Fierul este un element important al organismului viu și unul dintre materialele industriale utilizate în cea mai mare cantitate, în special aliajul său cu carbonul, oțelul. Cea mai mare parte a produselor fabricate de industrie are ca material de bază oțelul sau un aliaj de fier. Acest lucru este justificat de costul de fabricație și de posibilitatea de a influența pe scară largă proprietățile. Deși dezvoltarea industriei materialelor plastice și utilizarea metaloceramicilor au oferit în numeroase domenii posibilitatea înlocuirii oțelurilor, se poate constata că și în viitorul apropiat oțelul și aliajul de fier vor rămâne material de bază fundamental. Prin aliaje de fier înțelegem în general acele materiale care se fabrică prin procedee de mare producție, se utilizează în cantități mari și în care proporția de Fe este mai mare decât a altui constituent. Aliajele pe bază de fier utilizate industrial le putem împărți în două mari grupe: oțeluri și fonte. Domeniile lor de utilizare și tipurile lor noi se suprapun în multe cazuri, dar în general putem constata că proprietățile de tenacitate ale oțelurilor sunt mai bune decât cele ale fontelor, însă prelucrarea lor este mai costisitoare, fiind astfel materiale mai scumpe. Datorită dezvoltării tehnologiilor, fontele sunt utilizate pe un domeniu tot mai larg și în multe cazuri concurează cu succes și cu unele produse din oțel.
Caracteristicile oțelurilor
Oțelurile sunt aliaje de fier deformabile, a căror noțiune acceptată și pe plan internațional a fost definită astfel: material care conține în cea mai mare parte fier, în general mai puțin de 2% carbon, precum și alte elemente. Unele oțeluri crom pot conține și mai mult de 2% carbon, dar 2% este linia obișnuită de demarcație între oțel și fontă. Nici această limită nu poate fi considerată netă, nici pe baza compoziției chimice, nici pe baza deformabilității. Deformabilitatea scade doar treptat odată cu creșterea conținutului de carbon; chiar și fonta cu conținut de 3,5-4% C poate fi laminată în tablă subțire sau forjată într-o piesă, dacă are o structură grafitică. Deformabilitatea depinde în esență de constituenții structurali existenți în aliaj, de proprietățile lor și de dispunerea lor în structură, nu direct de conținutul de carbon.
Clasificarea oțelurilor
Oțelurile, ca materiale de bază utilizate pe scară foarte largă, le putem clasifica pe baza mai multor criterii:
- Pe baza compoziției lor chimice distingem oțeluri nealiate și aliate. Se consideră oțel nealiat acel oțel care, în afară de carbon, nu conține un element de aliere introdus intenționat care să influențeze proprietățile mecanice sau fizice ale oțelului. Valorile-limită care separă oțelurile nealiate și aliate sunt fixate prin standard. Oțelurile aliate conțin, din elementele mereu prezente, mai mult decât cantitatea minimă realizabilă în exploatarea normală, sau conțin, pe lângă acestea, elemente suplimentare adăugate intenționat. Se obișnuiește ca, pe baza cantității de elemente de aliere, să se mai distingă oțelurile slab aliate (max. 5-6% cantitate totală de elemente de aliere), aliate (5-10% conținut de elemente de aliere) și puternic aliate (cu conținut de elemente de aliere peste 10%).
- Conform unei împărțiri acceptate pe plan internațional, pe baza grijii procedeului de fabricare a oțelului, clasificăm tipurile de oțel în așa-numite grupe de calitate. Principalele tipuri de calitate ale oțelurilor sunt următoarele:
- Oțel de bază este orice oțel pentru care nu se prescrie o cerință de calitate care ar necesita o grijă deosebită în timpul fabricării oțelului. În această grupă intră numai oțeluri nealiate.
- Oțeluri de calitate: pentru ele sunt valabile prescripțiile dintre oțelurile de bază și oțelurile superioare. Trebuie fabricate cu grijă deosebită, la care cei mai importanți parametri sunt mărimea grăuntelui, conținutul de sulf și fosfor și calitatea suprafeței.
