stale

stale są stopami żelaza i węgla, które mogą zawierać znaczne stężenia innych pierwiastków stopowych. Dodanie niewielkiej ilości niemetalicznego węgla do żelaza zmienia jego dużą plastyczność na większą plastyczność. Ze względu na bardzo wysoką wytrzymałość, ale nadal znaczną wytrzymałość i jego zdolność do znacznej zmiany przez obróbkę cieplną, Stal jest jednym z najbardziej użytecznych i powszechnych stopów żelaza we współczesnym zastosowaniu., Istnieją tysiące stopów, które mają różne składy i / lub obróbkę cieplną. Właściwości mechaniczne są wrażliwe na zawartość węgla, który zwykle jest mniejszy niż 1,0% wag. Według klasyfikacji ot AISI stal węglowa jest podzielona na cztery klasy na podstawie zawartości węgla.,

rodzaje stali – Klasyfikacja Na podstawie składu

• 

  Stal. Stale są stopami żelaza i węgla, które mogą zawierać znaczne stężenia innych pierwiastków stopowych., Dodanie niewielkiej ilości niemetalicznego węgla do żelaza powoduje jego dużą ciągliwość dla większej wytrzymałości. Ze względu na bardzo wysoką wytrzymałość, ale nadal znaczną wytrzymałość i jego zdolność do znacznej zmiany przez obróbkę cieplną, Stal jest jednym z najbardziej użytecznych i powszechnych stopów żelaza we współczesnym zastosowaniu. Istnieją tysiące stopów, które mają różne składy i / lub obróbkę cieplną. Właściwości mechaniczne są wrażliwe na zawartość węgla, który zwykle jest mniejszy niż 1,0% wag., Według klasyfikacji ot AISI stal węglowa jest podzielona na cztery klasy w oparciu o zawartość węgla:

  • stale niskowęglowe. Stal niskowęglowa, znana również jako stal miękka, jest obecnie najczęstszą formą stali, ponieważ jej cena jest stosunkowo niska, a jednocześnie zapewnia właściwości materiału, które są akceptowalne dla wielu zastosowań. Stal niskowęglowa zawiera około 0,05-0,25% węgla, dzięki czemu jest ciągliwa i ciągliwa. Stal miękka ma stosunkowo niską wytrzymałość na rozciąganie, ale jest tania i łatwa do formowania; twardość powierzchni można zwiększyć poprzez nawęglanie.
  • stale średniowęglowe., Stal średniowęglowa ma około 0,3-0,6% zawartości węgla. Równoważy ciągliwość i wytrzymałość oraz ma dobrą odporność na zużycie. Ten gatunek stali jest najczęściej stosowany w produkcji elementów maszyn, wałów, osi, kół zębatych, wałów korbowych, sprzęgieł i odkuwek, a także może być stosowany w szynach i kołach kolejowych.
  • stale Wysokowęglowe. Stal wysokowęglowa ma około 0,60 do 1,00% zawartości węgla. Twardość jest wyższa niż inne gatunki, ale plastyczność zmniejsza się. Stale wysokowęglowe mogą być używane do sprężyn, drutów linowych, młotów, śrubokrętów i kluczy.,
  • stali wysokowęglowych. Stal ultrawęglowa ma około 1,25-2,0% zawartości węgla. Stale, które można hartować do dużej twardości. Ten gatunek stali może być stosowany do twardych wyrobów stalowych, takich jak sprężyny do ciężarówek, narzędzia do cięcia metalu i inne specjalne cele, takie jak noże, osie lub stemple (nieprzemysłowe). Większość stali o zawartości węgla powyżej 2,5% jest wytwarzana przy użyciu metalurgii proszków.
• stale stopowe., Stal jest stopem żelaza i węgla, ale termin stal stopowa zwykle odnosi się tylko do stali, które zawierają inne pierwiastki— takie jak wanad, molibden lub kobalt—w ilościach wystarczających do zmiany właściwości stali bazowej. Ogólnie rzecz biorąc, stal stopowa jest stalą, która jest stopowana z różnymi pierwiastkami w łącznej ilości od 1,0% do 50% wagowo, aby poprawić jej właściwości mechaniczne. Stale stopowe są podzielone na dwie grupy:
  • stale niskostopowe.
  • stale wysokostopowe.
• Stal nierdzewna., Stale nierdzewne są definiowane jako stale niskowęglowe z co najmniej 10% chromu z innymi pierwiastkami stopowymi lub bez nich. Wytrzymałość i odporność na korozję często sprawiają, że jest to materiał z wyboru w transporcie i przetwarzaniu sprzętu, Części silnika i broni palnej. Chrom zwiększa twardość, wytrzymałość i odporność na korozję. Nikiel daje podobne korzyści, ale dodaje twardości bez utraty ciągliwości i wytrzymałości. Zmniejsza również rozszerzalność cieplną dla lepszej stabilności wymiarowej.,

