Stähle

Stähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die nennenswerte Konzentrationen anderer Legierungselemente enthalten können. Das Hinzufügen einer kleinen Menge nichtmetallischen Kohlenstoffs zu Eisen bewirkt seine große Duktilität für die größere Duktilität. Aufgrund seiner sehr hohen Festigkeit, aber immer noch erheblichen Zähigkeit und seiner Fähigkeit, durch Wärmebehandlung stark verändert zu werden, ist Stahl eine der nützlichsten und gebräuchlichsten Eisenlegierungen im modernen Gebrauch., Es gibt Tausende von Legierungen, die unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Wärmebehandlungen aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften reagieren empfindlich auf den Kohlenstoffgehalt, der normalerweise weniger als 1,0 Gew. – %beträgt. Gemäß der AISI-Klassifikation wird Kohlenstoffstahl basierend auf dem Kohlenstoffgehalt in vier Klassen unterteilt.,

Arten von Stählen – Klassifizierung nach Zusammensetzung

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  Stahl. Stähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die nennenswerte Konzentrationen anderer Legierungselemente enthalten können., Das Hinzufügen einer kleinen Menge nichtmetallischen Kohlenstoffs zu Eisen bewirkt seine große Duktilität für die größere Festigkeit. Aufgrund seiner sehr hohen Festigkeit, aber immer noch erheblichen Zähigkeit und seiner Fähigkeit, durch Wärmebehandlung stark verändert zu werden, ist Stahl eine der nützlichsten und gebräuchlichsten Eisenlegierungen im modernen Gebrauch. Es gibt Tausende von Legierungen, die unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Wärmebehandlungen aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften reagieren empfindlich auf den Kohlenstoffgehalt, der normalerweise weniger als 1,0 Gew. – %beträgt., Gemäß der AISI-Klassifikation wird Kohlenstoffstahl in vier Klassen unterteilt, die auf dem Kohlenstoffgehalt basieren:

  • Kohlenstoffarme Stähle. Kohlenstoffarmer Stahl, auch als Baustahl bekannt, ist heute die häufigste Form von Stahl, da sein Preis relativ niedrig ist, während er Materialeigenschaften bietet, die für viele Anwendungen akzeptabel sind. Kohlenstoffarmer Stahl enthält ungefähr 0,05-0,25% Kohlenstoff, wodurch er formbar und duktil wird. Baustahl hat eine relativ geringe Zugfestigkeit, aber es ist billig und leicht zu bilden; Oberflächenhärte kann durch Aufkohlenstoff erhöht werden.
  • Mittel-Kohlenstoff-Stähle., Mittlerer Kohlenstoffstahl hat ungefähr 0,3-0,6% Kohlenstoffgehalt. Balanciert Duktilität und Festigkeit und hat eine gute Verschleißfestigkeit. Diese Stahlsorte wird hauptsächlich bei der Herstellung von Maschinenbauteilen, Wellen, Achsen, Zahnrädern, Kurbelwellen, Kupplungen und Schmiedeteilen verwendet und könnte auch in Schienen und Eisenbahnrädern verwendet werden.
  • Kohlenstoffreiche Stähle. Kohlenstoffreicher Stahl hat ungefähr 0,60 bis 1,00% Kohlenstoffgehalt. Die Härte ist höher als bei den anderen Sorten, aber die Duktilität nimmt ab. Kohlenstoffreiche Stähle könnten für Federn, Seildrähte, Hämmer, Schraubendreher und Schraubenschlüssel verwendet werden.,
  • Ultra-kohlenstoffreiche Stähle. Ultra-High-Carbon-Stahl hat etwa 1,25-2,0% Kohlenstoffgehalt. Stähle, die auf große Härte gehärtet werden können. Diese Stahlsorte könnte für harte Stahlprodukte wie LKW-Federn, Metallschneidwerkzeuge und andere spezielle Zwecke wie (nicht-industrielle) Messer, Achsen oder Stanzen verwendet werden. Die meisten Stähle mit mehr als 2,5% Kohlenstoffgehalt werden unter Verwendung der Pulvermetallurgie hergestellt.
• Legierte Stähle., Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, aber der Begriff legierter Stahl bezieht sich normalerweise nur auf Stähle, die andere Elemente— wie Vanadium, Molybdän oder Kobalt—in Mengen enthalten, die ausreichen, um die Eigenschaften des Basisstahls zu verändern. Im Allgemeinen ist legierter Stahl Stahl, der mit einer Vielzahl von Elementen in Gesamtmengen zwischen 1,0% und 50 Gew. – % legiert ist, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Legierte Stähle werden in zwei Gruppen unterteilt:
  • Niedriglegierte Stähle.
  • Hochlegierte Stähle.
• Edelstahl., Rostfreie Stähle sind kohlenstoffarme Stähle mit mindestens 10% Chrom mit oder ohne andere Legierungselemente. Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit machen es oft zum Material der Wahl in Transport-und Verarbeitungsgeräten, Motorteilen und Schusswaffen. Chrom erhöht Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Nickel bietet ähnliche Vorteile, fügt jedoch Härte hinzu, ohne auf Duktilität und Zähigkeit zu verzichten. Es reduziert auch die Wärmeausdehnung für eine bessere Dimensionsstabilität.,

