C1

1.1. Sistemul FIER – CARBON1.1.1. Fierul – stări alotropice, proprietăţi.

Fierul este foarte răspândit în natură (4,7%), ocupândlocul IV pe scara abundenţei elementelor în scoarţa terestră(Clark), după oxigen (49%), siliciu (26%), aluminiu (7,5%).În stare nativă se găseşte rar; meteoriţii feroşi(sideriţii), care reprezintă aproape 50% din meteoriţii carecad pe pământ, sunt formaţi în principal din fier, conţinândşi 5 până la 20% nichel, fapt care permite să se presupunăcă miezul pământului este format din fier şi nichel.Mineralele de fier sunt foarte răspândite; cea mai mareparte din fierul aflat în scoarţa terestră se găseşte subformă de silicaţi. Un mineral de fier foarte răspândit estepirita FeS2, dar acest mineral nu poate fi utilizat directîn metalurgia fierului. Dintre mineralele de fier deimportanţă ca minereu fac parte: magnetita Fe3O4, hematitaFe2O3, limonita FeO(OH) şi carbonatul feros (siderita) FeCO3.

Fierul tehnic are proprietăţi de rezistenţă scăzute(Rm=200 N/mm2; Rc=100 N/mm2; HB=80 daN/mm2), proprietăţiplastice ridicate (A5=50%; KCU=25 daJ/cm2), permeabilitatemagnetică mare, forţă coercitivă şi conductibilitateelectrică mici, pierderi mici prin histerezis magnetic. Faceparte din grupa a VIII-a a sistemului periodic, are numărulatomic z=26, masa atomică 55,847, coeficientul de dilataretermică a=11,7*10-6 grad-1, densitatea r=7,86 kg/dm3, putândavea valenţele 2, 3 şi 6.

Fierul are culoare albă-argintie, se topeşte la 1538°C,fierbe la 2880°C şi prezintă, la presiune normală, douăstări alotropice:- fierul alfa (Fea) cristalizat în reţea cub cu volumconcentrat, stabil în domeniul de temperatură 1538…1394°C(cunoscut şi sub numele de fier delta - Fed) şi subtemperatura de 912°C;- fierul gama (Feg), cristalizat în reţea cub cu feţecentrate, stabil în intervalul termic 912…1394°C. Lapresiuni mai mari de 150 kbari, la temperatură ambiantă,fierul mai prezintă o stare alotropică epsilon (Fee),cristalizat în reţea hexagonal compactă.

Fierul prezintă o transformare magnetică la temperaturade 770°C (punct Curie), când trece reversibil dinferomagnetic în paramagnetic în procesul de încălzire,respectiv cel de răcire.

Stabilitatea la diferite temperaturi a celor două formealotropice ale fierului alfa şi gama se poate explicaurmărindu-se variaţia cu temperatura a energiei libere aacestora.

În stare pură fierul are domenii limitate de utilizare.Datorită capacităţii mari de deformare plastică, fierultehnic pur este folosit pentru obţinerea unor produse prinambutisare adâncă. Proprietăţile sale fizice,permeabilitatea magnetică mare şi pierderile mici prinhisterezis, fac să fie utilizat în electrotehnică laconfecţionarea miezurilor şi pieselor polare aleelectromagneţilor, la ecrane magnetice, membrane telefonice,etc. Fierul pur se foloseşte drept catalizator al unorprocese chimice, precum şi pentru prepararea unor produsemedicinale. Pulberea de fier monodomenială este destinatăfabricării prin sintetizare a magneţilor permanenţi.

Cea mai largă utilizare o au însă aliajele de bază defier – reprezentate prin oţeluri carbon, fonte, oţeluri şifonte aliate, etc. – în care cel mai important element dealiere a fierului este carbonul; introdus în cantităţi mici,acesta modifică în mod spectaculos proprietăţile fizico-mecanice şi tehnologice ale fierului.

Aliajele fier-carbon sunt aliaje complexe, care pelângă elementele principale, fierul şi carbonul, mai conţinsub formă de impurităţi şi alte elemente chimice cum ar fi:Mn, Si, P, S, O, H, N, B, etc., ce provin din procesul deelaborare şi care influenţează puternic proprietăţile debază ale fierului.

