Beskrivning
När konstruktörer funderar över styrka och hållbarhet i sina konstruktioner är stål och titan ofta de första materialen som dyker upp i tankarna. Dessa två metaller används i en mängd olika tillämpningar och finns i en mängd olika legeringar. Om man inte noggrant undersöker deras kemiska och strukturella egenskaper kanske skillnaden mellan stål och titan inte är omedelbart uppenbar.
Vad är titan?
Titan är en tunn, silvergrå metall som är lätt, har låg densitet och hög hållfasthet. Den är också motståndskraftig mot korrosion orsakad av saltvatten, kungsvatten och klor.
Titanmalm
Aluminium, järn och ett antal andra element kan alla legeras med titan.
Korrosionsbeständigheten och förhållandet mellan hållfasthet och densitet hos titan och titanlegeringar gör dem lämpliga för användning inom en mängd olika industrier, inklusive flyg- och rymdindustrin, marinindustrin, industrin, konsumentindustrin och arkitekturindustrin.
Även om titan är svårt att bearbeta är CNC-fräsning ändå en användbar och snabb produktionsteknik för att producera en mängd olika precisionsbearbetade titankomponenter. Titan av kvalitet 2 och 5 är två vanliga kvaliteter som kan bearbetas med (Ti-6Al-4V).
Vad är stål?
Stål är en av de mest populära legeringarna; det är normalt en järnlegering med en liten mängd kol tillsatt för att öka dess styrka och motståndskraft mot brott. Stål är ett ämne som är tjockt, hårt, magnetiskt och motståndskraftigt mot höga temperaturer; ändå är de flesta stål benägna att korrosionera, vilket rostfritt stål åtgärdar. Stål används ofta i byggnation, strukturer, infrastruktur, transport, utrustning, elektriska apparater och fordon på grund av dess låga kostnad, höga draghållfasthet och goda arbetsegenskaper.
Många olika stållegeringar, såsom 4130-stål, 4140-stål, A36-stål etc., skapas som ett resultat av metallens varierande innehåll av kol och andra legeringsämnen, vilket både förbättrar materialets kvalitet och ger varje legering sina egna speciella egenskaper.
Skillnader mellan titan och stål.
Användningsområdena avgör om stål eller titan ska användas. För att underlätta identifieringen av varje metall jämför detta avsnitt de mekaniska och kemiska egenskaperna hos stål och titan. Den viktigaste jämförelsen mellan dessa metaller baseras dock på olika typer av legeringar snarare än generell information. Följande är de viktigaste skillnaderna mellan titan och stål som bör beaktas för varje tillämpning.
Elementkomposition
När man jämför titan med stål är grundämnessammansättningen den första viktiga skillnaden. Som tidigare nämnts är titan ett grundämne som förekommer naturligt och kan hittas i både ren och legerad form. Den vanligaste titanlegeringen som du kommer att stöta på är Ti 6-4, en legering gjord av aluminium och vanadin.
Stål förekommer däremot inte i naturen. Järn och kol utgör majoriteten, med olika proportioner av ytterligare element som tillsätts för att ändra egenskaperna beroende på användningen. Stålets tekniska egenskaper finns därför inte någonstans att hitta. För att få mer specifik information måste du nämna legeringen, såsom rostfritt stål, högkolstål eller en specifik legering som 4130, 4140 eller A36.
Korrosionsbeständighet
Stål är mindre motståndskraftigt mot korrosion och rost än titan. Det finns dock ett antal varianter av stål- och metalllegeringar som uppvisar enastående rostbeständighet. Stål har en högre tendens att rosta på grund av järnet det innehåller, men det finns många andra stållegeringar som innehåller andra metaller som har god korrosionsbeständighet. På grund av sin extremt höga kromhalt är rostfritt stål det bästa valet när det gäller rostbeständighet.
Å andra sidan har ren titan exceptionell motståndskraft mot rost och korrosion, särskilt från vätskor. Det är anledningen till att metallen ofta används vid fartygskonstruktion eftersom den tål syror, kemikalier och till och med havsvatten. Det är dock svårt att hitta och mycket svårare att skapa ren titan.
Eftersom titanlegeringar innehåller andra blandade metaller, består många komponenter och föremål gjorda av titan egentligen av titanlegeringar, vilka inte alltid är helt resistenta mot rost och korrosion. Titanlegeringar erbjuder dock fortfarande större motståndskraft mot rost och korrosion än andra metalllegeringar, vilket gör dem till ett populärt val för föremål som kommer att användas i fuktiga miljöer.
Vikt
Titans låga densitet och starka hållfasthets-viktförhållande är dess utmärkande egenskaper. På grund av detta är denna metall ett populärt alternativ för CNC-bearbetning och tillverkning inom flyg- och rymdsektorn och andra områden där viktminskning utan förlust av hållfasthet är nödvändig. Stållegeringar, å andra sidan, är ofta starka och hållbara men är tyngre. De är det perfekta alternativet för situationer där vikt inte är en viktig designfaktor.
Mekaniska egenskaper hos stål kontra titan
Material används vanligtvis för en mängd olika tillämpningar eftersom de ger önskade kombinationer av mekaniska egenskaper. Ingenjörer måste beakta materialegenskaper eftersom de är avgörande för strukturella tillämpningar. Egenskaperna nedan kommer att användas för att jämföra de två legeringarna.
