Najlepsza odpowiedź
Stary hutnik i producent stali mówi:
Stal nie jest związkiem , który ma określone proporcje elementów go tworzących. Stal jest stopem i jako taka może zawierać różne ilości pierwiastków stopowych. Nie ma wzoru „molekularnego” na stal, ponieważ nie ma czegoś takiego jak cząsteczka stali.
Na przykład AISI 6150H jest stalą stopową o następującym składzie chemicznym (w\% wag. pierwiastka stopowego):
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
Widać, że pierwiastki stopowe mają szereg wartości; nie ma ustalonej proporcji.
Dodatkowe informacje o stali AISI 6150H:
Moduł sprężystości: 200GPa
Wytrzymałość na rozciąganie: 924 MPa (134 000 psi)
Granica plastyczności: 800 MPa (116 000 psi)
Twardość: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Wydłużenie przy zerwaniu 19,5\%
Odpowiedź
Widzę, że wiele z tych odpowiedzi zależy od formuły słów, zamiast próbować zinterpretować intencję twojego pytania. Jako laik uważam, że „skład chemiczny” i „wzór chemiczny” są na tyle identyczne, aby zinterpretować „wzór strukturalny” jako „skład strukturalny”, więc postaram się jak najlepiej wyjaśnić skomplikowany skład strukturalny stali.
Strukturalnie jest to idealnie jednorodna dyspersja sześciennych struktur krystalicznych atomów żelaza z atomami węgla rozpuszczonymi w tych sześcianach i pomiędzy nimi. Sześcienna struktura kryształów żelaza może być sześcienna wyśrodkowana na ciele, BCC, z atomem żelaza w środku sześcianu atomów żelaza w każdym z jego sześciu wierzchołków, lub sześcienna centrowana na powierzchni, z atomem żelaza umieszczonym centralnie na każdym z sześć ścian sześcianu. Gdy stal jest podgrzewana do wystarczającej temperatury, nazywanej punktem eutektycznym, konfiguracja BCC atomów żelaza zwana ferrytem przechodzi w formę FCC zwaną austenitem, roztworem stałym, który pozwala atomom węgla na rozpuszczenie w strukturze krystalicznej. W zależności od składu chemicznego stali może pozostawać w temperaturze pokojowej jako austenit. Tak jest w przypadku niektórych stali nierdzewnych i można je zidentyfikować jako takie za pomocą magnesu. Stal austenityczna jest niemagnetyczna. Stal ma unikalną właściwość, w której po podgrzaniu do punktu eutektycznego i szybkiemu schłodzeniu lub schłodzeniu austenit FCC z rozpuszczonymi w nim atomami węgla szybko przekształca się w wysoce naprężoną formę BCC, różniącą się od ferrytu, zamrażając atomy węgla na miejscu . Ten materiał nazywa się martenzytem. Stale martenzytyczne są magnetyczne. W zależności od składu chemicznego stali i szybkości stygnięcia w stali pozostaną różne ilości austenitu. Austenit szczątkowy jest zwykle utrzymywany na niskim poziomie w stalach martenzytycznych. Rozproszenie atomów węgla zablokowanych w stalach martenzytycznych zapobiega przemieszczaniu się atomów żelaza z ich pozycji w ich strukturach krystalicznych. To właśnie nadaje stali martenzytycznej wysoką twardość. Dlatego stal jest taka fajna. Manipulując temperaturą, czasem i składem chemicznym, możemy kontrolować, co się dzieje, gdy, powiedzmy, pręt stalowy jest wygięty. Możemy to zrobić tak, aby pozostało zagięte na stałe, lub trochę zgiąć, a następnie złamać lub odskoczyć do pierwotnego kształtu. Co więcej, możemy zmienić twardość stali.