Stopy tytanu

Czysty tytan jest mocniejszy niż zwykłe stale niskowęglowe, ale o 45% lżejszy. Jest również dwa razy mocniejszy od słabych stopów aluminium, ale tylko 60% cięższy. Dwie najbardziej użyteczne właściwości metalu to odporność na korozję i stosunek wytrzymałości do gęstości, najwyższy ze wszystkich elementów metalowych. Odporność na korozję stopów tytanu w normalnych temperaturach jest niezwykle wysoka. Odporność tytanu na korozję opiera się na tworzeniu stabilnej, ochronnej warstwy tlenku., Chociaż” komercyjnie Czysty ” tytan ma akceptowalne właściwości mechaniczne i został użyty do implantów ortopedycznych i dentystycznych, w większości zastosowań tytan jest stopowany z niewielkimi ilościami aluminium i wanadu, zazwyczaj 6% i 4% wagowo. Mieszanina ta ma stałą rozpuszczalność, która zmienia się dramatycznie w zależności od temperatury, dzięki czemu ulega wzmocnieniu opadu.

Stopy tytanu to metale, które zawierają mieszaninę tytanu i innych pierwiastków chemicznych. Takie stopy mają bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość (nawet w ekstremalnych temperaturach)., Są lekkie, mają niezwykłą odporność na korozję i zdolność do wytrzymywania ekstremalnych temperatur.

Klasa 2

komercyjnie Czysty tytan grade 2 jest bardzo podobny do klasy 1, ale ma wyższą wytrzymałość niż klasa 1 i doskonałe właściwości formowania na zimno. Zapewnia doskonałe właściwości spawalnicze i ma doskonałą odporność na utlenianie i korozję. Ten gatunek tytanu jest najczęstszym gatunkiem przemysłu komercyjnie czystego tytanu., Jest to najlepszy wybór dla wielu dziedzin zastosowań:

• lotnictwo,
• Motoryzacja,
• przetwarzanie chemiczne & produkcja chloranów,
• Odsalanie
• wytwarzanie energii

Klasa 5 – Ti-6Al-4V

Klasa 5 jest najczęściej stosowanym stopem i jest to stop alfa + beta. Stop grade 5 stanowi 50% całkowitego zużycia tytanu na całym świecie. Ma skład chemiczny 6% Aluminium, 4% wanadu, 0,25% (maksimum) żelaza, 0,2% (maksimum) tlenu, a pozostała część tytanu., Zasadniczo Ti-6Al-4V jest stosowany w aplikacjach do 400 stopni Celsjusza. Ma gęstość około 4420 kg / m3. Jest znacznie silniejszy niż komercyjnie Czysty tytan (klasy 1-4) ze względu na możliwość obróbki cieplnej., Jest to doskonały wybór dla wielu dziedzin zastosowań:

• turbiny lotnicze
• komponenty silnika
• elementy konstrukcyjne samolotów
• elementy złączne samolotów
• wysokowydajne części automatyczne
• Aplikacje Morskie

