Cel mai bun răspuns
Old Metal Engineer and Steelmaker spune:
Oțelul nu este un compus , care are proporții definite ale elementelor care o compun. Oțelul este un aliaj și, ca atare, poate conține diferite cantități de elemente de aliere. Nu există o formulă „moleculară” pentru oțel, deoarece nu există o moleculă de oțel.
De exemplu, AISI 6150H este un oțel aliat cu următoarea compoziție chimică (în greutate\% din elementul de aliere):
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
Puteți vedea că elementele de aliere au o gamă de valori; nu există o proporție fixă.
Informații suplimentare despre oțelul AISI 6150H:
Modulul de elasticitate: 200GPa
Rezistența la tracțiune: 924MPa (134,000psi)
Rezistență la randament: 800MPa (116.000 psi)
Duritate: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Alungire la pauză 19,5\%
Răspuns
Văd că multe dintre aceste răspunsuri sunt agățate de cuvântul formulă, mai degrabă decât să încerce să interpreteze intenția întrebării dvs. În calitate de profan, consider că „compoziția chimică” și „formula chimică” sunt suficient de identice pentru a interpreta „formula structurală” ca „compoziție structurală”, așa că voi încerca tot posibilul să explic compoziția structurală complicată a oțelului.
Structural, este o dispersie ideală omogenă a structurilor cristaline cubice de atomi de fier cu atomi de carbon dizolvați în și printre acești cuburi. Structura cubică a cristalelor de fier poate fi fie cubică centrată pe corp, BCC, cu un atom de fier în centrul unui cub de atomi de fier la fiecare dintre cei șase vârfuri, fie cubică centrată pe față, cu un atom de fier situat central pe fiecare dintre cele șase fețe ale cubului. Când oțelul este încălzit la o temperatură suficientă, numit punctul său eutectic, configurația BCC a atomilor de fier numiți tranziții de ferită în forma FCC numită austenită, o soluție solidă care permite atomilor de carbon să se dizolve în structura sa cristalină. În funcție de compoziția chimică a oțelului, acesta poate rămâne sub formă de austenită la temperatura camerei. Acesta este cazul unor oțeluri inoxidabile și poate fi identificat ca atare cu un magnet. Oțelul austenitic este nemagnetic. Oțelul are o proprietate unică în care, atunci când este încălzit până la punctul său eutectic și răcit rapid sau stins, austenita FCC cu atomi de carbon dizolvați în el se transformă rapid într-o formă BCC foarte tensionată, distinctă de ferită, înghețând atomii de carbon în loc . Acest material se numește martensit. Oțelurile martensitice sunt magnetice. În funcție de compoziția chimică a oțelului și de rata de răcire, în oțel vor rămâne cantități diferite de austenită. Austenita reținută este, în general, scăzută în oțelurile martensitice. Dispersia atomilor de carbon blocați în oțeluri martensitice împiedică dislocarea atomilor de fier din poziția lor în structurile lor cristaline. Acesta este ceea ce conferă oțelului martensitic o duritate ridicată. Acesta este motivul pentru care oțelul este atât de răcoros. Prin manipularea temperaturii, a timpului și a compoziției chimice, putem controla ceea ce se întâmplă atunci când, de exemplu, o bară de oțel este îndoită. Îl putem face astfel încât să rămână îndoit permanent sau să se îndoaie puțin și apoi să se rupă sau să revină în forma sa originală. În plus, putem schimba cât de tare este oțelul.
