Oțeluri aliate

Oțelurile aliate sunt special oțeluri în care sunt prezente alte elemente , în plus față de fier și de carbon , pentru a îmbunătăți caracteristicile lor fizico-chimice.

Standardul definește oțelurile aliate ca acele aliaje Fe-C în care cel puțin unul dintre conținutul elementelor de aliere depășește limita indicată în tabelul I din UNI EN 10020.

Prin convenție, oțelurile aliate sunt împărțite în:

slab aliat: fără elemente peste 5%
înalt aliat: cel puțin un element de aliere peste 5%

Diverse elemente din aliaj cu fier îi afectează proprietățile , unele pozitiv, altele negativ. Capacitatea de a lega oțelul cu alte elemente îl face un material extrem de versatil

Elemente care îmbunătățesc proprietățile fizice și mecanice

Următorul tabel prezintă denumirea AISI - SAE a principalelor oțeluri aliate (majoritatea dintre acestea joase din aliaj ^[1] ), cu procentele respective de elemente de aliere: ^[2] ^[3]

Oțeluri principale aliate
Desemnarea SAE	Nume	Compoziţie
13xx	Oțeluri cu mangan	Mn 1,75%
23xx	Oțeluri nichelate	Ni 3,50%
25xx	Oțeluri nichelate	Ni 5,00%
31xx	Oțeluri nichel-crom	Ni 1,25%, Cr 0,65% sau 0,80%
32xx	Oțeluri nichel-crom	Ni 1,75%, Cr 1,07%
33xx	Oțeluri nichel-crom	Ni 3,50%, Cr 1,50% sau 1,57%
34xx	Oțeluri nichel-crom	Ni 3,00%, Cr 0,77%
40xx	Oțeluri cu molibden	0,20% Mo sau 0,25% sau 0,25% Mo și 0,042% S.
41xx	Oțeluri cu crom-molibden	Cr 0,50% sau 0,80% sau 0,95%, Mo 0,12% sau 0,20% sau 0,25% sau 0,30%
43xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 1,82%, Cr 0,50% ÷ 0,80%, Mo 0,25%
43BVxx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 1,82%, Cr 0,50%, Mo 0,12% sau 0,25%, V 0,03% minim
44xx	Oțeluri cu molibden	Mo 0,40% sau 0,52%
46xx	Oțeluri nichel-molibden	Ni 0,85% sau 1,82%, Mo 0,20% sau 0,25%
47xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 1,05%, Cr 0,45%, Mo 0,20% sau 0,35%
48xx	Oțeluri nichel-molibden	Ni 3,50%, Mo 0,25%
50xx	Oțeluri cromate	Cr 0,27% sau 0,40% sau 0,50% sau 0,65%
50xxx	Oțeluri cromate	Cr 0,50%, C 1,00% minim
50Bxx		Cr 0,28% sau 0,50%
51xx	Oțeluri cromate	Cr 0,80% sau 0,87% sau 0,92% sau 0,95% sau 1,00% sau 1,05%
51xxx	Oțeluri cromate	Cr 1,02%, C 1,00% minim
51Bxx		0,80%
52xxx	Oțeluri cromate	Cr 1,45%, C 1,00% minim
61xx	Oțeluri cu crom-vanadiu	Cr 0,60% sau 0,80% sau 0,95%, V 0,10% sau 0,15% minim
72xx	Oțeluri crom-wolfram	W 1,75%, Cr 0,75%
81xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 0,30%, Cr 0,40%, Mo 0,12%
86xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,20%
87xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,25%
88xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,35%
9xx	Oțeluri aliate de înaltă rezistență	diverse compoziții
92xx	Oțeluri siliciu-mangan	Da 1,40% sau 2,00%, Mn 0,65% sau 0,82% sau 0,85%, Cr 0,00% sau 0,65%
93xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 3,25%, Cr 1,20%, Mo 0,12%
94xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12%
94Bxx		Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12%
97xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 1,00%, Cr 0,20%, Mo 0,20%
98xx	Oțeluri cu crom-molibden-nichel	Ni 1,00%, Cr 0,80%, Mo 0,25%

Oțeluri nichelate

Efectul primar al nichelului ca liant este variația mare a coeficientului de expansiune termică : cel mai obișnuit oțel nichelat are un conținut de nichel de 36% și este cunoscut și sub numele de oțel INVAR , deoarece are un coeficient de expansiune termică extrem de scăzut. . De asemenea, se produce un oțel cu 20% nichel, care are în schimb un coeficient de expansiune termică extrem de ridicat și este folosit pentru a-l cupla cu INVAR pentru a produce foi bimetalice , care se îndoaie foarte mult atunci când temperatura variază și sunt utilizate de exemplu în sistemul electric întrerupătoare de siguranță.