- Oțeluri superioare: trebuie fabricate cu grijă deosebită. Pot fi din material nealiat sau aliat. În această grupă intră toate oțelurile adecvate scopurilor de tratament termic.
- Gruparea după modul de fabricație. În timpul fabricării oțelului, în funcție de modul de fabricație, rămân diferiți constituenți secundari, sau cantitatea și distribuția acestora se modifică. Toate acestea sunt esențiale din punctul de vedere al prelucrării ulterioare a oțelului și al calității produsului finit.
- Pe baza metodei de dezoxidare aplicate:
- Oțel necalmat: cu randament bun, calitate bună a suprafeței, ușor deformabil la rece. Aceste oțeluri îmbătrânesc rapid, conțin max. 0,25% carbon.
- Oțeluri calmate: oxigenul este legat de un element care formează compuși în stare solidă. Îmbogățirea impurităților este mai mică, randamentul este mai slab, o parte dintre oxizi rămân sub formă de incluziuni. Prin tratament în vid, oxigenul se elimină sub formă de gaz, nu se formează incluziuni.
- Oțeluri calmate special: în timpul dezoxidării se folosesc și agenți de dezoxidare care fixează azotul și au efect de finisare a grăuntelui (Al, V, Nb, Ti). Acestea sunt mai rezistente la îmbătrânire și au o tendință de rupere fragilă mai mică decât oțelurile nealiate calmate doar cu Si și Mn.
- Pe baza microstructurii lor, care apar în general amestecat: Pe baza microstructurii de echilibru distingem oțeluri feritice, semiferitice, hipoeutectoide, hipereutectoide (vezi: eutectic), ledeburitice, semiaustenitice și austenitice. În stare de neechilibru există oțeluri perlitice, martensitice, austenitice, feritice și bainitice.
- După modul lor de utilizare: Oțeluri de construcție: astfel de oțeluri se valorifică drept material de bază în domeniul construcției de mașini și vehicule, al fabricării structurilor de oțel. În aceste cazuri, pe lângă rezistență, cerem și o tenacitate și o alungire corespunzătoare. Aceasta o putem asigura printr-un conținut de carbon sub 0,25% sau printr-o microstructură îmbunătățită. Oțeluri de scule: din acestea se fac sculele așchietoare și sculele operațiilor de deformare. Este indispensabil ca ele să suporte fără deformare solicitările care acționează asupra lor și să reziste la uzură. Aceste proprietăți le obținem în general prin îmbunătățire, astfel încât ele trebuie să fie ușor călibile și să îndeplinească și cerințe de tenacitate. Tipuri speciale de oțel și aliaje: aici se pot include aliajele cu vreo proprietate pronunțată, de exemplu refractare, rezistente la coroziune, fără dilatare termică etc. Conțin o cantitate mai mare de elemente de aliere.
Efectul carbonului asupra proprietăților oțelului
Microstructura oțelului și, prin urmare, proprietățile sale variază în funcție de conținutul de elemente de aliere și de carbon. Putem constata că efectul carbonului este fundamental determinant pentru proprietățile oțelului. Oțelul aflat în stare de echilibru, care conține 0,8% carbon, are o structură pur perlitică, oțelurile cu conținut de 0…0,8% C au o structură ferito-perlitică, iar cele care conțin 0,8…2,1% carbon au o structură perlito-cementitică. În schimb, proprietățile de rezistență și celelalte proprietăți fizice ale oțelului nealiat sunt determinate de cantitatea constituenților structurali și de distribuția și fineția lor. Odată cu creșterea cantității de perlită, rezistența oțelului crește, însă alungirea, gâtuirea și energia de rupere scad. Constituentul structural fragil care apare în oțelurile hipereutectoide, cementita16, crește totuși rezistența până la o anumită limită (cca. 0,9%). La un conținut mai mare de carbon, cementita apare de regulă într-o dispunere sub formă de rețea și astfel scade și rezistența la tracțiune a oțelului, în timp ce crește limita de curgere. Limita de curgere și rezistența la tracțiune variază aproximativ paralel. Rezistența fierului poate fi crescută cel mai ieftin cu carbon. În schimb, odată cu creșterea conținutului de C, scade tenacitatea oțelului. Prezența carbonului în oțeluri este decisivă și din punctul de vedere al călibilității. Conținutul de carbon reduce puternic viteza critică de răcire. Duritatea oțelului, la fel ca rezistența la tracțiune, crește odată cu creșterea conținutului de carbon.
