Pag. 1

CURS 10 - Materiale ingineresti

oteluri si oteluri aliate

10.1 Obiective In urma parcurgerii cursului studentul va putea:

Sa cunoasca generalitati legate de oteluri; Sa cunoasca clasificarea otelurilor;

Sa cunoasca clasificarea otelurilor aliate; Sa cunoasca influenta elementelor de aliere;

Sa cunoasca influenta elementelor de aliere asupra transformarii austenitei.

10.2 Generalitati

Otelurile sunt aliaje fier carbon ce contin pana la 2,11 %C si se

caracterizeaza prin faptul că pot fi deformate plastic la cald sau la rece, prin presare sau lovire, fără să se rupă.

După conţinutul în carbon se deosebesc trei grupe de oţeluri:

oţeluri hipoeutectoide, care conţin până la 0,77% C şi au microstructura formată din ferită şi perlită;

oţeluri eutectoide, care conţin în jur de 0,77% C şi au structura formată din perlită;

oţeluri hipereutectoide, care conţin între 0,77...2,11% C şi au o structură formată din perlită şi cementită secundară.

10.3 Oţeluri aliate

În tehnică se utilizează o mare varietate de oţeluri aliate, cele mai des utilizate fiind cele care conţin: max. 30% Ni; max.

30% Cr; max. 23% W; max. 5% Si, V, Ti. Clasificarea oţelurilor aliate se poate face după mai multe

criterii, iar cele mai utilizate sunt cele descrise în continuare.

A. Clasificarea după compoziţie şi după structura în stare de echilibru

Această clasificare este analogă celei de la oţelurile carbon şi este determinată de deplasarea spre stânga a punctului eutectoid S şi

a celui de solubilitate a carbonului în fierul, E.

Pag. 2

Structura oţelurilor aliate

În funcţie de structura obţinută la răcire foarte lentă (recoacere), oţelurile aliate se împart în:

oţeluri hipoeutectoide: ferită + perlită - sunt oţeluri obişnuite folosite în construcţie ;

oţeluri hipereutectoide: perlită + carburi secundare - oţeluri de scule slab aliate ;

oţeluri ledeburidice: ledeburită + carburi secundare +perlită - oţeluri dure pentru scule.

Liniile diagramelor care ilustrează această clasificare arată

în acelaşi timp deplasarea punctului S şi E. Pentru conţinuturi ridicate de elemente de aliere şi mai mici de carbon, structura va fi austenitică

sau feritică, după cum elementul respectiv lărgeşte sau îngustează domeniul

B. Clasificarea după structura la răcire în aer liber

În funcţie de cantitatea elementelor de aliere, respectiv deplasarea diagramei TTT la dreapta şi a punctului Ms în jos, se poate

obţine pentru aceeaşi viteză de răcire în aer structuri diferite. Se

deosebesc cinci clase de oţeluri aliate:

Oţeluri perlitice: au o structură lamelară formată din perlită sau constituenţi de tranziţie de tip perlitic. Sunt oţeluri slab

aliate, cu un conţinut scăzut de carbon şi elemente de aliere, folosite cel mai mult în construcţia de maşini;

Pag. 3

Structura oţelurilor aliate la răcire în aer

Oţeluri martensitice (autocălibile): au o structură

martensitică sau troostitică, având un conţinut mediu de carbon şi ridicat de elemente de aliere. Sunt oţeluri dure şi

fragile (casante), puţin întrebuinţate în tehnică; Oţeluri austenitice: au o structură austenitică datorită faptului

că punctul Ms este situat sub 00C. Sunt oţeluri bogat aliate în

elemente gamagene (Ni, Mn), de cele mai multe ori au proprietăţi

fizice şi chimice speciale şi sunt oţeluri nemagnetice; Oţeluri feritice: au o structură formată din ferită aliată, au

un conţinut redus de carbon, fiind bogat aliate cu elemente alfagene: Cr, Si, W. Sunt oţeluri cu proprietăţi fizice şi chimice

speciale, sunt refractare şi tenace ; Oţeluri cu carburi (ledeburitice): au o structură formată

dintr-o matrice feritică, austenitică sau martensitică, în care sunt înglobate carburile. Au un conţinut ridicat de carbon şi de

elemente de aliere. Sunt oţeluri dure termostabile, utilizate pentru scule de mare randament.