Toate proprietățile suferă fluctuații puternice. Există trei tenori la care apar cele mai importante anomalii:

25-28%: aliajul își pierde proprietățile magnetice - rezistență la coroziune;
36%: maximele sau minimele curbelor care reprezintă tendința proprietăților;
78%: maximul curbei - suprastructură ordonată.

Odată cu adăugarea, coeficientul de expansiune termică alfa crește de la valoarea 12E-6 a Fe la maximul 20E-6 (comun tuturor structurilor austenitice), apoi scade la 2E-6 la 36% din Ni, apoi se stabilizează la 13E - 6 de nichel pur. Prin urmare, cu alegerea corespunzătoare a%, se pot obține multe valori ale coeficientului:

Nilo42 : Ni 40%, același alfa ca și porțelanul
Nilo48 / 50 sau platinite : același alfa ca platina și sticla, pentru cuplaje
Invar : 36%
Bimetal : sudarea a două benzi cu alfa opus, comutatoare, cădere.

C lărgește câmpul de existență al austenitei și, prin urmare, accentuează efectul Ni în scăderea punctelor critice (făcând astfel posibilă austenita la temperatura camerei). Poate fi adăugat în orice moment al procesului, deoarece nu participă la nicio reacție. Totul este dizolvat în austenită sau ferită, deoarece nu formează carburi stabile.

Beneficii

scade temperatura de recoacere și întărire (deoarece scade punctele critice);
scade viteza critică (este posibilă stingerea uleiului), prin urmare o penetrare mai mare a stingerii;
îmbunătățește rezistența ;
nu înrăutățește deformabilitatea oțelului.

Dezavantaje

nu se dorește la oțelurile nitrurante (formează nitruri foarte fragile cu azotul) și la oțelurile pentru scule.

Oțeluri cu mangan

Manganul este solubil în fier în toate proporțiile. Concentrații mici de mangan (0,3%) sunt întotdeauna prezente în oțel, deoarece este utilizat ca deoxidant și desulfurant; termenul „Mn oțeluri” se referă, așadar, la un procent de mangan cel puțin egal cu 1%.

Manganul crește pătrunderea întăririi în oțel, dar scade rezistența, făcându-le mai fragile dacă nu sunt utilizate măsurile de precauție adecvate în timpul tratamentului termic de călire . Manganul crește în general duritatea și rezistența la uzură . Creșterea durității și a caracteristicilor mecanice (cu scăderea redusă a durității) are loc în timpul funcționării: rețeaua din plastic CFC ( cubică cu fețele centrate ) permite, de fapt, o întărire puternică pentru sarcini reduse (inclusiv impulsive). Acest lucru le face adecvate pentru utilizare în seifuri.
Mai mult, oțelurile cu mangan sunt adesea utilizate în construcția pieselor mari, unde sunt necesare caracteristici mecanice ridicate chiar și în zone foarte adânci ale piesei.

Manganul influențează valorile punctelor critice într-un mod similar cu nichelul, astfel încât o concentrație de 12% este suficientă pentru a avea austenită la temperatura camerei.

Structura martensitică a acestor oțeluri nu este folosită niciodată, deoarece este prea fragilă.

Beneficii

scade temperaturile de recoacere și întărire;
scade viteza critică, îmbunătățește penetrarea întăririi;
scade deformările de întărire;
crește rezistența;
rezistența la tracțiune crește semnificativ (100N / mm² la fiecare 1%);
deformabilitate la cald mai bună indirectă, deoarece desulfură și dezoxizi.

Dezavantaje

scade conductivitatea termică (preîncălzire);
sensibilitate la supraîncălzire: sau mărirea bobului perlitic ;
prelucrabilitate redusă la scule: seifurile sunt fabricate.

Oțeluri cobalt

Nu se oxidează și se adaugă tot timpul. Singurul element care mărește viteza critică și, prin urmare, scade penetrarea întăririi. Face martensita mai stabilă și, prin urmare, face aliajul mai puțin sensibil la temperare. Lucrabilitatea la cald este redusă.

