Beste Antwort
Der alte Metallurgieingenieur und Stahlhersteller sagt:
Stahl ist keine Verbindung , die Proportionen der Elemente definiert hat, aus denen es besteht. Stahl ist eine Legierung und kann als solche verschiedene Mengen an Legierungselementen enthalten. Es gibt keine „molekulare“ Formel für Stahl, da es kein Stahlmolekül gibt.
Zum Beispiel AISI 6150H ist ein legierter Stahl mit der folgenden chemischen Zusammensetzung (in Gew .-\% des Legierungselements): 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 ≤ 0,035 P ≤ 0,035 P
Sie können sehen, dass die Legierungselemente einen Wertebereich haben; Es gibt kein festes Verhältnis.
Zusätzliche Informationen zu AISI 6150H-Stahl:
Elastizitätsmodul: 200 GPa
Zugfestigkeit: 924 MPa (134.000 psi)
Streckgrenze: 800 MPa (116.000 psi)
Härte: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Bruchdehnung 19,5\%
Antwort
Ich sehe, dass viele dieser Antworten an der Wortformel hängen bleiben, anstatt zu versuchen, die Absicht Ihrer Frage zu interpretieren. Als Laie halte ich „chemische Zusammensetzung“ und „chemische Formel“ für identisch genug, um „Strukturformel“ als „Strukturzusammensetzung“ zu interpretieren, daher werde ich mein Bestes geben, um die komplizierte Strukturzusammensetzung von Stahl zu erklären.
Strukturell ist es eine ideal homogene Dispersion kubischer Kristallstrukturen von Eisenatomen mit Kohlenstoffatomen, die in und zwischen diesen Würfeln gelöst sind. Die kubische Struktur von Eisenkristallen kann entweder körperzentriert kubisch (BCC) mit einem Eisenatom in der Mitte eines Würfels aus Eisenatomen an jedem seiner sechs Eckpunkte oder flächenzentriert kubisch mit einem Eisenatom in der Mitte eines jeden sein die sechs Gesichter des Würfels. Wenn Stahl auf eine ausreichende Temperatur erhitzt wird, die als eutektischer Punkt bezeichnet wird, geht die BCC-Konfiguration von Eisenatomen, die als Ferrit bezeichnet werden, in die FCC-Form über, die als Austenit bezeichnet wird. Diese feste Lösung ermöglicht es Kohlenstoffatomen, sich in der Kristallstruktur aufzulösen. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahls kann er bei Raumtemperatur als Austenit verbleiben. Dies ist bei einigen rostfreien Stählen der Fall und kann mit einem Magneten als solcher identifiziert werden. Austenitischer Stahl ist nicht magnetisch. Stahl hat eine einzigartige Eigenschaft, bei der der FCC-Austenit mit darin gelösten Kohlenstoffatomen beim Erhitzen auf seinen eutektischen Punkt und schnellem Abkühlen oder Abschrecken schnell in eine stark gespannte BCC-Form umgewandelt wird, die sich von Ferrit unterscheidet und die Kohlenstoffatome an Ort und Stelle einfriert . Dieses Material wird Martensit genannt. Martensitische Stähle sind magnetisch. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung und der Abkühlgeschwindigkeit des Stahls verbleiben unterschiedliche Mengen an Austenit im Stahl. Restaustenit wird in martensitischen Stählen im Allgemeinen niedrig gehalten. Die Dispersion von Kohlenstoffatomen, die in martensitischen Stählen fixiert sind, verhindert die Versetzung von Eisenatomen von ihrer Position in ihren Kristallstrukturen. Dies verleiht martensitischem Stahl eine hohe Härte. Deshalb ist Stahl so cool. Durch Manipulieren von Temperatur, Zeit und chemischer Zusammensetzung können wir steuern, was passiert, wenn beispielsweise ein Stahlstab gebogen wird. Wir können es so gestalten, dass es dauerhaft gebogen bleibt oder sich ein wenig biegt und dann bricht oder in seine ursprüngliche Form zurückspringt. Darüber hinaus können wir ändern, wie hart der Stahl ist.