1.1.2. Diagrama de echilibru termodinamic.

Fierul şi carbonul formează un sistem de aliaje cusolubilitate totală în fază lichidă, solubilitate parţialăîn fază solidă, cu formare de compuşi chimici şi cu diferitetransformări secundare. Din analiza diagramei de echilibru(prezentată în anexă) se constată că această diagramă binarăde echilibru are un aspect complex, fiind formată dincombinarea a patru diagrame binare simple: diagramă cuperitectic, diagramă cu eutectic, diagramă cu descompuneretotală a soluţiei solide şi diagramă cu descompunereparţială a soluţiei solide.

Carbonul, solubil nelimitat în fierul lichid, se vaputea găsi, în timpul solidificării sau după solidificare,dizolvat parţial în fier, formând soluţii solide, legat încompusul chimic Fe3C denumit cementită (reprezintă stareametastabilă) şi parţial liber, în starea alotropică grafit(reprezentând starea stabilă). Formarea uneia sau alteiadintre cele două stări ale carbonului, metastabilă şistabilă, în aliajele Fe-C este determinată de două categoriide factori importanţi: parametrii tehnologici de elaborare(viteză de răcire, temperatură de încălzire a topiturii,etc.) şi compoziţia chimică a aliajelor (carbonul, siliciulşi în general elementele de aliere care nu formează carburifavorizează obţinerea grafitului, iar manganul şi sulful şi

în general elementele care se combină cu carbonulfavorizează obţinerea cementitei Fe3C).

Rezultă deci că aliajele fier-carbon cristalizează dupădouă sisteme de echilibru termodinamic: Fe – Fe3C, sistemmetastabil reprezentat cu o linie continuă în anexă şi Fe –Cgrafit, prezentat cu linie întreruptă în aceeaşi figură. Încondiţii practice de răcire, aliajele Fe-C cristalizează însistemul metastabil, dar, din cauza instabilităţiitermodinamice a cementitei, determinată de descompunereaireversibilă a acesteia în condiţii de răcire lentă sau înprezenţa siliciului, se va stabili echilibrul termodinamicdefinitiv: Fe3C®3Fe + Cgrafit. Compusul chimic Fe3C, numitcementită se formează din soluţie lichidă sau se separă dinsoluţii solide saturate şi are concentraţia de 6,67% carbon.

1.1.3. Influenţa carbonului asupra punctelor criticeale fierului.

Fierul are trei puncte critice de transformare: A2=770°C(punct Curie), A3=912°C (transformarea alotropică Fea«Feg) şiA4=1394°C (transformarea alotropică Feg«Fed). Influenţacarbonului asupra poziţiei punctelor critice se manifestăsub două aspecte:a). modifică temperaturile punctelor critice:- punctul critic A4 (Fed« Feg) creşte de la 1394°C la 1495°Cdupă liniile NH respectiv NJ, când conţinutul de carboncreşte de la 0% la 0,17%;- punctul critic A3 (Feg« Fea) coboară de la 912°C la 727°Cdupă liniile GOS respectiv GP, când carbonul creşte de la 0%la 0,77%; peste 0,77% C punctul critic A3 se menţineconstant la 727°C după izoterma SK;- punctul critic A2 (punctul Curie) se menţine constant la770°C (linia MO), când conţinutul de carbon creşte până la0,51%, apoi coboară la 727°C (linia OS), când conţinutul decarbon creşte la 0,77% după care se menţine constant(izoterma SK) oricât creşte conţinutul de carbon;b). măreşte numărul punctelor critice:- începând cu 0,0218% C apare punctul critic A1 care semenţine constant la 727°C, izoterma PSK, ce corespundetransformării eutectoide;- de la 0,0206% C apare punctul critic A0, care se menţineconstant la 210°C, izoterma P¢¢K¢¢ ce corespunde transformăriimagnetice a cementitei la răcire.

Rezultă deci că aliajele fier-carbon, reprezentate prinoţeluri (0…2,11% C) şi fonte (2,11…6,67% C) posedă cincipuncte critice faţă de numai trei puncte criticecorespunzătoare fierului.

1.1.4. Faze şi constituenţi în sistemul metastabil Fe-Fe3C

În sistemul metastabil Fe-Fe3C sunt prezente patru faze– soluţia lichi- dă, ferita, austenita şi cementita şi doiconstituenţi bifazici de tip amestec mecanic – ledeburita(eutectic) şi perlita (eutectoid).

Soluţia lichidă (L) este formată din amestecul intim alatomilor dr fier aflat în stare lichidă şi carbon.