Titanlegierungen

Reines Titan ist stärker als gewöhnliche kohlenstoffarme Stähle, aber 45% leichter. Es ist auch doppelt so stark wie schwache Aluminiumlegierungen, aber nur 60% schwerer. Die zwei nützlichsten Eigenschaften des Metalls sind Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit-Dichte-Verhältnis, das höchste eines metallischen Elements. Die Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen bei normalen Temperaturen ist ungewöhnlich hoch. Die Korrosionsbeständigkeit von Titan beruht auf der Bildung einer stabilen, schützenden Oxidschicht., Obwohl „kommerziell reines“ Titan akzeptable mechanische Eigenschaften aufweist und für orthopädische und Zahnimplantate verwendet wurde, wird Titan für die meisten Anwendungen mit geringen Mengen an Aluminium und Vanadium legiert, typischerweise 6% bzw. Diese Mischung hat eine feste Löslichkeit, die mit der Temperatur dramatisch variiert, so dass sie einer Niederschlagsverstärkung unterzogen werden kann.

Titanlegierungen sind Metalle, die eine Mischung aus Titan und anderen chemischen Elementen enthalten. Solche Legierungen haben eine sehr hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit (auch bei extremen Temperaturen)., Sie sind leicht, haben eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und die Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten.

Grade 2

Kommerziell reinem titan grade 2 ist sehr ähnlich grade 1, aber es hat höhere festigkeit als grade 1 und ausgezeichnete kaltumformung eigenschaften. Es bietet hervorragende Schweißeigenschaften und hat eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen oxidation und Korrosion. Diese Titansorte ist die häufigste Sorte der kommerziell reinen Titanindustrie., Es ist die erste wahl für viele bereiche von anwendungen:

• Luft-und Raumfahrt,
• Automotive,
• Chemische Verarbeitung & Chlorat Herstellung,
• Entsalzung
• Power generation

Grade 5 – Ti-6Al-4V

Grade 5 ist die am häufigsten verwendete legierung und es ist eine alpha + beta legierung. Grade – 5-Legierung macht 50% der gesamten Titannutzung auf der ganzen Welt aus. Es hat eine chemische Zusammensetzung von 6% Aluminium, 4% Vanadium, 0,25% (maximal) Eisen, 0,2% (maximal) Sauerstoff und dem Rest Titan., Im Allgemeinen wird Ti-6Al-4V in Anwendungen bis 400 Grad Celsius verwendet. Es hat eine Dichte von etwa 4420 kg / m3. Es ist aufgrund seiner Wärmebehandlungsmöglichkeit deutlich stärker als kommerziell reines Titan (Klasse 1-4)., Diese Sorte ist eine ausgezeichnete Kombination aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schweißnaht und Herstellbarkeit Es ist die beste Wahl für viele Anwendungsbereiche:

• Flugzeugturbinen
• Motorkomponenten
• Flugzeugstrukturkomponenten
• Luft-und Raumfahrtbefestigungen
• Hochleistungs – Automatikteile
• Marine-Anwendungen

