Oțelurile și caracteristicile lor II

Oțeluri de construcție

Cu materiale precum oțelul ne întâlnim în primul rând în practică, în calitate de utilizatori, de aceea este util să discutăm unele dintre proprietățile lor pe baza domeniilor de utilizare.

Oțeluri de construcție nealiate

Astfel de oțeluri se livrează de regulă în stare laminată la cald sau forjată, proprietățile lor mecanice fiind prescrise. Se utilizează ca elemente ale structurilor de oțel sau prelucrate prin așchiere. Calitatea produselor se stabilește pe baza următoarelor:

• rezistență la tracțiune [N/mm2]
• limită de curgere [N/mm2]
• alungire la rupere [%]
• energie specifică de rupere [J/cm3]
• compoziție chimică [%]

Aceste oțeluri sunt foarte răspândite, dar pentru piese de mașini mai pretențioase se folosesc oțeluri tratabile termic.

Oțeluri sudabile

În mediul nostru găsim numeroase structuri sudate. La oțelurile folosite ca material de bază pentru acestea, pe lângă proprietățile mecanice corespunzătoare, trebuie examinată și sudabilitatea. Pentru a evita fisurarea la rece sau la cald, oțelul nu trebuie să fie călibil și nu trebuie să conțină impurități care provoacă fragilitate la roșu. În principiu, sunt sudabile oțelurile cu conținut de carbon sub 0,2%. Pentru creșterea rezistenței, ele sunt microaliate, respectiv aliate. Astfel se economisește și greutate, și material. Cantitatea totală de microelemente de aliere (Al, Nb, V, Ti, N, Zr) este de max. 0,15%. Sarcina lor principală este stabilizarea limitelor de grăunte, păstrarea fineții grăuntelui și, prin aceasta, menținerea ridicată a limitei de curgere. Domeniul de utilizare al oțelurilor sudabile se întinde până la 250°C. La structurile care funcționează peste această valoare, dar sub 500°C, cerința principală este împiedicarea fluajului, pentru care se folosesc elemente de aliere (Cr, Mo, V și Ni).

Oțeluri tenace la rece și rezistente la cald

Structurile de oțel se pot realiza numai din materiale a căror valoare a energiei de rupere corespunde celor prescrise la temperatura respectivă. Ca element de aliere, la temperaturi sub -60°C se folosește Ni, astfel încât aceste oțeluri nu sunt predispuse la fragilizare. Domeniul lor principal de utilizare este răcirea. Sunt materialele structurilor care funcționează la temperaturi peste 250°C. În această grupă se pot include și tipurile de oțel folosite pentru recipiente sub presiune și cazane, care au o rezistență mare și la temperaturi ridicate. Astfel de oțeluri sunt, de exemplu, și tipurile folosite pentru motoarele cu ardere internă. La temperaturi mai mari de 500°C se folosesc oțeluri speciale refractare și rezistente la cald, iar peste 1000°C aliaje pe bază de Co și Ni sau compozite.

Oțeluri deformabile la rece

Au un rol foarte important la fabricarea caroseriilor auto, deoarece pentru piesele fabricate prin deformare plastică la rece este necesar un oțel moale cu mare capacitate de deformare. În acest scop se pot folosi oțeluri cu conținut de carbon sub 0,2%, cu grad redus de impurificare, cu suprafață bine finisată, în general necalmate. Deformabilitatea este influențată de mărimea grăuntelui de ferită și de forma perlitei. Oțelurile necalmate cu conținut redus de carbon sunt predispuse la îmbătrânire, de aceea se folosesc elemente de aliere V și Al în proporție de 0,02-0,04%, dar prelucrarea tablelor trebuie efectuată în șase săptămâni de la livrare.

Elementele de mare rezistență ale organelor de mașini

Piesele mai pretențioase ale mașinilor noastre se montează în stare tratată termic. Sub efectul tratamentului termic, proprietățile pot fi modificate în limite foarte largi și astfel pot fi reglate corespunzător condițiilor de utilizare.