Oțeluri de cupru

Adăugat în orice moment și totul se găsește în oțel la sfârșitul turnării (resturile trebuie să fie fără cupru dacă nu doriți). Îmbunătățirea ușoară a caracteristicilor mecanice pentru segregarea la limita granulelor. Sudabilitate de până la 0,6% și lucrabilitate la cald de până la 1,7%. 0,30% pentru rezistența la agenți atmosferici.

Oțeluri cu azot

Acțiune specifică asupra fenomenului de îmbătrânire (vezi), stabilizează austenita (lărgește câmpul).

Oțeluri din aluminiu

Deoxidant puternic (cum ar fi Si), oxidarea trebuie evitată ( alumina, deoarece includerea metalului este dăunătoare). Favorizează separarea grafitului și împiedică difuzia C. Cu azotul produce nitriți foarte duri (oțeluri nitrurante). De la rezistență la oxidare la cald și rezistivitate ridicată (rezistențe electrice la cald). Agravează sudabilitatea.

Oțeluri cromate

Cromul crește duritatea și limita de elasticitate a oțelului. În cantități mai mari de 12% (de fapt procentul este puțin mai mare, deoarece depinde și de celelalte elemente de aliere), cromul face din oțel inoxidabil și rezistent la agenții chimici.
Oțelurile cu crom sunt utilizate pentru rulmenți, supape pentru motoare cu ardere, părți ale instalațiilor termice și chimice.

Cromul tinde să se oxideze, deci trebuie adăugat în perioada de reducere. Are o tendință ridicată de a forma carburi.

scade conductivitatea termică;
crește rezistivitatea;
proprietăți magnetice remarcabile;
mărește rezistența la tracțiune (fără a schimba alte proprietăți pentru perlitice);
influențează foarte mult întărirea (auto-întărirea, în aer pentru bucăți mici);
stabilitatea de călire a structurilor întărite;
inoxidabil și rezistență la oxidarea la cald;
dacă formează carburi rezistente la uzură;
lucrabilitatea la cald nu se deteriorează dacă există o mulțime de C.

Oțeluri cu molibden

Molibdenul crește penetrarea efectelor de întărire a oțelurilor și menține caracteristicile mecanice ale întăririi chiar și la temperaturi ridicate.

Molibdenul aparține aceluiași grup cu cromul, deci formează carburi complexe foarte dure și stabile. Adăugat ca Ni în orice moment. 3% din Mo închide câmpul de existență al austenitei. Solubilitatea sa în fier este limitată: la 10% începe să se vadă compusul Fe3MO2.

crește întărirea mai mult decât Cr;
crește duritatea mai mult decât Cr;
stabilizează martensitul chiar și la temperaturi ridicate (utilizat în oțeluri rapide);
mărește Cm ca limită a oboselii și a fluării fierbinți;
elimină pericolul de temperare a fragilității.

Oțeluri cu crom-molibden

Oțelul crom-molibden are avantajele aduse atât de crom, cât și de molibden, oferind calități ridicate de temperabilitate și duritate. Componentele principale sunt cromul și molibdenul. Comparativ cu un oțel nealiat, are o rezistență mai mare la sarcini, greutate specifică mai mică și rezistență la tracțiune mai bună. Se utilizează la construcția cadrelor de biciclete și motociclete, în general sub formă de oțel DIN (denumirea ASTM: 4130, având compoziție: Cr 1%, Mo 0,3%, C 0,3%, fosfor și siliciu în piese mici.). Contrar a ceea ce s-ar putea crede, oțelurile Cr-Mo nu sunt apreciate doar pentru rezistența lor la temperatura camerei, de fapt cu aceste oțeluri sunt realizate țevi și vase pentru temperaturi ridicate, deoarece au o rezistență excelentă la fluare. se formează în matricea Fe și prin prezența carburilor Mo și Cr dispersate, și pentru unele aliaje, de asemenea, de vanadiu.

Oțeluri nichel-crom-molibden

Bielă de oțel.

Oțelurile nichel - crom - molibden sunt cele mai bune pentru caracteristicile lor mecanice (sarcină de rupere = R _m = 1200 N / mm²).

Sunt folosite pentru arbori cotiți, angrenaje, biele , piese ale motorului cu ardere internă, puști , lanțuri antifurt.

Un exemplu de oțel nichel-crom-molibden este oțelul 42NiCrMo4 .