Ferita (ferita alfa - Fa şi ferită delta - FD)reprezintă o soluţie solidă de interstiţie a carbonuluidizolvat în fier a cristalizat în reţea c.v.c. feritaexistentă la temperaturi mai mari de 1394°C este cunoscutăsub numele de ferită d; ea este magnetică şi poate dizolvamaximum 0,09% C la temperatura de 1495°C. Ferita care existăla temperaturi mai mici de 912°C este cunoscută subdenumirea de ferită a; ea este magnetică la temperaturi sub770°C (punctul Curie al fierului) şi dizolvă maximum 0,0218%C la temperatura de 727°C. Cele două ferite prezintă una şiaceeaşi fază, deosebindu-se doar prin parametrul reţeleicristaline, care este mai mare la ferita D. Ferita delta seobţine direct din soluţie lichidă, iar ferita alfa se obţineprin transformarea alotropică, la răcire, a fierului gama.La temperatura ambiantă ferita alfa dizolvă o cantitatefoarte mică de carbon, de maximum 0,0026% C. Proprietăţileferitei sunt foarte apropiate de cele ale fierului pur(Rm=30 daN/mm2; KCU=20 daJ/cm2; HB=80 daN/mm2; A5=40% şiZ=70%). La microscopul optic, în urma atacului cu nital,ferita apare sub formă de grăunţi poliedrici sau în reţea,de culoare albă.

Austenita (A) este o soluţie de interstiţie acarbonului dizolvat în fier g cristalizat în reţea c.f.c. Eapoate fi formată din soluţie lichidă (după segmentul BC alliniei lichidus) sau în urma reacţiei peritectice (dupăizoterma de la 1495°C), precum şi din transformareaalotropică a feritei D în intervalul de temperaturi1495…1394°C. Austenita fiind cristalizată în reţea c.f.c.are mai multe sisteme de alunecare şi este cea mai plasticăfază a aliajelor Fe-Fe3C; ea poate dizolva maximum 2,11% Cla temperatura de 1148°C. În oţelurile carbon şi în fonteleobişnuite, în condiţii de echilibru, austenita nu poateexista decât la temperaturi mai mari de 727°C, iar laaliajele fierului cu carbonul ce conţin elemente gamagene(Ni, Mn, Pt, etc.) domeniul de stabilitate al austenitei seextinde până la temperatura mediului ambiant. La analizametalografică microscopică, austenita apare sub formă de

grăunţi poligonali, uneori maclaţi, a căror culoare depindede tipul reacti- vului utilizat.

Cementita (Ce) reprezintă compusul chimic format întrefier şi carbon, ce corespunde formulei Fe3C şi care conţine6,67% C şi 93,33% Fe. Funcţie de modul de formare, cementitapoate fi: cementită primară (CeI) care solidifică dintopitură segmentul CD al liniei lichidus; cementitasecundară (CeII) care se formează din austenită după linia ESce marchează micşorarea solubilităţii carbonului în fier gde la 2,06% C (1148°C la 0,77% C (727°C)) şi cementitaterţială (CeIII) care se separă din ferita alfa după linia devariaţie a solubilităţii carbonului în fierul alfa de la0,0218% C (727°C) la 0,0026% C (20°C). Toate cele teri tipuride cementită cristalizează în sistem ortorombic, au aceeaşicompoziţie chimică deosebindu-se doar prin gradul dedispersie (CeI fiind cea mai grosolană, iar CeIII fiind ceamai fină).

În aliajele Fe – Fe3C cementita se poate afla atât înstare liberă cât şi alături de alte faze, în amestecurimecanice. La răcire, sub 210°C (punctul Curie alcementitei), aceasta devine feromagnetică. Cementita estefaza cea mai dură (HB = 750 daN/mm2) dar şi cea mai fragilă.La analiza microscopică apare sub formă de câmp, ace saureţea, culoarea fiind dependentă de tipul reactivului deatac.

Perlita(P) este un amestec mecanic bifazic format înurma descompunerii totale a austenitei la temperatura de727°C (reacţie eutectoidă) în ferită alfa şi cementităconform relaţiei:

Fea + Fe3C = P

Perlita se află în echilibru numai la temperaturi de 727°C;aliajul Fe-C cu 0,77% C conţine 100% perlită şi este de tipeutectoid. Proprietăţile mecanice ale perlitei au valoriintermediare între cele feritei a şi cementitei: HB = 205daN/mm2; Rm = 85 daN/mm2; A = 15%; KCU = 3…6 daJ/cm2. Laanaliză microscopică, în urma atacului cu nital, prlitaapare sub forma unei insule întunecate, iar la măriri maimari de 300:1 se poate distinge aspectul lamelar sauglobular al acesteia.

