Stahl vs. Titan – Festigkeit, Eigenschaften und Verwendungen
Leitfäden
Christian Cavallo
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Wenn Designer robuste, robuste Materialien für ihre Projekte benötigen, sind Stahl und Titan die ersten Optionen, die in den Sinn kommen. Diese Metalle kommen in einer breiten Palette von Legierungen – Basismetalle mit anderen metallischen Elementen durchdrungen, die eine Summe größer als seine Teile produzieren. Es gibt Dutzende von Titanlegierungen und Hunderte weitere Stahllegierungen, so kann es oft schwierig sein, zu entscheiden, wo man anfangen soll, wenn man diese beiden Metalle betrachtet., Dieser Artikel, durch eine Untersuchung der physikalischen, mechanischen und Arbeitseigenschaften von Stahl und Titan, kann Designern helfen, zu wählen, welches Material für ihre Arbeit geeignet ist. Jedes Metall wird kurz untersucht, und dann folgt ein Vergleich ihrer Unterschiede, um zu zeigen, wann man eins über das andere spezifiziert.
Stahl
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts perfektioniert, ist Stahl schnell zum nützlichsten und vielfältigsten Metall der Erde geworden. Es wird durch Anreicherung von elementarem Eisen mit Kohlenstoff erzeugt, was seine Härte, Festigkeit und Beständigkeit erhöht., Viele sogenannte legierte Stähle verwenden auch Elemente wie Zink, Chrom, Mangan, Molybdän, Silizium und sogar Titan, um ihre Korrosionsbeständigkeit, Verformung, hohe Temperaturen und mehr zu verbessern. Zum Beispiel gehört Stahl mit einem hohen Chromgehalt zu den rostfreien Stählen oder solchen, die weniger anfällig für Rost sind als andere Legierungen. Da es viele Arten von Stahl gibt, ist es schwierig, seine spezifischen Eigenschaften zu verallgemeinern, aber unser Artikel über die Stahlsorten gibt eine gute Einführung in die verschiedenen Klassen.
Stahl ist im Allgemeinen ein dichtes, hartes und dennoch bearbeitbares Metall., Es reagiert auf den Wärmebehandlungsverstärkungsprozess, der es selbst den einfachsten Stählen ermöglicht, variable Eigenschaften zu haben, je nachdem, wie sie erhitzt/gekühlt wurden. Es ist magnetisch und kann sowohl Wärme als auch Strom leicht leiten. Die meisten Stähle sind aufgrund ihrer Eisenzusammensetzung korrosionsanfällig, obwohl die rostfreien Stähle diese Schwäche bis zu einem gewissen Grad erfolgreich angehen. Stahl hat eine hohe Festigkeit, aber diese Festigkeit ist umgekehrt proportional zu seiner Zähigkeit oder ein Maß für die Widerstandsfähigkeit gegen Verformung ohne Bruch., Während es Bearbeitungsstähle gibt, gibt es andere Stähle, die aufgrund ihrer Arbeitseigenschaften schwierig, wenn nicht unmöglich zu bearbeiten sind.
Es sollte klar sein, dass Stahl viele verschiedene Aufgaben erfüllen kann: Es kann hart, zäh, stark, temperatur-oder korrosionsbeständig sein; Das Problem ist, dass es nicht alle diese Dinge auf einmal sein kann, ohne eine Eigenschaft über die andere zu opfern. Dies ist jedoch kein großes Problem, da die meisten Stahlsorten kostengünstig sind und es Designern ermöglichen, verschiedene Stähle in ihren Projekten zu kombinieren, um Compoundierungsvorteile zu erzielen., Infolgedessen findet Stahl seinen Weg in fast jede Industrie und wird in der Automobil -, Luft-und Raumfahrt -, Struktur -, Architektur -, Fertigungs -, Elektronik -, Infrastruktur-und Dutzenden weiteren Anwendungen eingesetzt.
Titan
Titan wurde in den frühen 1900er Jahren erstmals in seine metallischen Formen gereinigt und ist nicht so selten, wie die meisten Menschen glauben. Tatsächlich ist es das vierthäufigste Metall der Erde, ist aber in hohen Konzentrationen oder in seiner elementaren Form schwer zu finden. Es ist auch schwierig zu reinigen, was die Herstellung teurer macht als die Quelle.,
Elementares Titan ist ein silbergraues nichtmagnetisches Metall mit einer Dichte von 4,51 g / cm3, das fast halb so dicht ist wie Stahl und in der Kategorie „Leichtmetall“ landet. Modernes Titan kommt entweder als elementares Titan oder in verschiedenen Titanlegierungen, die alle gemacht sind, um sowohl die Festigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit des Basistitans zu erhöhen. Diese Legierungen haben die notwendige Festigkeit, um als Luft-und Raumfahrt -, Struktur -, Biomedizin-und Hochtemperaturmaterialien zu arbeiten, während elementares Titan normalerweise als Legierungsmittel für andere Metalle reserviert ist.,
Titan ist schwer zu schweißen, zu bearbeiten oder zu formen, kann aber wärmebehandelt werden, um seine Festigkeit zu erhöhen. Es hat den einzigartigen Vorteil, biokompatibel zu sein, was bedeutet, dass Titan im Körper inert bleibt und für die medizinische Implantattechnik unverzichtbar ist. Es hat ein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, bietet die gleiche Festigkeit wie Stahl bei 40% seines Gewichts und ist korrosionsbeständig dank einer dünnen Oxidschicht, die auf seiner Oberfläche in Gegenwart von Luft oder Wasser gebildet wird., Es widersteht auch Kavitation und Erosion, was es für hochbelastete Anwendungen wie Flugzeuge und militärische Technologien prädisponiert. Titan ist von entscheidender Bedeutung für Projekte, bei denen das Gewicht minimiert, aber die Festigkeit maximiert wird, und seine große Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität verleihen es einigen einzigartigen Branchen, die nicht von traditionelleren Metallen bedeckt sind.