Oțeluri cu siliciu

Este un oțel ușor cu un conținut redus de carbon, cu aproximativ 1% siliciu : foarte dur, are o rezistență remarcabilă la oboseală și un punct de randament foarte ridicat; de aceea este folosit pentru arcuri și lamele flexibile și pentru matrițarea matrițelor. Este greu de sudat și foarte puțin maleabil, dar durează foarte bine întărirea ; de asemenea dificil de galvanizat sau cromat .

În plus, adăugarea de siliciu crește foarte mult rezistența electrică și permeabilitatea magnetică a materialului, ceea ce îl face excelent pentru construirea circuitelor magnetice ale transformatoarelor și mașinilor electrice rotative. Este comercializat sub formă de laminări laminate la rece și recoacute pentru a orienta boabele microscopice care formează domeniile magnetice. Pentru aceste utilizări conținutul de siliciu este crescut la 3-4%, obținându-se așa-numitul oțel magnetic .

Siliciul are o influență semnificativă asupra proprietăților electrice și magnetice ale oțelului. Este la fel de important în producție, deoarece Mn este, prin urmare, întotdeauna prezent (oțeluri Si cu doar 1%). Tinde să separe grafitul chiar și cu un procent scăzut de C.

duritate mare, rezistență și punct de randament.
în oțelurile de primăvară unde se exploatează creșterea raportului RS / R.
mărește întărirea, deoarece reduce rata de răcire critică;
rezistență la acizi și oxidare la cald;
efect negativ asupra cimentării
deteriorarea deformabilității la cald și la rece: după 6% sunt posibile numai turnări;
dăunătoare pentru sudabilitate, forme de silicați în HAZ.
tendinta de supraincalzire (ingroasa bobul).

Oțeluri cu titan

Titanul aparține grupului cromului; închide câmpul austenitei cu 1%. Se întărește ușor prin precipitații, este cel care are cea mai mare tendință de a da carburi. Are multă afinitate pentru oxigen și azot (folosit ca dezoxidant și deazoturant). Titanul tinde puternic să formeze carburi prin scăderea C din matrice. este utilizat pentru oțeluri inoxidabile feritice, deoarece închide intervalul fazei Gamma cu 1% din masă. Din același motiv, nu este utilizat în general în oțelurile austenitice.

Contracarează formarea austenitei în oțeluri cu un conținut ridicat de crom
Reduce duritatea și întărirea la oțelurile cu conținut mediu de crom
În oțelurile inoxidabile contracarează coroziunea intergranulară
Deoxidant, denitridare și rafinare a cerealelor austenitice
Reduce prelucrabilitatea la unealtă deoarece formează carburi abrazive

Oțeluri cu vanadiu

vanadiul aparține grupului cromului (1% închide austenita). Deoxidant (pentru a fi adăugat în găleată). Formează multe carburi, prin urmare scade C din matrice (scade indirect întărirea). Crește stabilitatea la cald (stabilitate de tăiere a oțelului de mare viteză).

Vanadiul , împreună cu tungstenul, conferă oțelurilor o duritate extremă chiar și la temperaturi ridicate. Oțelurile vanadiu-tungsten, numite oțeluri de mare viteză, și oțelurile vanadiu-tungsten-cobalt, numite oțeluri super-rapide , se disting prin viteza de tăiere mai mare pe care acesta din urmă o poate suporta. Acestea sunt folosite pentru a realiza scule pentru strunjire, frezare , găurire .

Oțeluri de tungsten

Tungstenul limitează conductivitatea termică a oțelului; în caz contrar, efectele sale sunt similare cu cele ale molibdenului. Prin adăugarea de tungsten la oțel, se obține un aliaj extrem de dur și rezistent la căldură, cu o întărire excelentă, care este utilizat în principal pentru fabricarea sculelor; în funcție de conținutul de tungsten, se disting două tipuri de oțeluri:

oțel de mare viteză cu 0,5-1,3% carbon, 14-26% tungsten și 3-7% crom: nu pierde întărirea până la căldură roșie (600 ° C) și, prin urmare, permite o viteză mare de tăiere; printre oțelurile pentru scule este cel mai bine aliat;
oțel auto-întăritor cu un conținut de carbon de 1-2% și tungsten de la 5% la 7%: acest tip de oțel își ia numele din faptul că rata critică de întărire (rata de răcire) este atât de mică încât se poate întări în aer după încălzirea în câmpul austenitic .

