Bästa svaret
Den gamla metallurgiska ingenjören och stålmakaren säger:
Stål är inte en förening , som har definierade proportioner av elementen som innefattar den. Stål är en legering och kan som sådan innehålla olika mängder legeringselement. Det finns ingen ”molekylär” formel för stål, för det finns inget sådant som en molekyl av stål.
Till exempel AISI 6150H är ett legerat stål med följande kemiska sammansättning (i viktprocent 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 att legeringselementen har ett antal värden; det finns ingen fast andel.
Ytterligare information om AISI 6150H stål:
Elasticitetsmodul: 200GPa
Draghållfasthet: 924MPa (134.000 psi)
Sträckgräns: 800MPa (116.000 psi)
Hårdhet: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Brottöjning 19,5\%
Svar
Jag ser att många av dessa svar hänger på ordformeln snarare än att försöka tolka avsikten med din fråga. Som lekman anser jag att ”kemisk sammansättning” och ”kemisk formel” är identiska nog för att tolka ”strukturformel” som ”strukturell sammansättning” så jag ska göra mitt bästa för att förklara ståls komplicerade struktursammansättning.
Strukturellt är det en idealisk homogen dispersion av kubiska kristallina strukturer av järnatomer med kolatomer upplösta i och bland dessa kuber. Den kubiska strukturen hos järnkristaller kan antingen vara kroppscentrerad kubisk, BCC, med en järnatom i mitten av en kub av järnatomer vid var och en av dess sex hörn, eller ansiktscentrerad kubik, med en järnatom centralt belägen på var och en av kubens sex ansikten. När stål värms upp till en tillräcklig temperatur, kallad eutektisk punkt, övergår BCC-konfigurationen av järnatomer som kallas ferrit till FCC-formen austenit, en fast lösning som gör att kolatomer kan lösas upp i den kristallina strukturen. Beroende på stålets kemiska sammansättning kan det förbli som austenit vid rumstemperatur. Detta är fallet med vissa rostfria stål och kan identifieras som sådana med en magnet. Austenitiskt stål är icke-magnetiskt. Stål har en unik egenskap där FCC-austeniten med kolatomer upplöst i den snabbt omvandlas till en högspänd BCC-form, som skiljer sig från ferrit, och fryser kolatomerna på plats. . Detta material kallas martensit. Martensitiska stål är magnetiska. Beroende på stålets kemiska sammansättning och kylningshastighet förblir olika mängder austenit kvar i stålet. Bibehållen austenit hålls i allmänhet låg i martensitiska stål. Dispersionen av kolatomer som är låsta på plats i martensitiska stål förhindrar förskjutning av järnatomer från deras position i deras kristallstrukturer. Det är detta som ger martensitiskt stål den höga hårdheten. Det är därför stål är så coolt. Genom att manipulera temperatur, tid och kemisk sammansättning kan vi kontrollera vad som händer när man säger, en stålstång, är böjd. Vi kan göra det så att det kommer att förbli böjt permanent, eller böja lite och sedan bryta eller springa tillbaka till sin ursprungliga form. Dessutom kan vi ändra hur hårt stålet är.
Även i stål finns inneslutningar av järnkarbider, Fe3C, hårda, spröda keramiska material spridda bland järn-kollegeringen. Närvaron av dessa karbider kan förbättra den övre gränsen för hur mycket ett stål kan härdas, men också göra stålet mer sprött. Stål innehåller också vissa varierande nivåer av föroreningar eller legeringselement kan tillsättas för att öka eller minska vissa egenskaper hos stålet. Krom, volfram, vanadin, molybden, niob, nickel, titan, bor och mangan är ämnen som avsiktligt tillsätts för att förbättra stålets hårdhet, stöthållfasthet, motståndskraft mot deformation, slaghållfasthet och reptålighet samt bearbetbarhet vid varierande temperaturer. Krom som fälls ut på stålets yta bildar kromoxid vid kontakt med syre, vilket förbättrar stålets motståndskraft mot korrosion. Många av dessa element bildar också karbider och nitrider, bland de hårdaste kända materialen. Volframkarbid och bornitrid skulle vara två bra exempel på extremt hårda material som finns i vissa stål.
Andra element som finns i stål som är mindre önskade är kisel, svavel, syre, fosfor, kväve, väte och koppar. Kisel minskar en del av de mekaniska egenskaperna hos stål men förbättrar dess magnetiska egenskaper – sänker hysteres och kärnförluster samtidigt som den förbättrar magnetisk permeabilitet. Det är denna egenskap som gör högkiselstål mycket användbart som ett kärnmaterial i elektromagneter, elmotorer och lågfrekventa transformatorer och induktorer.Svavel förbättrar stålets egenskaper för bearbetbarhet innan den släcks. Fosfor och kväve kan förbättra stålets motståndskraft mot korrosion. Koppar ökar duktiliteten, vilket vanligtvis är en dålig sak, men gör stålet lättare att heta. Syre driver ut föroreningar under ståltillverkningsprocessen, men som en förorening gör det stålet mer mottagligt för korrosion och sänker härdbarheten. Väte är helt enkelt dåligt. Det gör stål mycket sprött genom att främja förskjutningar i järnkristallgitteret. Detta gör stål till ett dåligt val när väte och höga temperaturer existerar.
Den homogena dispersionen av legeringselement i järnet är mycket eftertraktad och ger moderna stål otroliga materialegenskaper jämfört med vad som var möjligt med tidigt stålproduktion. Tillräckligt höga temperaturer som kan smälta alla element som används i ståltillverkningsprocessen gör det lättare för dem att smälta ihop. En teknik för att förbättra denna homogena dispersion av element som används för högpresterande stål är pulvermetallurgi. Stålet smälts, sprayas som fina små droppar som svalnar och bildar ett pulver som sedan formas och formas till grundformer. Mönstersvetsning av stål med olika egenskaper tillsammans vid mycket höga temperaturer är användbart, till exempel vid tillverkning av skärverktyg där skäreggen har hög hårdhet och är klädd i ett stål som har lägre hårdhet men bättre motståndskraft mot töjning, deformation och korrosion. Kemiska processer kan också användas för att förbättra ythårdheten och korrosionsbeständigheten hos stål. Uppvärmning av stål till temperaturer som tillåter andra element som extra kol, bor och kväve som en atmosfär med låg syrehalt och höga gaser som innehåller dessa element används för att ge verktyg som filer, kranar, matriser och bryter deras förmåga att skära stål , eller för att ge pistoldelar ett större motstånd mot korrosion, gallning och rep- och nötningsdeformation.
Slutligen finns en amorf kristallform av järn-kollegering. Tekniskt sett gör det det till ett glas, och det har några otroligt konstiga egenskaper som ligger utanför räckvidden för detta svar. Magic 8-ball säger fråga igen senare.