Stahl vergleichen & Titan
Die Wahl eines dieser Metalle gegenüber dem anderen hängt von der jeweiligen Anwendung ab., In diesem Abschnitt werden einige mechanische Eigenschaften von Stahl und Titan verglichen, um zu zeigen, wo jedes Metall angegeben werden sollte (siehe Tabelle 1 unten). Beachten Sie, dass die Werte für Stahl und Titan in Tabelle 1 aus verallgemeinerten Tabellen stammen, da jedes Metall in seinen Eigenschaften je nach Legierungstyp, Wärmebehandlungsprozess und Zusammensetzung stark variiert.,c1″> heat treatment
Material properties
Steel
Titanium
Units
Metric
English
Metric
English
Density
7.,8-8 g/cm3
0.282-0.289 lb/in3
4.51 g/cm3
0.,d>
Elongation at Break
15%*
54%
Hardness (Brinell)
121*
The first striking difference between titanium and steel is their densities; as previously discussed, titanium is about half as dense as steel, making it substantially lighter., Dies passt Titan zu Anwendungen, die die Festigkeit von Stahl in einem leichteren Gehäuse benötigen, und verleiht Titan für die Verwendung in Flugzeugteilen und anderen gewichtsabhängigen Anwendungen. Die Dichte von Stahl kann ein Vorteil in bestimmten Anwendungen wie in einem Fahrzeugchassis sein, aber die meiste Zeit, Gewichtsreduktion ist oft ein Problem.
Der Elastizitätsmodul, manchmal auch Young-Modul genannt, ist ein Maß für die Flexibilität eines Materials., Es beschreibt, wie einfach es ist, ein Material ohne plastische Verformung zu biegen oder zu verziehen, und ist oft ein gutes Maß für die allgemeine elastische Reaktion eines Materials. Der Elastizitätsmodul von Titan ist ziemlich niedrig, was darauf hindeutet, dass er sich leicht biegt und verformt. Dies ist zum Teil der Grund, warum Titan schwer zu bearbeiten ist, da es Mühlen kaut und es vorzieht, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Stahl hingegen hat einen viel höheren Elastizitätsmodul, der es ermöglicht, ihn leicht zu bearbeiten, und eignet sich für Anwendungen wie Messerkanten, da er bricht und sich unter Belastung nicht verbiegt.,
Beim Vergleich der Zugfestigkeiten von Titan und Stahl tritt eine interessante Tatsache auf; Stahl ist im Großen und Ganzen stärker als Titan. Dies widerspricht dem populären Missverständnis, dass Titan stärker ist als die meisten anderen Metalle und zeigt den Nutzen von Stahl gegenüber Titan. Während Titan in Bezug auf die Festigkeit nur mit Stahl vergleichbar ist, tut es dies mit der Hälfte des Gewichts, was es zu einem der stärksten Metalle pro Masseneinheit macht. Stahl ist jedoch das Go-to-Material, wenn die Gesamtfestigkeit das Problem ist, da einige seiner Legierungen alle anderen Metalle in Bezug auf die Streckgrenze übertreffen., Designer, die ausschließlich nach Festigkeit suchen, sollten Stahl wählen, aber Designer, die sich mit der Festigkeit pro Masseneinheit befassen, sollten Titan wählen.
Bruchdehnung ist das Maß für die Anfangslänge eines Prüflings geteilt durch seine Länge direkt vor dem Bruch in einem Zugversuch, multipliziert mit 100, um einen Prozentsatz zu erhalten. Eine große Bruchdehnung deutet darauf hin, dass sich das Material mehr „dehnt“; mit anderen Worten, es ist anfälliger für ein erhöhtes duktiles Verhalten vor dem Bruch. Titan ist ein solches Material, bei dem es vor dem Bruch fast die Hälfte seiner Länge dehnt., Dies ist ein weiterer Grund, warum Titan so schwer zu bearbeiten ist, da es zieht und verformt sich statt Chips ab. Stahl gibt es in vielen Varianten, hat aber im Allgemeinen eine geringe Bruchdehnung, wodurch er unter Spannung härter und anfälliger für Sprödbrüche ist.
Härte ist ein Vergleichswert, der die Reaktion eines Materials auf Kratzer, Ätzen, Beulen oder Verformungen entlang seiner Oberfläche beschreibt. Es wird mit Eindringmaschinen gemessen, die je nach Material in vielen Varianten erhältlich sind., Bei hochfesten Metallen wird häufig der Brinell-Härtetest angegeben, der in Tabelle 1 angegeben ist. Obwohl die Brinellhärte von Stahl mit Wärmebehandlung und Legierungszusammensetzung stark variiert, ist es meistens immer härter als Titan. Dies bedeutet nicht, dass Titan sich leicht verformt, wenn es zerkratzt oder eingerückt wird; Im Gegenteil, die Titandioxidschicht, die sich auf der Oberfläche bildet, ist außergewöhnlich hart und widersteht den meisten Eindringkräften. Sie sind beide widerstandsfähige Materialien, die gut funktionieren, wenn sie rauen Umgebungen ausgesetzt sind, abgesehen von zusätzlichen chemischen Effekten.,
Zusammenfassung
Dieser Artikel stellte einen kurzen Vergleich der Eigenschaften, Festigkeit und Anwendungen zwischen Stahl und Titan vor. Informationen zu anderen Produkten finden Sie in unseren zusätzlichen Leitfäden oder auf der Thomas Supplier Discovery Platform, um potenzielle Lieferquellen zu finden oder Details zu bestimmten Produkten anzuzeigen.,ss Stahl