Efectul elementelor de aliere asupra proprietăților mecanice ale feritei
Majoritatea elementelor de aliere se dizolvă substituțional în fierul alfa, în ferită. Sub efectul dizolvării, parametrul de rețea al oțelului moale se modifică, iar în urma distorsiunii rețelei spațiale se modifică proprietățile mecanice. Creșterea rezistenței și a limitei de oboseală este cu atât mai mare cu cât distorsiunea rețelei este mai mare. Rezistența feritei este crescută cel mai mult de Ti, Si, W, Mo, Mn și Ni. Introducerea cantității de elemente de aliere necesare creșterii rezistenței mărește costurile oțelului. Efectul de creștere a rezistenței al elementelor de aliere se manifestă mai bine în stare tratată termic, totuși efectul carbonului dizolvat interstițial în fier este mult mai important din punctul de vedere al creșterii durității și rezistenței decât cel al elementelor de aliere dizolvate substituțional. Elementele de aliere, cu excepția Si și Mn, nu influențează caracteristicile de tenacitate ale feritei. Cu atât mai variat este efectul elementelor de aliere asupra energiei de rupere. Cu excepția Ni, Cr și Mn, ele reduc energia specifică de rupere. De mare importanță este efectul elementelor de aliere asupra temperaturii de tranziție plastic-fragil. Ni reduce această temperatură critică, astfel încât domeniul plastic devine mai mare, în timp ce celelalte elemente de aliere o cresc. Proprietățile mecanice ale oțelurilor cu conținut de carbon mai mare de 0,2% sunt determinate și mai mult de modul de tratament termic, de microstructura care se formează. La astfel de oțeluri, importanța fiecărui element de aliere trebuie apreciată și pe baza efectului lor asupra proceselor de tratament termic ale oțelului.
Efectul elementelor de aliere asupra proceselor care se desfășoară la tratamentul termic al oțelului
Elementele de aliere modifică temperaturile critice de transformare ale Fe. La tratamentul termic al oțelurilor, acest lucru trebuie luat în considerare. În plus, elementele de aliere influențează puternic viteza de formare a austenitei la încălzire, încetinesc transformarea perlitei în austenită. Și efectul elementelor de aliere asupra temperaturii critice de răcire este considerabil. Din punctul de vedere al tratamentelor termice, este foarte importantă călibilitatea în adâncime a oțelului, la ce adâncime, respectiv diametru se călește oțelul. Călibilitatea în adâncime a oțelurilor este determinată de viteza lor critică de răcire, care depinde de compoziția chimică și de mărimea grăuntelui. Majoritatea elementelor de aliere reduc viteza critică de răcire, astfel încât crește călibilitatea în adâncime.
Domeniul de utilizare al oțelurilor:
Oțeluri rezistente la coroziune și la acizi
Oțelurile nealiate nu sunt rezistente față de efectul coroziv al acizilor, al atmosferei, al vaporilor de apă. 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% crom, în general nichel, 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 C 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 este foarte largă – se folosesc pretutindeni, de la fabricarea elementelor de fixare, 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% crom și 8–24% nichel ca elemente de aliere. Din astfel de materiale de bază se fac și elementele noastre de fixare NONOX A2 (inoxidabile) și NONOX A4 (rezistente la acizi), care oferă o soluție fiabilă pe termen lung atât în exterior, cât și în interior.
Lasă un răspuns