Anwendung von Titanlegierungen-Verwendet

Die beiden nützlichsten Eigenschaften des Metalls sind Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit von Titanlegierungen-Verwendet zu-dichte verhältnis, die höchste von jedem metallischen element., Die Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen bei normalen Temperaturen ist ungewöhnlich hoch. Diese Eigenschaften bestimmen die Anwendung von Titan und seinen Legierungen. Die früheste Produktionsanwendung von Titan war 1952 für die Gondeln und Firewalls des Douglas DC-7-Verkehrsflugzeugs. Hohe spezifische Festigkeit, gute Ermüdungsbeständigkeit und Kriechfestigkeit und gute Bruchzähigkeit sind Eigenschaften, die Titan zu einem bevorzugten Metall für Luft-und Raumfahrtanwendungen machen., Luft-und Raumfahrtanwendungen, einschließlich der Verwendung sowohl in strukturellen (Flugzeug -) Komponenten als auch in Düsentriebwerken, machen immer noch den größten Anteil der Verwendung von Titanlegierungen aus. Auf dem Überschallflugzeug SR-71 wurde Titan für 85% der Struktur verwendet. Aufgrund der sehr hohen Inertheit hat Titan viele biomedizinische Anwendungen, die auf seiner Inertheit im menschlichen Körper beruhen, dh Korrosionsbeständigkeit durch Körperflüssigkeiten.,

Eigenschaften von Stahl gegen Titan

Materialeigenschaften sind intensive Eigenschaften, d.h. sie sind unabhängig von der Masse und können jederzeit von Ort zu Ort innerhalb des Systems variieren. Die Grundlage der Materialwissenschaft besteht darin, die Struktur von Materialien zu untersuchen und sie mit ihren Eigenschaften (mechanisch, elektrisch usw.) in Beziehung zu setzen.). Sobald ein Materialwissenschaftler diese Struktur-Eigenschaften-Korrelation kennt, kann er die relative Leistung eines Materials in einer bestimmten Anwendung untersuchen., Die wichtigsten Determinanten der Struktur eines Materials und damit seiner Eigenschaften sind seine chemischen Bestandteile und die Art und Weise, wie es zu seiner endgültigen Form verarbeitet wurde.

Dichte von Stahl vs Titan

Dichte von typischen stahl ist 8,05 g / cm3.

die Dichte von typisch Titan-Legierung ist 4.43 g/cm3 (Ti-6Al-4V).

Dichte ist definiert als die Masse pro Volumeneinheit., Es ist eine intensive Eigenschaft, die mathematisch definiert ist als Masse geteilt durch Volumen:

ρ = m/V

In Worten ist die Dichte (ρ) einer Substanz die Gesamtmasse (m) dieser Substanz geteilt durch das Gesamtvolumen (V), das von dieser Substanz eingenommen wird. Die standard-SI-Einheit ist Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3). Die englische Standardeinheit ist Pfund Masse pro Kubikfuß (lbm/ft3).,

Da die Dichte (ρ) einer Substanz die Gesamtmasse (m) dieser Substanz dividiert durch das von dieser Substanz eingenommene Gesamtvolumen (V) ist, ist es offensichtlich, dass die Dichte einer Substanz stark von ihrer Atommasse und auch von der Ordnungszahl abhängt Dichte (N; Atome/cm3),

• Atomgewicht. Die Atommasse wird vom Atomkern getragen, der nur etwa 10-12 des Gesamtvolumens des Atoms oder weniger einnimmt, aber die gesamte positive Ladung und mindestens 99,95% der Gesamtmasse des Atoms enthält. Daher wird es durch die Massenzahl (Anzahl der Protonen und Neutronen) bestimmt.,
• Ordnungszahl Dichte. Die Ordnungszahldichte (N; Atome / cm3), die mit Atomradien assoziiert ist, ist die Anzahl der Atome eines bestimmten Typs pro Volumeneinheit (V; cm3) des Materials. Die Ordnungszahldichte (N; Atome / cm3) eines reinen Materials mit Atom-oder Molekulargewicht (M; Gramm/mol) und die Materialdichte (⍴; Gramm/cm3) wird leicht aus der folgenden Gleichung unter Verwendung der Avogadro-Zahl berechnet (NA = 6.022×1023 Atome oder Moleküle pro Mol):
• Kristallstruktur., Die Dichte der kristallinen Substanz wird durch ihre Kristallstruktur erheblich beeinflusst. FCC-Struktur, zusammen mit seinem hexagonalen Verwandten (hcp), hat den effizientesten Verpackungsfaktor (74%). Metalle, die FCC-Strukturen enthalten, umfassen Austenit, Aluminium, Kupfer, Blei, Silber, Gold, Nickel, Platin und Thorium.

Mechanische Eigenschaften von Stahl gegenüber Titan

Materialien werden häufig für verschiedene Anwendungen ausgewählt, da sie wünschenswerte Kombinationen mechanischer Eigenschaften aufweisen., Für strukturelle Anwendungen sind Materialeigenschaften entscheidend und Ingenieure müssen sie berücksichtigen.

