Beste antwoord
The Old Metallurgical Engineer and Steelmaker zegt:
Staal is geen compound , dat bepaalde verhoudingen heeft van de elementen waaruit het bestaat. Staal is een legering en kan als zodanig verschillende hoeveelheden legeringselementen bevatten. Er is geen moleculaire formule voor staal, omdat er niet zoiets bestaat als een molecuul staal.
Bijvoorbeeld AISI 6150H is een gelegeerd staal met de volgende chemische samenstelling (in gew.\% van het legeringselement):
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
U kunt zien dat de legeringselementen een reeks waarden hebben; er is geen vaste verhouding.
Aanvullende informatie over AISI 6150H-staal:
Elasticiteitsmodulus: 200GPa
Treksterkte: 924MPa (134.000 psi)
Opbrengststerkte: 800 MPa (116.000 psi)
Hardheid: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Rek bij breuk 19,5\%
Antwoord
Ik zie dat veel van deze antwoorden worden opgehangen aan de woordformule, in plaats van te proberen de bedoeling van uw vraag te interpreteren. Als leek beschouw ik “chemische samenstelling” en “chemische formule” identiek genoeg om “structuurformule” te interpreteren als “structurele samenstelling”, dus ik zal mijn best doen om de gecompliceerde structurele samenstelling van staal uit te leggen.
Structureel gezien is het een ideaal homogene dispersie van kubische kristallijne structuren van ijzeratomen met koolstofatomen die zijn opgelost in en tussen deze kubussen. De kubische structuur van ijzerkristallen kan ofwel lichaamsgecentreerd kubisch zijn, BCC, met een ijzeratoom in het midden van een kubus van ijzeratomen op elk van zijn zes hoekpunten, of vlakgecentreerde kubus, met een ijzeratoom centraal gelegen op elk van de zes hoekpunten. de zes gezichten van de kubus. Wanneer staal wordt verwarmd tot een voldoende temperatuur, het zogenaamde eutectische punt, gaat de BCC-configuratie van ijzeratomen, ferriet genaamd, over in de FCC-vorm die austeniet wordt genoemd, een vaste oplossing die koolstofatomen laat oplossen in zijn kristallijne structuur. Afhankelijk van de chemische samenstelling van het staal kan het bij kamertemperatuur als austeniet blijven. Dit is het geval bij sommige soorten roestvrij staal en is als zodanig te herkennen aan een magneet. Austenitisch staal is niet magnetisch. Staal heeft een unieke eigenschap waarbij het FCC-austeniet met daarin opgeloste koolstofatomen, wanneer het wordt verwarmd tot het eutectische punt en snel wordt afgekoeld of geblust, snel wordt omgezet in een sterk gespannen BCC-vorm, verschillend van ferriet, waardoor de koolstofatomen op hun plaats worden bevroren . Dit materiaal wordt martensiet genoemd. Martensitische staalsoorten zijn magnetisch. Afhankelijk van de chemische samenstelling van het staal en de afkoelsnelheid, zullen er verschillende hoeveelheden austeniet in het staal achterblijven. Vastgehouden austeniet wordt over het algemeen laag gehouden in martensitische staalsoorten. De dispersie van koolstofatomen die op hun plaats zijn vergrendeld in martensitische staalsoorten, voorkomt ontwrichting van ijzeratomen vanuit hun positie in hun kristalstructuren. Dit is wat martensitisch staal zijn hoge hardheid geeft. Daarom is staal zo cool. Door de temperatuur, tijd en chemische samenstelling te manipuleren, kunnen we bepalen wat er gebeurt als bijvoorbeeld een stalen staaf wordt gebogen. We kunnen het zo maken dat het permanent gebogen blijft, of een klein beetje buigt en dan breekt, of terugveert in zijn oorspronkelijke vorm. Bovendien kunnen we veranderen hoe hard het staal is.