Ledeburita(Le) reprezintă eutecticul aliajelor Fe-Fe3C.În funcţie de temperatura la care se formrază ea poate fi:ledeburită primară şi ledeburită secundară.

Ledeburita primară (LeI) este un amestec bifazic formatprin descompunerea soluţiei lichide, conform relaţieieutectice:

Feg(C) + Fe3C = Le

Ledeburita secundară (LeII) este un amestec mecanicformat prin descompunerea austenitei din LeI în ferită a şiCeII. Deci, ledeburita secundară este compusă din perlită şicementită primară. Aliajul Fe-C cu 4,3% C conţine 100%ledeburită şi este de tip eutectic.

Ledeburita este un constituent structural dur şifragil, cu turnabilitate bună. Deoarece provine dintr-otransformare primară, ledeburita prezintă o structură maigrosolană decât cea a perlitei. La microscop, apare subformă de insule mici de perlită dispuse pe un fond alb decementită.

La răcire lentă austenita se transformă la 727°C înperlită; la răcire cu viteze mai mari, ea se transformă înamestecuri mecanice ferito-cementitice sau ferito-carburicecunoscute sub numele de constituenţi de tranziţie: sorbita,trostita şi bainita, care diferă între ele prin natura fazeicarburice şi prin graduk de dispersie care creşte odată cuvireza de răcire. Pentru viteze mari de răcire austenita semenţine iniţial în stare subrăcită şi apoi se transformă înmartensită, care este o soluţie solidă suprasaturată acarbonului dizolvat în Fea şi care cristalizează în reţeatetragonală cu volum centrat. Toţi ceşti constituenţibifazici (sorbita,troostita, bainita) sau monofazici(martensita) sunt stări în afară de echilibru (metastabile).

1.1.5. Tipuri de transformări în sistemul metastabilFe-Fe3C

Aliajele Fe-C tehnice prezintă două tipuri detransformări: primare (peritectică şi eutectică) şisecundare sau în stare solidă (alotropice, descompunereatotală a soluţiei solide Fg şi descompunerea parţială asoluţiei solide Fa). În consecinţă semnificaţiile liniilorde pe diagrama Fe-C, sistemul metastabil, sunt următoarele:- curbele ABCD formează linia lichidus, peste care toate

aliajele se găsesc în stare lichidă omogenă; curbeleAHJECFD reprezintă linia solidus sub care toate aliajelesunt solidificate. La temperaturile corespunzătoarecurbei AB din lichid începe să se separe ferita delta, lacele corespunzătoare curbei BC din lichid începe să sesepare austenita Fg, iar la temperaturile corespunzătoarecurbei CD din lichid începe să se separe cementitaprimară.

- la temperatura corespunzătoare izotermei ECF (1148°C) seproduce transformarea eutectică, când din lichidul de

concentraţie corespunzătoare punctului C (4,30% C)cristalizează simultan austenita având concentraţiapunctului E (2,11% C) şi cementita de concentraţiapunctului F (6,67% C); amestecul mecanic rezultat poartănumele de ledeburită primară: în partea stângă adiagramei, pe curba AH se termină cristalizarea primară aferitei delta, pe izotermă HJB la temperatura de 1495°C seproduce transformarea peritectică, când lichidul deconcentraţia punctului B (0,53% C) reacţionează ci feritadelta de concentraţia punctului H (0,09% C) şi seformează austenita de concentraţia punctului J (0,17% C).La răcire, intervalul termic dintre curbele HN şi JN areloc transformarea alotropică a feritei delta înaustenită. Toate aliajele cu conţinut de până la 2,11 % C(punctul E) au structură primară formată din austenită;

- la temperaturi corespunzătoare curbei GOS începetransformarea alotropică a austenitei în ferită a,transformare care se termină la temperaturicorespunzătoare curbei GP;

- la temperaturi corespunzătoare izotermei PSK (727°C)austenita de concentraţia punctului S (0,77% C) sedescompune în ferită alfa de concentraţia punctului P(0,0218% C) şi cementita secundară de concentraţiapunctului K (6,67% C), amestecul mecanic rezultat fiindun amestec eutectoid numit perlită;

- pe curba ES,ca urmare a scăderii cu temperatura asolubilităţii carbonului în fier g, se separă dinaustenită cementita secundară, iar pe curba PQ, ca urmarea scăderii cu temperatura a solubilităţii carbonului înfier a, se separă din ferita a cementita terţială.Rezultă că în sistemul metastabil Fe-Fe3C sunt prezentetrei transformări invariante reversibile:

