved kontakt med oksygen, noe som forbedrer stålets motstand mot korrosjon. Mange av disse elementene danner også karbider og nitrider, blant de vanskeligste materialene som er kjent. Wolframkarbid og bornitrid ville være to gode eksempler på ekstremt harde materialer som kan finnes i noen stål.
Andre elementer som finnes i stål som er mindre ofte ønsket er silisium, svovel, oksygen, fosfor, nitrogen, hydrogen og kobber. Silisium reduserer noen av de mekaniske egenskapene til stål, men forbedrer også magnetiske egenskaper, senker hysterese og kjernetap og forbedrer magnetisk permeabilitet. Det er denne egenskapen som gjør høysilisiumstål veldig nyttig som et kjernemateriale i elektromagneter, elektriske motorer og transformatorer og induktorer med lavere frekvens.Svovel forbedrer stålets bearbeidbarhetsegenskaper før det slukkes. Fosfor og nitrogen kan bidra til å forbedre stålets motstand mot korrosjon. Kobber øker duktiliteten, noe som vanligvis er en dårlig ting, men som gjør stålet lettere å varme. Oksygen driver ut urenheter under stålproduksjonen, men som urenhet gjør det stålet mer utsatt for korrosjon og reduserer herdbarheten. Hydrogen er rett og slett dårlig. Det gjør stål veldig sprøtt ved å fremme forskyvninger i jernkrystallgitteret. Dette gjør stål til et dårlig valg når hydrogen og høye temperaturer eksisterer.
Den homogene spredning av legeringselementer i jernet er svært ettertraktet, og gir moderne stål utrolige materialegenskaper sammenlignet med hva som var mulig med tidlig stålproduksjon. Tilstrekkelig høye temperaturer som kan smelte alle elementene som brukes i stålproduksjonen, gjør det lettere for dem å blande sammen. En teknikk for å forbedre denne homogene spredning av elementer som brukes til høyytelsesstål er pulvermetallurgi. Stålet smeltes, sprayes som fine dråper som avkjøles og danner et pulver som deretter males og formes til grunnleggende former. Mønstersveising av stål med forskjellige egenskaper sammen ved veldig høye temperaturer er nyttig, for eksempel ved å lage skjæreverktøy der skjærekanten har høy hardhet, og er kledd i et stål som har lavere hardhet, men bedre motstand mot belastning, deformasjon og korrosjon. Kjemiske prosesser kan også brukes til å forbedre stålets overflatehardhet og korrosjonsbestandighet. Oppvarming av stål til temperaturer som tillater andre grunnstoffer som ekstra karbon, bor og nitrogen som en atmosfære med lite oksygen og høyt innhold av gasser som inneholder disse elementene, brukes til å gi verktøy som filer, kraner, matriser og bryter deres evne til å kutte stål , eller for å gi pistoldelene en større motstand mot korrosjon, galle og riper og slitasje deformasjon.
Til slutt eksisterer en amorf krystallinsk form av jern-karbon legering. Teknisk sett gjør dette det til et glass, og det har noen utrolig rare egenskaper som ligger utenfor omfanget av dette svaret. Magic 8-ball sier spør igjen senere.