Oțeluri de îmbunătățire

Piesele de mașini supuse unor solicitări importante se fac din astfel de oțeluri. Astfel de piese sunt, de exemplu, arborii, roțile dințate. Pentru solicitarea dinamică, oțelurile de îmbunătățire au o limită de curgere și de oboseală mare și o tenacitate corespunzătoare. Sub efectul îmbunătățirii, aceste proprietăți ale oțelului cresc semnificativ față de starea moale. Conținutul de carbon al oțelurilor de îmbunătățire este, din cauza călibilității, de minimum 0,25%, iar din cauza scăderii valorii energiei de rupere, de maximum 0,6%. În practică, conținutul de carbon al majorității oțelurilor de îmbunătățire nu depășește 0,45%. Dintre oțelurile nealiate, sunt de îmbunătățire oțelurile carbon, care rezistă și mai bine la solicitarea dinamică. Conținutul lor de carbon variază între 0,22-0,6%. Dar proprietățile favorabile ale oțelurilor carbon le putem obține doar la diametre de secțiune mici.

Oțeluri de îmbunătățire aliate

La oțelurile de îmbunătățire se folosesc în general elemente de aliere (Mn, Cr, Mo, V și Ni), care cresc în primul rând diametrul călibil în adâncime. Scopul alierii la oțelurile de construcție este:

• creșterea diametrului de secțiune călibil în adâncime
• creșterea rezistenței
• reducerea fragilității de revenire
• reducerea temperaturii critice de tranziție
• creșterea energiei specifice de rupere și a tenacității

Oțeluri de scule

Oțelurile de scule sunt greu de separat de celelalte oțeluri, deoarece, de exemplu, se fac scule și din oțeluri rezistente la coroziune. În funcție de domeniul de utilizare, se ridică cerințe foarte diverse față de oțelurile de scule, dar cerința generală este ca oțelul de scule să fie mai dur decât materialul de prelucrat. Satisfacerea cerințelor diverse se poate realiza numai cu tipuri de oțel diferite, pe baza cărora distingem următoarele grupe de calitate:

• Oțeluri de scule nealiate
• Oțeluri de scule aliate (În cadrul acestora distingem materialele de scule pentru deformarea la rece, respectiv la cald, și oțelurile rapide.)

Oțeluri de scule nealiate

Duritatea oțelului este asigurată de martensită, pe care o obținem prin răcire rapidă. Odată cu creșterea conținutului de carbon crește duritatea lor, pe care nu o pierd nici la revenirea la temperatură joasă. Domeniul de utilizare este delimitat de dimensiune, rezistență, tenacitate și temperatura de utilizare între 150-300°C. Cele cu conținut mai mic de carbon (0,5-0,6%) sunt mai tenace și constituie materialul de bază al sculelor de mână și agricole. Din materialele cu conținut mai mare de carbon se fac dălți, foarfece, pile, lame de cuțit și de ras.

Oțeluri de scule aliate /oțeluri de scule pentru deformare la rece/

Cerința principală față de sculele care deformează metalele în stare rece este rezistența la uzură, capacitatea portantă mare de suprafață, dar și tenacitatea poate fi importantă. Scopul alierii: creșterea durității și a rezistenței la uzură, care se realizează în general cu elemente de aliere formatoare de carburi (W, Cr, Mo), și creșterea diametrului de secțiune călibil în adâncime (Cr, Mn). Practic, orice oțel de scule nealiat poate fi considerat și oțel pentru deformare la rece.

Oțeluri de scule aliate /materialele sculelor pentru deformare la cald/

Sculele pentru deformare la cald, precum, de exemplu, matrițele de extrudare, cuțitele pentru tăiere la cald etc., trebuie să îndeplinească foarte multe cerințe. Aceste oțeluri trebuie să fie refractare, rezistente la cald, rezistente la uzură și la temperaturi ridicate, dure, tenace. Astfel de proprietăți sunt asigurate, pe lângă conținutul mai redus de carbon, de elementele de aliere (Si, Mn, C, Ni, W și V).

Oțeluri rapide

Oțelurile rapide au fost dezvoltate ca material de bază pentru sculele așchietoare care lucrează la viteză mare. Tăișul sculelor se încălzește în timpul prelucrării chiar și până la 600°C, de aceea de la un oțel rapid bun se cere să aibă o duritate la cald mare și să o păstreze timp îndelungat. Tenacitatea este de asemenea o condiție necesară pentru sarcinile de așchiere. Tipul clasic de oțel rapid este R3 (așa-numitul 18-4-1), un oțel rapid cu conținut de W-Cr-V cu 1% carbon, materialul sculelor așchietoare și al burghielor elicoidale. Dar cel mai răspândit tip este R6, care este mai ieftin și conține mai puține elemente de aliere. Oțelurile rapide necesită un tratament termic special. Pentru dizolvarea carburilor, temperatura de austenitizare este ridicată (cca. 1200°C), iar din cauza conductibilității termice slabe, viteza de încălzire poate fi doar mică. Se călesc în ulei, în aer, în baie de săruri.