zastosowanie stopów tytanu-zastosowania

dwie najbardziej przydatne właściwości metalu to korozja, odporność na korozję i odporność na korozję.stosunek wytrzymałości i wytrzymałości do gęstości, najwyższy ze wszystkich elementów metalowych., Odporność na korozję stopów tytanu w normalnych temperaturach jest niezwykle wysoka. Właściwości te determinują zastosowanie tytanu i jego stopów. Najwcześniejsze zastosowanie tytanu w produkcji miało miejsce w 1952 roku, dla gondoli i firewalli samolotu Douglas DC-7. Wysoka Wytrzymałość właściwa, Dobra odporność na zmęczenie i pełzanie oraz dobra wytrzymałość na pękanie to cechy, które sprawiają, że tytan jest preferowanym metalem do zastosowań lotniczych., Zastosowania w lotnictwie, w tym zastosowanie zarówno w komponentach konstrukcyjnych (płatowca), jak i w silnikach odrzutowych, nadal stanowią największy udział w użyciu stopu tytanu. Na naddźwiękowych samolotach SR-71 Tytan był używany w 85% konstrukcji. Ze względu na bardzo wysoką bezwładność tytan ma wiele zastosowań biomedycznych, co opiera się na jego bezwładności w organizmie człowieka, czyli odporności na korozję przez płyny ustrojowe.,

właściwości stali vs tytanu

właściwości materiału są intensywne właściwości, co oznacza, że są niezależne od ilości masy i mogą się różnić w zależności od miejsca w systemie w dowolnym momencie. Podstawą materiałoznawstwa jest badanie struktury materiałów i ich właściwości (mechanicznych, elektrycznych itp.). Gdy naukowiec materiałów wie o tej korelacji struktura-właściwości, mogą następnie przejść do badania względnej wydajności materiału w danej aplikacji., Głównymi wyznacznikami struktury materiału, a tym samym jego właściwości, są jego składowe pierwiastki chemiczne i sposób, w jaki został on przetworzony do jego ostatecznej postaci.

gęstość stali vs tytanu

gęstość typowej stali wynosi 8,05 g / cm3.

gęstość typowego stopu tytanu wynosi 4,43 g / cm3 (Ti-6Al-4V).

gęstość jest zdefiniowana jako masa na jednostkę objętości., Jest to właściwość intensywna, która jest matematycznie zdefiniowana jako masa podzielona przez objętość:

ρ = M/V

w słowach gęstość (ρ) substancji jest całkowitą masą (m) tej substancji podzieloną przez całkowitą objętość (V) zajmowaną przez tę substancję. Standardowa jednostka SI to kilogramy na metr sześcienny (kg / m3). Standardową angielską jednostką jest funt na stopę sześcienną (lbm/ft3).,

ponieważ gęstość (ρ) substancji jest całkowitą masą (m) tej substancji podzieloną przez całkowitą objętość (V) zajmowaną przez tę substancję, oczywiste jest, że gęstość substancji silnie zależy od jej masy atomowej, a także od gęstości liczby atomowej (N; atomów/cm3),

• masy atomowej. Masa atomowa jest przenoszona przez jądro atomowe, które zajmuje tylko około 10-12 całkowitej objętości atomu lub mniej, ale zawiera cały ładunek dodatni i co najmniej 99,95% całkowitej masy atomu. Dlatego jest ona określona przez liczbę masową (liczbę protonów i neutronów).,
• gęstość liczby atomowej. Gęstość liczby atomowej (N; atomów/cm3), która jest związana z promieniami atomowymi, to liczba atomów danego typu na jednostkę objętości (V; cm3) materiału. Gęstość liczby atomowej (N; Atomy/cm3) czystego materiału o masie atomowej lub cząsteczkowej (m; gramy/mol) i gęstości materiału ( ⍴ ; gram / cm3)jest łatwo obliczona z następującego równania przy użyciu liczby Avogadro (na = 6.022 × 1023 atomów lub cząsteczek na mol):
• struktura krystaliczna., Na gęstość substancji krystalicznej znacząco wpływa jej struktura krystaliczna. Struktura FCC, wraz z heksagonalnym względnym (hcp), ma najbardziej efektywny współczynnik pakowania (74%). Metale zawierające struktury FCC obejmują austenit, aluminium, miedź, ołów, srebro, złoto, nikiel, platynę i Tor.

właściwości mechaniczne stali i tytanu

materiały są często wybierane do różnych zastosowań, ponieważ mają pożądane kombinacje właściwości mechanicznych., W zastosowaniach konstrukcyjnych kluczowe znaczenie mają właściwości materiału i inżynierowie muszą je wziąć pod uwagę.

