Handledning: Elasticitetsmodul för stål - Materialvetenskap

Stål är ett viktigt material i modern industri och används för en mängd olika tillämpningar. En viktig egenskap att tänka på när man använder stål är deras elasticitet. Elasticitetsmodul eller Youngs modul indikerar hur mycket stress som behövs för att uppnå en viss grad av förlängning. I den här artikeln kommer vi att titta på de olika typerna av stål och deras respektive elasticitetsmoduler.

Vad är stål?

Stål består huvudsakligen av järn (Fe) och kol (C), men andra element kan också tillsättas för att förbättra eller anpassa dess egenskaper.

De flesta kommersiellt tillgängliga kvaliteter har ett kolinnehåll mellan 0,2 % och 2 %. Den exakta kompositionen varierar beroende på tillverkare och avsedd användning av materialet.

Tack vare modern teknik och forskningsresultat kan stålkvaliteter idag produceras som har en imponerande kombination av egenskaper. Dessa egenskaper är resultatet av riktad tillsats av legeringselement som krom, molybden eller nickel i vissa proportioner.

De medföljande elementen i stål spelar också en viktig roll för att bestämma dess fysikaliska och kemiska egenskaper. Kol ökar till exempel materialets hårdhet, medan svavel gör det sprött.
Dessutom är stålets kristallstruktur efter deformation och dess värmebehandlingstillstånd också avgörande för dess slutliga mekaniska och termodynamiska egenskaper. Kontrollerade kylnings- eller uppvärmningsprocesser kan uppnå önskat tillstånd.

Vilka stålsorter finns det?

Det finns ett brett utbud av olika stålsorter, som tillverkas för olika ändamål. Några av de vanligaste typerna är kolstål, legerat stål och rostfritt stål.

Kolstål har en hög kolhalt och används ofta för byggelement som balkar eller broar. De kan också användas i verktygsmaskiner eftersom de är tillräckligt svåra för att utföra skärningar. På grund av sin höga hållfasthet och hårdhet är kolstål ett populärt material i speciell maskinkonstruktion. De är särskilt lämpliga för komponenter som utsätts för hög belastning, såsom kugghjul eller axlar.

Förutom järn innehåller legerat stål också andra element som krom eller molybden. Dessa tillsatser förbättrar materialets styrka och dess korrosionsbeständighet mot vatten eller fuktighet. Vid specialmaskinkonstruktion används legerat stål till exempel vid tillverkning av verktygsmaskiner. Vid tillverkning av specialutrustning för gruvdrift och tunnelkonstruktion samt vid konstruktion av kranar används också ofta legerat stål.

Rostfritt stål kännetecknas av deras höga rostbeständighet - därav deras namn "rostfritt". Detta gör den idealisk för användning utomhus och i miljöer med fuktexponering som köksredskap eller medicinsk utrustning. Rostfria stål och rostfritt stål är oumbärliga i speciell maskinkonstruktion. De erbjuder hög korrosionsbeständighet, vilket är särskilt fördelaktigt i våta eller aggressiva miljöer.

Utöver dessa tre huvudtyper finns många andra specialiserade stålsorter på marknaden: Högtemperaturstål används till exempel i extremt varma förhållanden; elektriska stål möjliggör i sin tur högre energieffektivitet i elektriska transformatorer; Fjäderstål används främst vid konstruktion av fjädrar.

Vad är elasticitetsmodulen för stål?

Hur bestäms elasticitetsmodulen för stål?

Elasticitetsmodulen definieras av det linjära intervallet i belastningsdiagrammet.

Med enaxiell belastning i dragtestet kan detta linjära intervall lätt kännas igen: Ju högre den applicerade dragkraften, desto mer expanderar materialet - men alltid proportionellt mot kraften. Lutningen av denna linjär-elastiska region resulterar sedan i materialets elasticitetsmodul.

Från denna härledning gäller Hookes lag med:

E-modul av olika ståltyper

Det är viktigt att notera att e-modulen inte bara beror på materialets kemiska sammansättning utan också påverkas av tillverkningsprocessen och de mekaniska egenskaperna som hårdhet eller styrka.

Ju högre e-modul av en viss stålkvalitet, desto mer robust är konstruktionerna gjorda med den under belastningspåverkan.