Aliaje refractare

Ca urmare a dezvoltării industriei și a tehnicii, în fiecare mașină domnește o temperatură, o presiune și o tensiune de exploatare tot mai mari. Numai în astfel de condiții este posibilă creșterea randamentului și a puterii. Limitele superioare ale temperaturii de exploatare pot fi impuse în general de materialele structurale. La o parte dintre instalațiile care funcționează la temperaturi mai mari de 500°C, solicitarea mecanică nu este importantă. Aici scopul principal este eliminarea sau oprirea oxidării superficiale. Astfel de aliaje le numim refractare. Principalele lor elemente de aliere sunt (Cr, Si și Al), care formează pe suprafața oțelului un strat de oxid compact. Dacă la temperaturi ridicate expunem materialul și la o solicitare mecanică, atunci trebuie ridicată limita de elasticitate cu elemente de aliere care împiedică fluajul. Pentru a împiedica desprinderea stratului de oxid superficial, este necesar ca transformările alotropice însoțite de modificarea volumului specific să nu se producă în timpul funcționării, de aceea aliajele au o structură omogenă, feritică sau austenitică.

Oțeluri rezistente la coroziune și la acizi

Oțelurile nealiate nu sunt rezistente față de acizi, atmosferă, vaporii de apă și alte efecte corozive, de aceea în industrie au căpătat un rol tot mai mare oțelurile inoxidabile și rezistente la acizi. Pelicula de oxid de pe suprafața lor nu este suficient de compactă, nu izolează metalul de mediul coroziv, astfel încât nu împiedică coroziunea ulterioară. Rezistența la coroziune a oțelurilor poate fi crescută cu elemente de aliere, ceea ce este posibil în felul următor: Trebuie folosite elemente de aliere care formează pe suprafața oțelului o peliculă subțire, bine aderentă, care îl separă de mediul coroziv. În acest scop se folosesc Cr și Al în proporție de cca. 1%. O altă posibilitate pentru creșterea bruscă a rezistenței la coroziune este ca, cantitatea elementului de aliere din oțel să fie un multiplu întreg de 1/8 din masa atomică. Oțelul rezistent la coroziune conține cel puțin 12% Cr, în general Ni, uneori și alte elemente de aliere. Astfel, oțelul aliat rezistă în mod durabil la efectele temperaturii și presiunii, ba chiar și la unele efecte chimice și electrochimice. Oțelurile austenitice crom-nichel, datorită bunelor lor proprietăți de rezistență la coroziune, le numim și oțeluri rezistente la acizi. Aceste elemente de aliere își manifestă efectul favorabil la un conținut redus de carbon. În general nu este admis un conținut de carbon mai mare de 0,12%, dar rezistente la coroziunea intercristalină sunt numai oțelurile cu conținut de carbon de cel mult 0,03%. Utilizarea oțelurilor austenitice rezistente la coroziune, inoxidabile și rezistente la acizi, este foarte largă. Se folosesc pretutindeni, de la fabricarea vaselor, rezervoarelor, instrumentelor medicale până la industria chimică. Este important ca, în timpul prelucrării, comportamentul lor să difere semnificativ de cel al oțelurilor folosite în mod obișnuit. Aceste oțeluri pot fi utilizate și la temperaturi scăzute, fără pericolul ruperii fragile. Sunt tenace la rece și refractare, conțin în general 17-20% Cr și 8-24% Ni ca elemente de aliere.

Piese turnate din oțel

Piesa turnată din oțel este acel produs final de turnătorie care își capătă forma definitivă prin turnarea oțelului lichid într-o formă realizată din nisip, metal sau alt material refractar, urmată de solidificare. Se fac din oțeluri nealiate și aliate. Efectul elementelor de aliere (C, Si, Mn, P) este identic cu cel descris la proprietățile oțelurilor.

Totuși, domeniul de utilizare al pieselor turnate din oțel scade tot mai mult, din cauza costurilor ridicate de formare și de topire. Bineînțeles, și în viitor vor exista domenii în care utilizarea acestor piese turnate este indispensabilă.

Explicația termenilor:

Austenitic: o structură de oțel în care carbonul este prezent în formă dizolvată, de aceea oțelul nu este magnetizabil, este elastic, ușor deformabil și rezistă la ruginire.