wytrzymałość stali vs tytanu

w mechanice materiałów, wytrzymałość materiału jest jego zdolność do wytrzymania przyłożonego obciążenia bez awarii lub odkształcenia plastycznego. Wytrzymałość materiałów zasadniczo uwzględnia zależność między obciążeniami zewnętrznymi przyłożonymi do materiału i wynikającymi z tego odkształceniami lub zmianami wymiarów materiału. Wytrzymałość materiału to jego zdolność do wytrzymania tego przyłożonego obciążenia bez uszkodzenia lub odkształcenia plastycznego.,

wytrzymałość na rozciąganie

wytrzymałość na rozciąganie stali niskowęglowej wynosi od 400 do 550 MPa.

wytrzymałość na rozciąganie stali ultra-wysokowęglowej wynosi 1100 MPa.

wytrzymałość na rozciąganie stopu tytanu klasy 5 Ti-6Al-4V wynosi około 1170 MPa.

wytrzymałość na rozciąganie jest maksymalną wartością na krzywej naprężenie-odkształcenie inżynierskie. Odpowiada to maksymalnemu naprężeniu, które może być podtrzymywane przez strukturę w napięciu. Wytrzymałość na rozciąganie jest często skracana do” wytrzymałości na rozciąganie „lub nawet do” ostatecznego.,”Jeśli ten stres zostanie zastosowany i utrzymany, nastąpi złamanie. Często wartość ta jest znacznie większa niż stres wydajności (aż 50 do 60 procent więcej niż wydajność dla niektórych rodzajów metali). Gdy materiał sferoidalny osiąga swoją ostateczną wytrzymałość, doświadcza szyjki, w której obszar przekroju zmniejsza się lokalnie. Krzywa stres-odkształcenie nie zawiera większego naprężenia niż ostateczna Siła. Chociaż deformacje mogą nadal wzrastać, stres zwykle zmniejsza się po osiągnięciu ostatecznej siły., Jest to właściwość intensywna, dlatego jej wartość nie zależy od wielkości próbki testowej. Jest to jednak zależne od innych czynników, takich jak przygotowanie próbki, obecność lub brak wad powierzchniowych oraz temperatura środowiska testowego i materiału. Wytrzymałość na rozciąganie waha się od 50 MPa dla aluminium do nawet 3000 MPa dla stali o bardzo wysokiej wytrzymałości.

Granica plastyczności

Granica plastyczności stali niskowęglowej wynosi 250 MPa.

Granica plastyczności stali ultra-wysokowęglowej wynosi 800 MPa.,

Granica plastyczności stopu tytanu klasy 5 Ti-6Al-4V wynosi około 1100 MPa.

granica plastyczności jest punktem na krzywej naprężenie-odkształcenie, która wskazuje granicę zachowania sprężystego i początkowego zachowania plastycznego. Granica plastyczności lub naprężenie plastyczne jest właściwością materiału zdefiniowaną jako naprężenie, przy którym materiał zaczyna deformować się plastycznie, podczas gdy granica plastyczności jest punktem, w którym zaczyna się nieliniowa (elastyczna + plastikowa) deformacja. Przed granicą plastyczności materiał odkształci się elastycznie i powróci do pierwotnego kształtu po usunięciu naprężenia., Po przejściu granicy plastyczności pewna część deformacji będzie trwała i nieodwracalna. Niektóre stale i inne materiały wykazują zachowanie określane jako zjawisko granicy plastyczności. Granica plastyczności waha się od 35 MPa dla aluminium o niskiej wytrzymałości do ponad 1400 MPa dla stali o bardzo wysokiej wytrzymałości.

moduł sprężystości Younga

moduł sprężystości Younga stali niskowęglowej wynosi 200 GPa.