C. Clasificarea după gradul de aliere

Oţeluri slab aliate: cu gradul de aliere sub 5%. Sunt în general

oţeluri hipoeutectoide, perlitice destinate construcţiei de maşini ;

Oţeluri mediu aliate: cu gradul de aliere de 5...10%. Sunt oţeluri hipereutectoide, perlito-carbonice sau martensitice,

folosite la execuţia sculelor de deformare sau a instrumentelor de măsură ;

Oţeluri înalt aliate: cu gradul de aliere de peste 10% sunt oţeluri ledeburitice, cu structura formată din carburi foarte dure,

destinate executării sculelor aşchietoare rezistente la temperaturi ridicate, sau oţeluri austenitice sau feritice

destinate construcţiei de maşini.

Pag. 4

D. Clasificarea după destinaţie

Oţeluri aliate de construcţie: sunt folosite în construcţia de

maşini, utilaje, instalaţii şi construcţii metalice. Sunt oţeluri slab aliate ce fac parte aproape integral din clasa oţelurilor

perlitice, folosindu-se în stare normalizată, îmbunătăţite sau

tratate termochimic. Se pot împărţi, după:

o tratamentul termic aplicabil:

- oţeluri de cementare: până la 0,2% C; - oţeluri de îmbunătăţire: 0,2...0,4% C.

o natura prelucrării: - oţeluri turnate în piese;

- oţeluri deformate la cald (laminare, forjare, matriţare): - cu destinaţie generală;

- cu destinaţie precizată;

Oţeluri aliate pentru scule: pentru fabricarea sculelor aşchietoare, de deformare plastică şi de măsurare;

Oţeluri aliate cu proprietăţi fizice, chimice, mecanice şi tehnologice deosebite (oţeluri speciale): sunt oţeluri

care, în general, au un conţinut scăzut de carbon şi un înalt grad de aliere.

10.4 Influenţa elementelor de aliere in cazul otelurilor

Oţelurile aliate sunt oţeluri la care s-au adăugat în mod voit unu sau mai multe elemente de aliere, în cantităţi care influenţează

pregnant proprietăţile fizice şi mecanice ale acestora. În funcţie de cantitatea de elemente de aliere, oţelurile aliate se împart în: oţeluri

slab aliate, mediu aliate şi bogat sau înalt aliate, după cum suma elementelor de aliere este mai mică decât 5%, este cuprinsă între

5%...10% şi respectiv peste 10%. Elementele de aliere folosite în mod curent sunt: Cr, Ni,

Mn, Si, W, Mo, V, iar în cazuri mai rare: Co, Ti, Al, Cu, Nb, Zr, B, N, Be etc.

Oţelurile aliate pot fi: aliaje ternare - când conţin un singur element de aliere pe lângă

Fe şi C, cum ar fi: Cr, Ni, Mn, Si etc.;

aliaje cuaternare - care conţin două elemente de aliere: Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-W;

aliaje polinare - când conţin mai multe elemente de aliere: Cr-Ni-Mo, Cr-Mn-V.

Elementele de aliere pot să se afle în oţeluri sub diferite forme:

în stare liberă: sub formă de particule disperse. Pb, Ag şi sunt

Pag. 5

elemente insolubile sau foarte puţin solubile în oţeluri; sub formă de oxizi, sulfuri şi silicaţi, în cazul elementelor care

prezintă o mare afinitate pentru oxigen sau sulf decât fierul; dizolvate în ferită, austenita sau cementită;

sub formă de carburi. Majoritatea elementelor de aliere se dizolvă în ferită,

excepţie făcând: C, N, O, B, S care sunt elemente îndepărtate de fier în

tabloul periodic al elementelor. Astfel: elementele aşezate în sistemul periodic la dreapta fierului

(alfagene): se dizolvă în ferită şi nu formează carburi cu carbonul din oţel (Ni, Co, Si, Cu);

elementele aşezate la stânga fierului (gamagene): se repartizează între ferită şi fazele carburice, o parte din conţinut

dizolvându-se în ferită şi alta în cementită sau formează carburi metalice. Elementele care formează carburi în oţeluri sunt: Mn, Cr,

W, V, Ti, Nb, Mo, Ta, Zr.

10.4.1 Raportul elementelor de aliere cu fierul

Elementele cu raze atomice diferite de ale fierului sunt

insolubile, pe când cele cu raze atomice apropiate au o mare solubilitate. Majoritatea elementelor de aliere formează corespunzător

cu fierul soluţii solide de substituţie şi mai rar de interstiţie, însă numai Ni şi Co dau soluţii solide nelimitate până la temperaturi joase.

Raportul elementelor de aliere faţă de fier este reprezentat de influenţa lor asupra:

transformărilor alotropice ale fierului; asupra poziţiei punctelor diagramei Fe-C;

asupra proprietăţilor feritei.