Festigkeit von Stahl gegen Titan

In der Materialmechanik ist die Festigkeit eines Materials seine Fähigkeit, einer aufgebrachten Last ohne Versagen oder plastische Verformung standzuhalten. Die Festigkeit von Materialien berücksichtigt grundsätzlich die Beziehung zwischen den äußeren Belastungen, die auf ein Material aufgebracht werden, und der daraus resultierenden Verformung oder Änderung der Materialabmessungen. Die Stärke eines Materials ist seine Fähigkeit, dieser aufgebrachten Last ohne Versagen oder plastische Verformung standzuhalten.,

Ultimative Zugfestigkeit

Die ultimative Zugfestigkeit von kohlenstoffarmem Stahl liegt zwischen 400 und 550 MPa.

Ultimative zugfestigkeit von ultra-high-carbon stahl ist 1100 MPa.

Ultimative zug festigkeit von Ti-6Al-4V-Grade 5 titanium legierung ist über 1170 MPa.

Die ultimative Zugfestigkeit ist das Maximum der technischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Dies entspricht der maximalen Belastung, die durch eine Spannungsstruktur aufrechterhalten werden kann. Ultimative Zugfestigkeit wird oft auf „Zugfestigkeit“ oder sogar auf „die ultimative“ verkürzt.,“Wenn diese Belastung angewendet und aufrechterhalten wird, kommt es zu einer Fraktur. Oft ist dieser Wert deutlich mehr als die Streckgrenze (bis zu 50 bis 60 Prozent mehr als die Ausbeute für einige Arten von Metallen). Wenn ein duktiles Material seine Endfestigkeit erreicht, erfährt es Einschnüren, wo sich die Querschnittsfläche lokal verringert. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve enthält keine höhere Spannung als die Endfestigkeit. Obwohl die Verformungen weiter zunehmen können, nimmt die Belastung normalerweise ab, nachdem die Endfestigkeit erreicht wurde., Es ist eine intensive Eigenschaft; Daher hängt sein Wert nicht von der Größe des Prüflings ab. Es ist jedoch abhängig von anderen Faktoren, wie der Vorbereitung der Probe, dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Oberflächendefekten und der Temperatur der Testumgebung und des Materials. Ultimative Zugfestigkeiten variieren von 50 MPa für ein Aluminium bis zu 3000 MPa für sehr hochfeste Stähle.

Streckgrenze

Streckgrenze des kohlenstoffarmen Stahls ist 250 MPa.

Streckgrenze des Ultrahochkohlenstoffstahls ist 800 MPa.,

Streckgrenze von Ti-6Al – 4V-Grade 5 Titanlegierung ist ungefähr 1100 MPa.

Die Streckgrenze ist der Punkt auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve, der die Grenze des elastischen Verhaltens und des beginnenden plastischen Verhaltens angibt. Streckgrenze oder Streckgrenze ist die Materialeigenschaft, definiert als die Spannung, bei der sich ein Material plastisch zu verformen beginnt, während Streckgrenze der Punkt ist, an dem eine nichtlineare (elastische + plastische) Verformung beginnt. Vor der Streckgrenze verformt sich das Material elastisch und kehrt in seine ursprüngliche Form zurück, wenn die aufgebrachte Spannung entfernt wird., Sobald die Streckgrenze überschritten ist, ist ein Teil der Verformung dauerhaft und nicht reversibel. Einige Stähle und andere Werkstoffe weisen ein Verhalten auf, das als Streckpunktphänomen bezeichnet wird. Die Streckfestigkeiten variieren von 35 MPa für ein niedrigfestes Aluminium bis zu mehr als 1400 MPa für sehr hochfeste Stähle.

Youngs Elastizitätsmodul

Youngs Elastizitätsmodul aus kohlenstoffarmem Stahl beträgt 200 GPa.

Youngs Elastizitätsmodul der Titanlegierung Ti-6Al-4V – Grade 5 beträgt etwa 114 GPa.,

Der Elastizitätsmodul des Jungen ist der Elastizitätsmodul für Zug-und Druckspannung im linearen Elastizitätsregime einer einachsigen Verformung und wird üblicherweise durch Zugversuche beurteilt. Bis zu einer begrenzten Belastung kann ein Körper seine Abmessungen beim Entfernen der Last wiederherstellen. Die angelegten Spannungen bewirken, dass sich die Atome in einem Kristall von ihrer Gleichgewichtsposition bewegen. Alle Atome werden um die gleiche Menge verschoben und behalten ihre relative Geometrie bei. Wenn die Spannungen entfernt werden, kehren alle Atome in ihre ursprünglichen Positionen zurück und es tritt keine dauerhafte Verformung auf., Nach dem Hooke-Gesetz ist die Spannung proportional zur Belastung (im elastischen Bereich) und die Steigung ist Young ‚ s Modul. Der Young-Modul ist gleich der Längsspannung geteilt durch die Dehnung.