W stali znajdują się również wtrącenia węglików żelaza, Fe3C, twardych, kruchych materiałów ceramicznych rozproszonych w stopie żelazo-węgiel. Obecność tych węglików może poprawić górną granicę tego, w jakim stopniu stal może być hartowana, ale także sprawić, że stal będzie bardziej krucha. Stal zawiera również różne poziomy zanieczyszczeń lub można dodawać pierwiastki stopowe w celu zwiększenia lub zmniejszenia niektórych cech stali. Chrom, wolfram, wanad, molibden, niob, nikiel, tytan, bor i mangan to pierwiastki celowo dodawane w celu poprawy twardości stali, odporności na wstrząsy, odporności na odkształcenia, udarności i odporności na zarysowania oraz urabialności w różnych temperaturach. Chrom, który wytrąca się na powierzchni stali, tworzy tlenek chromu w kontakcie z tlenem, poprawiając odporność stali na korozję. Wiele z tych pierwiastków tworzy również węgliki i azotki, należące do najtwardszych znanych materiałów. Węglik wolframu i azotek boru to dwa dobre przykłady niezwykle twardych materiałów, które można znaleźć w niektórych stalach.
Inne pierwiastki występujące w stali, które są rzadziej pożądane, to krzem, siarka, tlen, fosfor, azot, wodór i miedź. Krzem obniża niektóre właściwości mechaniczne stali, ale także poprawia jej właściwości magnetyczne – obniżając histerezę i straty w rdzeniu, jednocześnie poprawiając przepuszczalność magnetyczną. To właśnie ta właściwość sprawia, że stal wysokokrzemowa jest bardzo przydatna jako materiał rdzenia w elektromagnesach, silnikach elektrycznych oraz transformatorach i cewkach o niższej częstotliwości.Siarka poprawia właściwości skrawalności stali przed hartowaniem. Fosfor i azot mogą pomóc poprawić odporność stali na korozję. Miedź zwiększa ciągliwość, co jest zwykle złe, ale ułatwia obróbkę stali na gorąco. Tlen wypiera zanieczyszczenia podczas procesu produkcji stali, ale jako zanieczyszczenie czyni stal bardziej podatną na korozję i obniża hartowność. Wodór jest po prostu zły. Sprawia, że stal jest bardzo krucha, powodując dyslokacje w sieci krystalicznej żelaza. To sprawia, że stal jest złym wyborem, gdy współistnieją wodór i wysokie temperatury.
Jednolita dyspersja pierwiastków stopowych w żelazie jest bardzo pożądana i zapewnia współczesnym stalom niesamowite właściwości materiałowe w porównaniu z tym, co było możliwe we wczesnych produkcja stali. Wystarczająco wysokie temperatury, które mogą stopić wszystkie pierwiastki używane w procesie produkcji stali, ułatwiają ich łączenie. Jedną z technik zwiększania tej jednorodnej dyspersji pierwiastków, która jest stosowana do stali wysokowydajnych, jest metalurgia proszków. Stal jest topiona, rozpylana w postaci drobnych kropelek, które schładzają się i tworzą proszek, który jest następnie szablonowany i formowany w podstawowe kształty. Stale do spawania szablonów o różnych właściwościach w bardzo wysokich temperaturach są przydatne, na przykład do wytwarzania narzędzi skrawających, w których krawędź skrawająca ma wysoką twardość i są pokryte stalą o niższej twardości, ale lepszą odpornością na odkształcenia, odkształcenia i korozja. W celu poprawy twardości powierzchni i odporności stali na korozję można również zastosować procesy chemiczne. Ogrzewanie stali do temperatur, które pozwalają innym pierwiastkom, takim jak dodatkowy węgiel, bor i azot, jako atmosfery o niskiej zawartości tlenu i wysokiej zawartości gazów zawierających te pierwiastki, jest wykorzystywane do nadawania narzędziom, takim jak pilniki, gwintowniki, narzynki i przeciągacze, ich zdolności do cięcia stali lub w celu nadania częściom broni większej odporności na korozję, zacieranie, zarysowania i ścieranie.
Wreszcie istnieje amorficzna krystaliczna postać stopu żelaza i węgla. Technicznie rzecz biorąc, sprawia to, że jest to szkło i ma kilka niesamowicie dziwnych właściwości, które wykraczają poza zakres tej odpowiedzi. Magiczna ósemka mówi „zapytaj ponownie później”.