Ook in staal zijn insluitsels van ijzercarbiden, Fe3C, harde, brosse keramische materialen verspreid over de ijzer-koolstof legering. De aanwezigheid van deze carbiden kan de bovengrens verbeteren van hoeveel een staal gehard kan worden, maar kan het staal ook brozer maken. Staal bevat ook een aantal verschillende niveaus van onzuiverheden of legeringselementen kunnen worden toegevoegd om bepaalde eigenschappen van het staal te vergroten of te verkleinen. Chroom, wolfraam, vanadium, molybdeen, niobium, nikkel, titanium, boor en mangaan zijn elementen die opzettelijk zijn toegevoegd om de hardheid, schokbestendigheid, weerstand tegen vervorming, slagvastheid en krasbestendigheid van staal te verbeteren, en de verwerkbaarheid bij verschillende temperaturen. Chroom dat neerslaat op het oppervlak van het staal vormt chroomoxide bij contact met zuurstof, waardoor de weerstand van staal tegen corrosie wordt verbeterd. Veel van deze elementen vormen ook carbiden en nitriden, een van de hardste materialen die we kennen. Wolfraamcarbide en boornitride zouden twee goede voorbeelden zijn van extreem harde materialen die in sommige staalsoorten kunnen worden aangetroffen.
Andere elementen in staal die minder vaak gewenst zijn, zijn silicium, zwavel, zuurstof, fosfor, stikstof, waterstof en koper. Silicium vermindert enkele van de mechanische eigenschappen van staal, maar verbetert ook de magnetische eigenschappen ervan, waardoor hysterese en kernverliezen worden verlaagd en de magnetische permeabiliteit wordt verbeterd. Het is deze eigenschap die hoog-silicium staal zeer nuttig maakt als kernmateriaal in elektromagneten, elektromotoren en laagfrequente transformatoren en inductoren.Zwavel verbetert de bewerkbaarheid van staal voordat het wordt geblust. Fosfor en stikstof kunnen de corrosiebestendigheid van staal helpen verbeteren. Koper verhoogt de vervormbaarheid, wat meestal een slechte zaak is, maar het maakt het staal wel gemakkelijker warm te bewerken. Zuurstof verdrijft onzuiverheden tijdens het staalproductieproces, maar als onzuiverheid maakt het het staal gevoeliger voor corrosie en verlaagt het de hardbaarheid. Waterstof is gewoon slecht. Het maakt staal erg bros door dislocaties in het ijzerkristalrooster te bevorderen. Dit maakt staal een slechte keuze wanneer waterstof en hoge temperaturen naast elkaar bestaan.
De homogene dispersie van legeringselementen in het ijzer is zeer gewild, en geeft moderne staalsoorten ongelooflijke materiaaleigenschappen in vergelijking met wat mogelijk was met vroege staalproductie. Voldoende hoge temperaturen waardoor alle elementen die in het staalproductieproces worden gebruikt, kunnen smelten, maken het gemakkelijker voor hen om samen te mengen. Een techniek om deze homogene dispersie van elementen die wordt gebruikt voor hoogwaardige staalsoorten te verbeteren, is poedermetallurgie. Het staal wordt gesmolten, gespoten als fijne druppeltjes die afkoelen en een poeder vormen dat vervolgens wordt gesjablonen en gevormd tot basisvormen. Patroonlassen van staalsoorten met verschillende eigenschappen bij zeer hoge temperaturen is bijvoorbeeld nuttig bij het maken van snijgereedschappen waarbij de snijkant een hoge hardheid heeft en is bekleed met een staal met een lagere hardheid maar een betere weerstand tegen rek, vervorming en corrosie. Chemische processen kunnen ook worden gebruikt om de oppervlaktehardheid en corrosiebestendigheid van staalsoorten te verbeteren. Het verwarmen van staal tot temperaturen die andere elementen mogelijk maken, zoals extra koolstof, boor en stikstof als een atmosfeer met weinig zuurstof en veel gassen die deze elementen bevatten, worden gebruikt om gereedschappen zoals vijlen, tikken, matrijzen en frezen hun vermogen te geven om staal te snijden , of om pistoolonderdelen een grotere weerstand te geven tegen corrosie, vreten en vervorming door krassen en slijtage.
Ten slotte bestaat er een amorfe kristallijne vorm van ijzer-koolstof legering. Technisch gezien maakt dit het een glas, en het heeft een aantal ongelooflijk rare eigenschappen die buiten het bestek van dit antwoord vallen. Magische 8-ball zegt later opnieuw vragen.