Härte von Stahl vs Titan

Brinell härte von low-carbon stahl ist ca.

Brinell härte von high-carbon stahl ist etwa 200 MPa.

Rockwell-Härte von Ti-6Al-4V Grade 5 Titan-Legierung ist ungefähr 41 HRC.,

Rockwell härte test ist eine der häufigsten einzug härte tests,, dass wurde entwickelt für härte prüfung. Im Gegensatz zum Brinell-Test misst der Rockwell-Tester die Eindringtiefe eines Eindringkörpers unter einer großen Last (große Last) im Vergleich zum Eindringen durch eine Vorspannung (geringe Last). Die geringe Last legt die Nullposition fest. Die Hauptlast wird aufgebracht und dann entfernt, während die Nebenlast beibehalten wird., Die Differenz zwischen der Eindringtiefe vor und nach dem Aufbringen der Hauptlast wird zur Berechnung der Rockwell-Härtezahl verwendet. Das heißt, die Eindringtiefe und Härte sind umgekehrt proportional. Der Hauptvorteil der Rockwell-Härte ist seine Fähigkeit, Härtewerte direkt anzuzeigen. Das Ergebnis ist eine dimensionslose Zahl, die als HRA, HRB, HRC usw. notiert ist., wobei der letzte Buchstabe die jeweilige Rockwell-Skala ist.

Der Rockwell C Test wird mit einem Brale Penetrator (120°Diamond cone) und einer Hauptlast von 150kg durchgeführt.,

Thermische Eigenschaften von Stahl vs Titan

Thermische Eigenschaften von Materialien beziehen sich auf die Reaktion von Materialien auf Änderungen ihrer Temperatur und auf die Anwendung von Wärme. Wenn ein Feststoff Energie in Form von Wärme absorbiert, steigt seine Temperatur und seine Abmessungen nehmen zu. Aber verschiedene Materialien reagieren unterschiedlich auf die Anwendung von Wärme.

Wärmekapazität, Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit sind Eigenschaften, die bei der praktischen Verwendung von Feststoffen häufig kritisch sind.

Schmelzpunkt von Stahl vs Titan

Schmelzpunkt von kohlenstoffarmem Stahl ist um 1450°C.,

Der Schmelzpunkt der Titanlegierung Ti-6Al-4V – Grade 5 liegt bei etwa 1660°C.

Im Allgemeinen ist das Schmelzen ein Phasenwechsel einer Substanz von der festen in die flüssige Phase. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der diese Phasenänderung auftritt. Der Schmelzpunkt definiert auch einen Zustand, in dem der Feststoff und die Flüssigkeit im Gleichgewicht existieren können.

Wärmeleitfähigkeit von Stahl gegen Titan

Die Wärmeleitfähigkeit von typischem Stahl beträgt 20 W / (m. K).

Die Wärmeleitfähigkeit der Titanlegierung Ti-6Al-4V – Grade 5 beträgt 6,7 W / (m. K).,

Die Wärmeübertragungseigenschaften eines festen Materials werden durch eine Eigenschaft gemessen, die als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet wird, k (oder λ), gemessen in W/m. K. Es ist ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme durch ein Material durch Leitung zu übertragen. Beachten Sie, dass das Fourier-Gesetz für alle Materie gilt, unabhängig von ihrem Zustand (fest, flüssig oder Gas), daher ist es auch für Flüssigkeiten und Gase definiert.

Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Flüssigkeiten und Feststoffe variiert mit der Temperatur. Bei Dämpfen hängt es auch vom Druck ab., Im Allgemeinen:

Die meisten Materialien sind sehr nahezu homogen, daher können wir normalerweise k = k (T) schreiben. Ähnliche Definitionen sind mit Wärmeleitfähigkeiten in y – und z-Richtung (ky, kz) verbunden, aber für ein isotropes Material ist die Wärmeleitfähigkeit unabhängig von der Übertragungsrichtung, kx = ky = kz = k.