De asemenea, în oțel se găsesc incluziunile de fier-carburi, Fe3C, materiale ceramice dure și casante dispersate între aliajul fier-carbon. Prezența acestor carburi poate îmbunătăți limita superioară a cantității de oțel care poate fi întărit, dar poate face și oțelul mai fragil. Oțelul conține, de asemenea, unele niveluri diferite de impurități sau se pot adăuga elemente de aliere pentru a crește sau a reduce anumite atribute ale oțelului. Cromul, tungstenul, vanadiul, molibdenul, niobiul, nichelul, titanul, borul și manganul sunt elemente adăugate în mod intenționat pentru a îmbunătăți duritatea oțelului, rezistența la șocuri, rezistența la deformare, rezistența la impact și rezistența la zgârieturi și funcționarea la temperaturi variate. Cromul care precipită pe suprafața oțelului formează oxid de crom la contactul cu oxigenul, îmbunătățind rezistența oțelului la coroziune. Multe dintre aceste elemente formează, de asemenea, carburi și nitruri, printre cele mai dure materiale cunoscute. Carbura de tungsten și nitrura de bor ar fi două exemple bune de materiale extrem de dure care pot fi găsite în unele oțeluri.
Alte elemente găsite în oțel care sunt mai puțin dorite sunt siliciu, sulf, oxigen, fosfor, azot hidrogen și cupru. Siliciul scade unele dintre proprietățile mecanice ale oțelului, dar îmbunătățește și proprietățile sale magnetice – reducând histerezisul și pierderile de miez îmbunătățind în același timp permeabilitatea magnetică. Această proprietate face ca oțelul cu conținut ridicat de siliciu să fie foarte util ca material de bază în electro-magneți, motoare electrice și transformatoare și inductoare cu frecvență inferioară.Sulful îmbunătățește proprietățile de prelucrare a oțelului înainte de a fi stins. Fosforul și azotul pot contribui la îmbunătățirea rezistenței oțelului la coroziune. Cuprul crește ductilitatea, ceea ce este de obicei un lucru rău, dar face oțelul mai ușor de lucrat la cald. Oxigenul elimină impuritățile în timpul procesului de fabricare a oțelului, dar ca impuritate, acesta face ca oțelul să fie mai susceptibil la coroziune și scade întărirea. Hidrogenul este pur și simplu rău. Face oțelul foarte fragil prin promovarea dislocărilor în rețeaua de cristal de fier. Acest lucru face ca oțelul să fie o alegere slabă atunci când hidrogenul și temperaturile ridicate coexistă.
Dispersia omogenă a elementelor de aliere în fier este foarte căutată și conferă oțelurilor moderne proprietăți materiale incredibile în comparație cu ceea ce era posibil cu primii ani producția de oțel. Temperaturile suficient de ridicate care pot topi toate elementele utilizate în procesul de fabricare a oțelului le facilitează amestecarea. O tehnică pentru îmbunătățirea acestei dispersii omogene a elementelor care este utilizată pentru oțelurile de înaltă performanță este metalurgia pulberilor. Oțelul este topit, pulverizat ca picături fine care se răcesc și formează o pulbere care este apoi șabloane și formată în forme de bază. Oțelurile de sudare cu diferite proprietăți împreună la temperaturi foarte ridicate sunt utile, de exemplu, la fabricarea sculelor de tăiere unde muchia de tăiere are o duritate ridicată și este îmbrăcată într-un oțel care are o duritate mai mică, dar o rezistență mai bună la deformare, deformare și coroziune. Procesele chimice pot fi, de asemenea, utilizate pentru a îmbunătăți duritatea suprafeței și rezistența la coroziune a oțelurilor. Încălzirea oțelului la temperaturi care permit alte elemente, cum ar fi carbon suplimentar, bor și azot, ca o atmosferă cu conținut scăzut de oxigen și cu conținut ridicat de gaze care conțin aceste elemente sunt folosite pentru a oferi instrumente precum fișiere, robinete, matrițe și broșe abilitatea lor de a tăia oțelurile. , sau pentru a oferi pieselor pistolului o rezistență mai mare la coroziune, învârtire și deformare la zgârieturi și abraziune.
În cele din urmă, există o formă cristalină amorfă de aliaj fier-carbon. Din punct de vedere tehnic, acest lucru îl face un pahar și are câteva proprietăți incredibil de ciudate, care depășesc scopul acestui răspuns. Magic 8-ball spune din nou mai târziu.