Oțel cu plumb (automat)

Este un oțel ușor de uz general, cu cantități mici de plumb , bismut , telur sau sulf ; cea mai importantă caracteristică a acestuia este spargerea așchiilor și prelucrabilitatea excelentă cu mașinile-unelte (de aici și denumirea de automat ). Se mai numește cu acronimul AVP (High Speed Lead), datorită fiabilității sale ridicate.

Oțeluri cu bor

Recent introdus în oțeluri de construcții speciale pentru a crește întărirea oțelurilor cu aliaj scăzut, menținând în același timp costuri reduse. Evitați compușii de azot pentru a menține rezistența (ar trebui folosiți agenți dezazotanți precum Ti sau un proces de vid). Folosit în elementele de fixare de înaltă rezistență.

Oțeluri cu ceriu

Ceriul este de obicei utilizat ca agent de întărire precipitat în oțelurile inoxidabile îmbătrânite.

Elemente dăunătoare

Sulf

Adăugat doar în oțeluri automate împreună cu mangan, altfel este o impuritate. De la fragilitate la roșu (sau fierbinte): există un eutectic între fier și sulfura de fier care se topește la 988 ° C și apoi se instalează în solidificare la BDG ( limita granulelor ), apoi la temperaturile de prelucrare oțelul se destramă. Dacă există alte elemente, formează compuși de topire chiar mai mici cu ele. Agravează caracteristicile mecanice, tinde să se separe în zona centrală a lingoului și se difuzează cu dificultate, este greu de îndepărtat. Aproape complet nemiscibil în fier, deci sub formă de incluziuni de sulf.

Fosfor

Cu 0,2% fosfor, rezistența devine practic nulă.

Oxigen

Cel mai dăunător element, solubilitate foarte scăzută în fier, tot oxigenul prezent este sub formă de incluziuni.

Hidrogen

Influență negativă asupra caracteristicilor mecanice, chiar și pentru câteva procente. formarea defectelor: difuzează în stare atomică în oțel, când întâlnește fisuri revine la nivelul molecular și produce arcuri de oțel . Acestea se formează atunci când presiunea hidrogenului depășește coeziunea oțelului (între 100 și 300 ° C). Există reguli pentru prevenirea și eliminarea hidrogenului din oțel, făcându-l difuz în exterior: acestea constă în menținerea îndelungată la temperatura la care solubilitatea hidrogenului este mică, dar există încă difuzie (prin urmare fulgii nu se găsesc niciodată lângă suprafață, deoarece hidrogenul a putut să iasă acolo).

Tipuri de incluziuni nemetalice

Endogene : sunt create în baie prin reacțiile din timpul producției, cu toate acestea, este posibil să se controleze și pot fi bine eliminate.
Exogene : provin din exterior (de exemplu fragmente refractare).

Deteriorarea matricei depinde de forma și caracteristicile lor mecanice, deci indiferent că în starea de fabricație sunt fuzibile sau nu, din tratamentul la care sunt supuse, laminări, cele mai periculoase sunt cele care se află în cristale cu margini ascuțite, deoarece sunt întotdeauna solid, provoacă lacerații importante. Cu toate acestea, incluziunile pot fi folosite și pentru a controla creșterea boabelor sau pentru a condiționa morfologia structurii.

Oțeluri de înaltă rezistență cu aliaj slab (HSLA)

Oțeluri de înaltă rezistență cu aliaj scăzut sau HSLA ( High-Strength-Low-Alloy ): reprezintă un tip de oțel aliat care conține doar cantități mici de alte elemente, cum ar fi vanadiu și, prin urmare, sunt în general mai ieftine decât oțelurile aliate normale.

Sunt produse cu proceduri speciale, capabile să le ofere o rezistență mecanică, chiar și la temperaturi scăzute, și o rezistență la coroziune superioară celei a oțelurilor carbon .

Notă

^ Definiția „oțelurilor slab aliate” nu este universală: unii definesc oțelurile slab aliate ca fiind cele care au un conținut de element de aliere mai mic de 4% (Smith și Hashemi), în timp ce pentru alți autori acest procent este de 8% (Degarmo).
^ Tabelul denumirilor aliajelor de oțel AISI-SAE - Manualul inginerului , pe engineerhandbook.com . Adus pe 9 februarie 2009 (arhivat din original la 31 decembrie 2008) .
^ * William F. Smith și Javad Hashemi, Fundamentele științei și ingineriei materialelor , 4, McGraw-Hill, 2001, p. 394, ISBN 0-07-295358-6 . , p. 394.