În funcţie de influenţa lor asupra transformărilor alotropice ale fierului, elementele de aliere se împart în:

Elemente gamagene: care coboară temperatura punctului critic A3

(9120C) şi ridică temperatura punctului critic A4 (1394

0C), lărgind

domeniul de existenţă al fierului

Pag. 6

Schema diagramelor fier - element de aliere (domeniul lărgit)

Această comportare o au elementele: Ni, Co, Mn, N, Cu, Pt, C,

As. Unele elemente ca: Ni, Mn, Pt conduc de la o anumită concentraţie, la existenţa numai a soluţiei şi dau oţeluri austenice. Şi Co intră în

această grupă, deşi la început el ridică pe A3, dar la conţinuturi

mari însă îl coboară.

Alte elemente, cum ar fi: C, Cu, N, As, Zn, au aceeaşi influenţă gamagenă, însă solubilitatea este limitată. În acest caz, la

anumite concentraţii, se formează combinaţii chimice, eutectice şi eutectoizi, îngustând domeniul.

Elemente alfagene: ridică temperatura punctului critic A3 şi

coboară temperatura punctului critic A4, lărgind domeniul de existenţă

al fierului şi îngustând domeniul fazei . Această comportare o au elemente: Cr, Mo, W, V, Zr, B, O, Si, Ti, Be, Al, Nb.

Unele elemente: Cr, Mo, W, V, Ti, Al, Be, Nb, Pb, de la un

anumit conţinut al elementului includ domeniul , determinând existenţa numai a fazei. Cromul la conţinuturi mici, coboară pe A3, apoi îl ridică.

Aceste elemente dau oţeluri feritice.

Schema diagramelor fier - element de aliere (domeniul îngustat)

Pag. 7

Alte elemente ca: B, Zr, Nb, Ta, O au aceeaşi influenţă, dar la anumite concentraţii dau naştere la combinaţii cu caracteristici

deosebite cum ar fi eutectoizi şi peritectoizi. - Influenţa elementelor de aliere asupra poziţiei unor puncte ale

diagramei Fe-C constă în următoarele: majoritatea elementelor de aliere micşorează conţinutul de carbon din eutectoid (0,77% C-perlită)

mutând acest punct spre stânga (Cr, Mn, Ni, Nb), unele însă (Al, Co,

Cu) măresc conţinutul de carbon din eutectoid, mutând acest punct spre dreapta. Punctul de saturaţie al austenitei în carbon E este mutat

spre stânga, făcând ca un oţel bogat aliat să aibă o structură ledeburitică. Cea mai puternică influenţă în acest sens o au: Cr, Si, W,

Mo, V, Ti, elemente enumerate în ordinea influenţei lor crescânde. - Influenţa elementelor de aliere asupra proprietăţilor feritei

depinde de razele atomice, atomii acestora pătrund în reţea şi creează tensiuni. Duritatea feritei este mărită de toate elementele,

ordinea crescătoare fiind: Si, Mn, Ni, Mo, W, Cr.

Influenţa elementelor de aliere asupra cantităţii de carbon din perlită

Tenacitatea şi rezilienţa feritei sunt micşorate de: Mn, W, Mo, Si, acţiune în care Cr influenţează puţin. Nichelul ridică valoarea

acestor proprietăţi.

10.4.2 Raportul elementelor de aliere cu carbonul

Din punct de vedere al comportării în raport cu

carbonul, elementele de aliere se împart în două grupe: elemente care se combină cu carbonul formând carburi;

elemente care nu se combină cu carbonul. Elementele care se combină cu carbonul: fac parte din

grupa de trecere şi au un substrat electronic d mai puţin complet decât

Pag. 8

fierul: Fe (26) 1s22s

2p63s

2p6d8. Cu cât acest strat este mai

incomplet cu atât afinitatea elementului faţă de carbon este mai

puternică şi stabilitatea carburilor formate este mai mare. În ordinea crescătoare a stabilităţii termice a carburilor, elementele sunt: Fe, Mn,

Cr, W, Mo, V, Zr, Nb, Ti, Hf, Ta. La toate elementele care formează carburi, exceptând: Fe, Mn, Cr, raportul razei atomice a carbonului

faţă de cea a metalului este mai mic de 0,59, formându-se faze de

pătrundere. Carburile: sunt combinaţii chimice care se topesc la temperaturi

înalte, au mare stabilitate la temperaturi ridicate (se descompun greu), au duritate mare şi sunt foarte fragile.