In Stahl sind auch Einschlüsse von Eisencarbiden, Fe3C, harten, spröden Keramikmaterialien enthalten, die in der Eisen-Kohlenstoff-Legierung dispergiert sind. Das Vorhandensein dieser Karbide kann die Obergrenze dafür verbessern, wie stark ein Stahl gehärtet werden kann, aber auch den Stahl spröder machen. Stahl enthält auch einige unterschiedliche Mengen an Verunreinigungen, oder es können Legierungselemente hinzugefügt werden, um bestimmte Eigenschaften des Stahls zu erhöhen oder zu verringern. Chrom, Wolfram, Vanadium, Molybdän, Niob, Nickel, Titan, Bor und Mangan sind Elemente, die absichtlich hinzugefügt wurden, um die Härte, Stoßfestigkeit, Verformungsbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Kratzfestigkeit von Stahl sowie die Verarbeitbarkeit bei unterschiedlichen Temperaturen zu verbessern. Chrom, das auf der Oberfläche des Stahls ausfällt, bildet bei Kontakt mit Sauerstoff Chromoxid und verbessert so die Korrosionsbeständigkeit des Stahls. Viele dieser Elemente bilden auch Carbide und Nitride, die zu den härtesten bekannten Materialien gehören. Wolframcarbid und Bornitrid wären zwei gute Beispiele für extrem harte Materialien, die in einigen Stählen vorkommen.
Andere Elemente in Stahl, die weniger häufig erwünscht sind, sind Silizium, Schwefel, Sauerstoff, Phosphor, Stickstoff, Wasserstoff und Kupfer. Silizium verringert einige der mechanischen Eigenschaften von Stahl, verbessert aber auch seine magnetischen Eigenschaften – senkt die Hysterese und die Kernverluste und verbessert gleichzeitig die magnetische Permeabilität. Es ist diese Eigenschaft, die hochsiliciumhaltigen Stahl als Kernmaterial in Elektromagneten, Elektromotoren sowie niederfrequenten Transformatoren und Induktivitäten sehr nützlich macht.Schwefel verbessert die Zerspanbarkeitseigenschaften von Stahl vor dem Abschrecken. Phosphor und Stickstoff können dazu beitragen, die Korrosionsbeständigkeit von Stahl zu verbessern. Kupfer erhöht die Duktilität, was normalerweise eine schlechte Sache ist, aber das Heißbearbeiten des Stahls erleichtert. Sauerstoff vertreibt Verunreinigungen während des Stahlherstellungsprozesses, macht ihn jedoch als Verunreinigung anfälliger für Korrosion und verringert die Härtbarkeit. Wasserstoff ist einfach schlecht. Es macht Stahl sehr spröde, indem es Versetzungen im Eisenkristallgitter fördert. Dies macht Stahl zu einer schlechten Wahl, wenn Wasserstoff und hohe Temperaturen nebeneinander existieren.
Die homogene Dispersion von Legierungselementen im Eisen ist sehr gefragt und verleiht modernen Stählen unglaubliche Materialeigenschaften im Vergleich zu dem, was früher möglich war Stahlproduktion. Ausreichend hohe Temperaturen, bei denen alle im Stahlherstellungsprozess verwendeten Elemente zum Schmelzen gebracht werden können, erleichtern das Zusammenmischen. Eine Technik zur Verbesserung dieser homogenen Dispersion von Elementen, die für Hochleistungsstähle verwendet wird, ist die Pulvermetallurgie. Der Stahl wird geschmolzen, als feine Tröpfchen gesprüht, die abkühlen und ein Pulver bilden, das dann schabloniert und zu Grundformen geformt wird. Das Zusammenschweißen von Stählen mit unterschiedlichen Eigenschaften bei sehr hohen Temperaturen ist beispielsweise bei der Herstellung von Schneidwerkzeugen nützlich, bei denen die Schneidkante eine hohe Härte aufweist und mit einem Stahl beschichtet ist, der eine geringere Härte, aber eine bessere Beständigkeit gegen Dehnung, Verformung und Verformung aufweist Korrosion. Chemische Verfahren können auch verwendet werden, um die Oberflächenhärte und Korrosionsbeständigkeit von Stählen zu verbessern. Das Erhitzen von Stahl auf Temperaturen, die es anderen Elementen wie zusätzlichem Kohlenstoff, Bor und Stickstoff als sauerstoffarme und gashaltige Atmosphäre ermöglichen, die diese Elemente enthält, wird verwendet, um Werkzeugen wie Feilen, Gewindebohrern, Matrizen und Räuchern die Fähigkeit zu geben, Stähle zu schneiden oder um Waffenteilen eine größere Beständigkeit gegen Korrosion, Abrieb sowie Kratz- und Abriebverformung zu verleihen. Schließlich existiert eine amorphe kristalline Form einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Technisch gesehen ist dies ein Glas, und es hat einige unglaublich seltsame Eigenschaften, die über den Rahmen dieser Antwort hinausgehen. Magic 8-Ball sagt später noch einmal fragen.