moduł sprężystości stopu tytanu klasy 5 Ti-6Al-4V wynosi około 114 GPa.,

moduł sprężystości Younga jest modułem sprężystości dla naprężeń rozciągających i ściskających w liniowym reżimie sprężystości jednoosiowego odkształcenia i jest zwykle oceniany za pomocą testów rozciągających. Do ograniczającego naprężenia, ciało będzie w stanie odzyskać swoje wymiary po usunięciu obciążenia. Zastosowane naprężenia powodują, że atomy w krysztale przemieszczają się z pozycji równowagi. Wszystkie atomy są przesunięte w tej samej ilości i nadal zachowują swoją względną geometrię. Po usunięciu naprężeń wszystkie atomy wracają do swoich pierwotnych pozycji i nie występuje trwałe odkształcenie., Zgodnie z prawem Hooke ' a naprężenie jest proporcjonalne do naprężenia (w obszarze sprężystym), a nachylenie jest modułem Younga. Moduł Younga jest równy naprężeniu podłużnemu podzielonemu przez odkształcenie.

twardość stali vs tytanu

twardość Brinella stali niskowęglowej wynosi około 120 MPa.

twardość Brinella stali wysokowęglowej wynosi około 200 MPa.

twardość Rockwella stopu tytanu klasy 5 Ti-6Al-4V wynosi około 41 HRC.,

test twardości Rockwella jest jednym z najczęstszych testów twardości wgłębień, który został opracowany do testowania twardości. W przeciwieństwie do testu Brinella, Tester Rockwella mierzy głębokość penetracji wgłębienia pod dużym obciążeniem (duże obciążenie) w porównaniu do penetracji dokonanej przez obciążenie wstępne (niewielkie obciążenie). Mniejsze obciążenie ustala pozycję zerową. Główne obciążenie jest przykładane, a następnie usuwane, zachowując mniejsze obciążenie., Różnica między głębokością penetracji przed i po przyłożeniu dużego obciążenia służy do obliczenia liczby twardości Rockwella. Oznacza to, że głębokość penetracji i twardość są odwrotnie proporcjonalne. Główną zaletą twardości Rockwella jest możliwość bezpośredniego wyświetlania wartości twardości. Wynikiem jest bezwymiarowa liczba zapisywana jako HRA, HRB, HRC itp., gdzie ostatnią literą jest odpowiednia skala Rockwella.

badanie Rockwella C przeprowadza się penetratorem Brale (stożek diamentowy 120°) i dużym obciążeniem 150kg.,

właściwości termiczne stali vs tytanu

właściwości termiczne materiałów odnoszą się do reakcji materiałów na zmiany ich temperatury i zastosowania ciepła. Ponieważ ciało stałe pochłania energię w postaci ciepła, jego temperatura wzrasta i wzrasta jego wymiary. Ale różne materiały reagują na zastosowanie ciepła inaczej.

pojemność cieplna, rozszerzalność cieplna i przewodność cieplna to właściwości, które często mają kluczowe znaczenie w praktycznym zastosowaniu ciał stałych.

Temperatura topnienia stali vs tytanu

temperatura topnienia stali niskowęglowej wynosi około 1450°C.,

temperatura topnienia stopu tytanu klasy 5 Ti-6Al-4V wynosi około 1660°C.

ogólnie rzecz biorąc, topienie jest zmianą fazową substancji z fazy stałej do ciekłej. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zachodzi ta zmiana fazy. Temperatura topnienia określa również stan, w którym ciało stałe i ciecz mogą istnieć w równowadze.

przewodność Cieplna stali vs tytanu

przewodność cieplna typowej stali wynosi 20 W / (m.K).

przewodność cieplna stopu tytanu klasy 5 Ti-6Al-4V wynosi 6,7 W / (m. K).,

właściwości przenoszenia ciepła materiału stałego są mierzone przez właściwość zwaną przewodnością cieplną, k (lub λ), mierzone w W / m. K. jest to miara zdolności substancji do przenoszenia ciepła przez materiał przez przewodzenie. Zauważ, że prawo Fouriera ma zastosowanie dla każdej materii, niezależnie od jej stanu (stałego, ciekłego lub gazowego), dlatego jest również zdefiniowane dla cieczy i gazów.

przewodność cieplna większości cieczy i ciał stałych zmienia się w zależności od temperatury. W przypadku oparów zależy to również od ciśnienia., Ogólnie:

większość materiałów jest bardzo prawie jednorodna, dlatego zwykle możemy napisać k = k (T). Podobne definicje są związane z przewodnością cieplną w kierunkach y i z (ky, kz), ale dla materiału izotropowego przewodność cieplna jest niezależna od kierunku przenoszenia, kx = ky = kz = k.