Criterii de clasificare a carburilor: ● În funcţie de starea de agregare a metalului din care se formează şi

deci în funcţie de temperatură carburile pot fi: carburi primare: se formează direct din lichid ;

carburi secundare: se formează la temperaturi inferioare curbei solidus.

● În funcţie de compoziţie (conţinutul în elemente de aliere şi în cel de carbon) carburile pot fi:

carburi simple (speciale): Cr23C6(Cr4C), Cr7C2, Mo2C ;

carburi duble (complexe): combinate cu fierul Fe2Mo2C,

Ffe2W2C, (FeCr)7C etc.;

cementite aliate: se formează la cantităţi mici ale elementelor de aliere după formula chimică (Fex)3C, unde x

reprezintă elementul de aliere.

● În funcţie de structură carburile pot fi: cu structură cristalină complexă: Fe3C, Mn3C, Cr23C6,

Cr7C3 sau Fe2Mo2C;

faze de pătrundere: Mo2C, WC, TaC, Ta2C ;

În comparaţie cu carbura de fier (cementita-Fe3C), celelalte

carburi sunt mai puţin fragile şi mai dure. Carburile influenţează

proprietăţile mecanice ale oţelurilor nu numai prin compoziţia chimică şi cantitatea lor, ci şi prin gradul lor de dispersie. Cu cât gardul

de dispersie este mai înalt, deci carburile mai fine, cu atât duritatea este mai ridicată şi fragilitatea mai mică. De asemenea,

carburile de tip faze de pătrundere sunt mai avantajoase deoarece la încălzire se dizolvă mai greu în austenită protejând oţelul la

supraîncălzire. Elemente care nu se combină cu carbonul: deci care

nu formează carburi (Ni, Co, Si, Al, Cu, N) şi prezintă două comportări particulare:

unele din ele formează carburi în absenţa fierului, însă mai puţin

stabile decât cementita, deoarece au în substratul d un număr mai mare de electroni decât fierul ;

Pag. 9

altele, cum sunt: Ni, Si, Al provoacă în oţelurile cu mult carbon separarea acestuia sub formă de grafit (grafitizarea oţelului).

Dacă conţinutul de carbon este relativ mic, iar conţinutul elementelor de aliere ce pot forma carburi este mare, vor

rămâne elementele de aliere care neavând carbon pentru a forma carburi, vor fi nevoite să se dizolve în fier. Deci elementele de aliere

ce se pot lega cu carbonul se vor distribui între carbon şi fier.

10.5 Influenţa elementelor de aliere asupra transformării austenitei Influenţa asupra creşterii grăunţilor de austenită la încălzire:

Elementele de aliere manifestă o puternică influenţă asupra tendinţei de creştere a grăunţilor de austenită.

Toate elementele de aliere, indiferent de raportul faţă de fier şi carbon, micşorează tendinţa de creştere a grăunţilor în timpul

încălziri oţelurilor, excepţie fac Mn şi Al. Elementele care se dizolvă în fier manifestă o influenţă

pozitivă, dar relativ mai slabă, asupra creşterii grăuntelui de austenită, în timp ce elementele ce formează carburi au o influenţă

pozitivă puternică, deoarece carburile se aşează la limita grăunţilor de

austenită constituind bariere mecanice ce se opun formării şi dezvoltării respective.

Manganul favorizează creşterea grăunţilor mărind sensibil tendinţa de supraîncălzire şi fragilitatea oţelurilor.

Aluminiul în cantităţi foarte mici, până la 0,1%, favorizează obţinerea unor structuri fine prin formarea unor pelicule

submicroscopice de oxizi şi nituri de aluminiu jucând rolul de bariere mecanice.

La cantităţi de peste 0,1% Al, particulele de oxid de aluminiu se pot aglomera acestea nu mai exercitând acest rol. Faptul că oţelul

aliat este mai puţin înclinat la supraîncălzire constituie un mare avantaj la tratamentele termice.

Influenţa asupra transformării perlitice a austenitei: Toate elementele, cu o singură excepţie Co, măresc stabilitatea

austenitei suprarăcite, micşorând viteza sa de transformare în

structuri perlitice, bainitice. În consecinţă curbele diagramelor TTT vor fi deplasate

spre dreapta. Se constată două cazuri: în primul caz viteza de transformare are un singur

maxim . Nichelul, cuprul, manganul, siliciul, în general elementele care formează numai soluţii solide, încetinesc

transformarea, numai cobaltul o grăbeşte.