- elasticitetsmodul
- draghållfasthet
- Förlängning
- Hårdhet
I. elasticitetsmodul
Ett mått på ett materials flexibilitet är elasticitetsmodulen, ofta känd som Youngs modul. Den definierar hur lätt ett material kan böjas eller skevas utan att genomgå plastisk deformation och är ofta en användbar indikator på ett materials allmänna elastiska respons. Eftersom titan har en relativt låg elasticitetsmodul är det troligt att det böjs och deformeras snabbt. Det faktum att titan täpper till kvarnar och gärna antar sin ursprungliga form är en av anledningarna till att det är svårt att tillverka.
Stål däremot är lätt att bearbeta och passar väl för tillämpningar som kniveggar eftersom det splittras under spänning snarare än att böjas. Detta beror på att stål har en betydligt större elasticitetsmodul än andra material.
II. Draghållfasthet
Det visar sig att stål generellt sett är starkare än titan när man jämför sträckgränserna för stål och titan. Detta motbevisar den utbredda uppfattningen att titan är mer användbart än andra metaller och visar stålets överlägsna hållfasthet. Trots att det har en hållfasthet som bara är i nivå med stål, är titan en av de starkaste metallerna per massenhet eftersom det bara är hälften så tungt.
Stål, å andra sidan, är det material man väljer när den totala hållfastheten är en faktor eftersom vissa av dess legeringar överträffar alla andra metaller i termer av sträckgräns. Stål är det bästa alternativet för konstruktörer som bara är intresserade av hållfasthet; titan är dock det bästa alternativet för konstruktörer som också är intresserade av hållfasthet per massenhet.
III. Förlängning
I ett dragprov beräknas brottöjningen genom att dividera provets begynnelselängd med längden omedelbart före brottet, och sedan multiplicera resultatet med 100 för att få en procentandel. Stor brottöjning indikerar att materialet "töjer sig" mer, eller är mer benäget att uppvisa större duktilt beteende före brott.
Ett sådant ämne som sträcker sig nästan halva sin längd innan det går sönder är titan. Det faktum att titan dras och deformeras snarare än flisas av är en annan faktor som bidrar till dess svårighetsgrad att bearbetas. Det finns många olika typer av stål, men de har alla vanligtvis låg brottöjning, vilket gör dem segare och mer benägna att spricka sprött vid belastning.
IV. Hårdhet
Hårdhet betraktas som en relativ egenskap som beskriver hur ett material reagerar på stötar som repor, bucklor och etsning som appliceras på dess yta.
En indenter används för att bestämma en metalls hårdhet. Även om titan är segt, är det inte lika segt som stål. Detta innebär inte att titan deformeras lätt.
Å andra sidan skapar titan en stark oxidbeläggning som skyddar metallen från bucklor. Stål är tåligt och hackar inte lätt. På grund av detta kan det användas för tillämpningar som kräver exponering för krävande förhållanden.
Vanliga tillämpningar av titan
Det finns flera tillämpningar för titan, allt från vardagliga varor till militära fartyg.
På grund av metallens utmärkta korrosionsbeständighet är den särskilt populär för föremål som kommer att användas i starkt korrosiva förhållanden. Den används inom sjöfarts-, olje- och gasindustrin samt inom sport.
I tävlingsbilar används titan ofta som cockpitskydd på grund av dess hållbarhet och styrka. Det har visat sig vara mycket framgångsrikt för att skapa halostrukturer som avleder skräp och skyddar föraren vid en olycka. Titan är den finaste metallen att välja om du behöver något otroligt hållbart och pålitligt eftersom det har räddat många liv genom åren. En annan faktor som gör titan till ett så populärt val för tävlingsfordon är det faktum att det är mycket lätt med tanke på sin styrka. Dessa bilar måste vara så lätta som möjligt, och den enda metallen som kan ge både exceptionell styrka och minimal vikt samtidigt är titan.
Dessutom används titan ofta i proteser. En mängd olika kirurgiska ingrepp kan använda metallen eftersom den fäster bra vid ben, särskilt vid ledplastiker. På grund av metallens starka biokompatibilitet används den också i tåimplantat, ögonimplantat och tandimplantat.
tandimplantat
Vanliga tillämpningar av stål
Stål är ett av de mest använda byggmaterialen i världen och har många användningsområden inom teknik, konstruktion, biltillverkning och jordbruk. Stållegeringar är enkla att bearbeta och kan förbättras med andra metaller för att få fram vissa egenskaper som gör dem användbara för en mängd olika tillämpningar. Stål används enligt uppgift i produktionen av mer än hälften av alla varor, vilket borde ge dig en god indikation på hur ofta denna metalllegering används.
Rostfritt stål, en stållegering gjord av järn, krom och andra element, är en av de typer av stål som de flesta använder regelbundet. Flaskor, stekpannor, grytor och annan köksutrustning är ofta tillverkade av den typen av stål eftersom det är det mest rostbeständiga.
Köksredskap
Dessutom kan cykelramar tillverkas av stål eller titan. Stål är vanligtvis ett bättre val för cykelramar eftersom det är mer prisvärt, starkare och bekvämare att cykla på. Även om det ofta är lättare än stålramar är titanramar inte riktigt lika hållbara.
Stål har en hög draghållfasthet jämförbar med titan, men det är mer energieffektivt och därmed billigare att producera.
Stål är en metalllegering som genomsyrar alla aspekter av människors liv, inklusive kylskåpet där du förvarar din mat och den byggnad du bor i.
Slutsats
Beslutet att välja titan eller stål är inte så enkelt som det först verkar. Det ena eller det andra är att föredra beroende på konstruktionens specifika krav. Det är lämpligt att vara medveten om de viktigaste egenskaperna hos båda materialen innan du fattar ditt slutgiltiga beslut.