Pag. 10

Viteza de transformare a austenitei

Diagrama TTT rămâne asemănătoare cu cea a oţelului carbon,

însă este deplasată; în al doilea caz: (Cr, W, Mo - elemente care

formează carburi) viteza de transformare are două maxime şi

un minim situat la 400...5000C.

Deci diagrama TTT va prezenta două zone de stabilitate minimă şi zonă de stabilitate maximă. Pe diagramă se conturează două zone

de transformare: cu structuri lamelare (perlitice) şi cu structuri aciculare (bainitice).

Diagramele TTT pentru oţeluri aliate

Influenţa asupra călibilităţii: Prin deplasarea curbelor diagramei TTT la dreapta, respectiv prin

creşterea solubilităţii austenitei suprarăcite, are loc scăderea VC de

călire şi în consecinţă se măreşte călibilitatea. Toate elementele de aliere au această influenţă, exceptând Co. Cea mai puternică

Pag. 11

influenţă o au: Mo, Mn, Cr, Si, Ni şi Cu.

Influenţa elementelor de aliere asupra călibilităţii

În comparaţie cu oţelurile carbon, la oţelurile aliate este posibilă

utilizarea mediilor de răcire mai puţin energice pentru călirea pieselor de secţiuni egale. Pentru viteze de călire egale, călirea la martensită se

realizează mult în adâncime la oţelurile aliate, putându-se fabrica piese

călite în toată secţiunea de dimensiuni mai mari. Influenţa asupra transformării martensitice:

Elementele de aliere influenţează şi poziţia punctului MS. Astfel,

majoritatea elementelor de aliere coboară temperatura punctului MS, mărind cantitatea de austenită reziduală. Excepţie fac: Co şi Al

care-l urcă pe MS şi Si care nu îl influenţează.

Influenţa elementelor de aliere asupra punctului MS

10.6 Influenţa elementelor de aliere asupra transformărilor la revenire La revenirea oţelurilor aliate se produc aceleaşi transformări ca

şi la oţelurile carbon, elementele de aliere introducând însă unele particularităţi cum ar fi:

Pag. 12

creşterea temperaturii de transformare; mărirea gradului de dispersie a carburilor;

frânarea producerii transformărilor. Ca şi la oţelul carbon, ridicarea temperaturii de revenire

cauzează creşterea grăunţilor carburilor, deci, scăderea durităţii şi rezistenţei şi ridicarea proprietăţilor plastice şi a rezilienţei.

Elementele de aliere, mai ales Si, Mo, W ridică temperatura

de transformare a martensitei în aceste amestecuri, întârziind şi frânând deci transformarea. La revenirea unor oţeluri aliate (în

special Cr-Ni), se constată apariţia unui fenomen de fragilitate denumit “fragilitate de revenire” . Fenomenul se înlătură

corespunzător, fie printr-o răcire rapidă, fie prin aliere cu 0,2...0,4% Mo sau W.

Fragilitatea la revenire

Activitati: Incercati sa stabiliti pentru elementele de aliere Mn, Cr, Ni

influenta asupra proprietatilor mecanice in cazul otelurilor.

Bibliografie: 1. Mutiu T.A. - Studiul metalelor, Editura I.C.P.A.I.U.C., Bucuresti,

1985;

2. Schwartz H. - Elementa practice de metalurgie fizica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1956;

3. Schumann H. - Metalurgie fizica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1955; 4. Horia Colan – Studiul metalelor si tratamente termice – Editura

Didactica si Pedagogica, Bucuresti;

Teste:

Pag. 13

1. Ce continut de carbon au otelurile hipoeutectoide? a) C < 0.77 %;

b) C < 0.92 %; c) C > 0.77 %.

2. Care este structura otelurilor aliate hipereutectoide? a) Ferita + perlita;

b) Perlita + cementita;

c) Perlita + carburi secundare. 3. Care sunt otelurile cu gradul de aliere sub 5%?

a) Oteluri mediu aliate;

b) Oteluri extra aliate;

c) Oteluri slab aliate.

4. Cum sunt denumite combinaţiile chimice care se topesc la temperaturi înalte, au mare stabilitate la temperaturi ridicate, au

duritate mare şi sunt foarte fragile? a) Nitruri;

b) Carburi; c) Cementite.

5. Ce element de aliere nu are influenta asupra calibilitati otelurilor? a) Mn;

b) Si;

c) Co. 6. Ce elemente de alire reduce aparitia fenomenului de fragilizare la

revenire? a) Cu;

b) Mo; c) Ni.

Grila de evaluare

1. a

2. c 3. c

4. b 5. c

6. b