- transformarea peritectică, care are loc la nivelulizotermei HJB:

- transformarea eutectică care are loc la nivelul izotermeiECF:

- transformarea eutectoidă, care are loc la nivelulizotermei PSK:

În timpul acestor transformări invariante, coexistă, înechilibru, trei faze şi în consecinţă V = 2 + 3 + 1 = 0.În aliajele Fe-C mai există două transformări reversibilecare fac referire la proprietăţi magnetice: astfel dupălinia MOSK (A2) la răcire ferita a devine feromagnetică, iardupă linia P¢¢ K¢¢ (A0), la răcire, cementita devineferomagnetică.

2.2. Oţeluri. Structură, proprietăţi, clasificare şisimbolizare

Oţelurile ocupă domeniul din diagrama de echilibrucuprins între 0 şi 2,11% C. După compoziţia chimică,oţelurile se împart în oţeluri carbon şi oţeluri aliate.

Oţelurile carbon sunt oţeluri care conţin în principalfier şi carbon, conţinutul în alte elemente (Si, Mn, Al, Cr,Ni, Mo, Ti, B, W, Cu, Pb, S, P, O, etc.), numite elementeînsoţitoare, fiind în general mic, nedepăşind în total 5%. Oparte dintre elementele însoţitoare sunt impuse de procesultehnologic de elaborare şi turnare a oţelului (Mn, Si, Al),altele sunt introduse intenţionat, pentru a imprima oţeluluianumite proprietăţi de utilizare (Al, Ti, S, P, Cu, Cr, N,V, etc.) şi, în sfârşit a treia grupă (S, P, O, etc.),numite impurităţi provin din materiile prime folosite înprocesul de elaborare şi prelucrare primară şi nu pot fieliminate prin procedee clasice economice. În mod obişnuit,conţinutul maxim în elemente însoţitoare, inclusivimpurităţi, admis în oţeluri este: Si£0,5%, Mn£0,8%,Cr£0,3%, Mo£0,05%, V£0,05%, Ti£0,04%, B£0,0005%, W£0,2%,Co£0,2%, Zr£0,1%, Nb£0,05%, Al£0,3%, Cu£0,4%, Pb£0,4%,S£0,05%, P£0,05% şi O£0,05%.

Oţelurile aliate sunt oţeluri care, în afară de fier şicarbon, conţin, în mod obligatoriu, şi alte elemente (Cr,Ni, Si, W, Mo, V, etc.), în proporţii mai mari decât celeadmise la oţelurile carbon. Scopul alierii este de amodifica, în mod convenabil, proprietăţile tehnologice şi deutilizare a oţelurilor.

2.2.1. Influenţa carbonului asupra structurii şiproprietăţilor oţelurilor carbon

Oţelurile cristalizează după sistemul metastabil fier-cementită. Un oţel are deci proprietăţi intermediareproprietăţilor ce caracterizează ferita şi cementita.Duritatea, rezistenţa, plasticitatea unui oţel depind înprimul rând de raportul dintre proporţia de ferită şi cea decementită.

2.2.2. Proprietăţile mecanice ale oţelurilor carboncălite şi revenite

Prin călire martensitică, proprietăţile mecanice aleoţelurilor carbon se modifică, proprietăţile de rezistenţăcrescând brusc, iar cele de plasticitate micşorându-se.Duritatea martensitei creşte continuu cu creştereaconţinutului de carbon, atingând valoarea maximă la 2,11% C.Dacă austenitizarea pentru călire s-a făcut peste Ac3,respectiv peste Accem, astfel încât tot carbonul să treacă înaustenită, duritatea oţelului creşte cu conţinutul în carbonpână la 0,77% C, după care începe să scadă datorită formăriiunei proporţii tot mai mari de austenită reziduală.Duritatea oţelurilor călite nu depinde de mărimeacristalelor de martensită. Spre deosebire de duritate,proprietăţile de plasticitate şi, în principal, tenacitatea(rezilienţa) după revenire depind puternic de gradul dedispersie al structurii martensitice, fiind cu atât mai maricu cât martensita este mai fină. Structurile de călire, decistructura martensitică, sunt cu atât mai fine cu câtgrăunţii de austenită din care s-au format sunt mai mici. Caurmare, temperatura de austenitizare trebuie aleasă înstrânsă corelaţie cu mărimea grăuntelui de austenită.

La reveniri la temperaturi până la 100°C duritateaoţelurilor carbon creşte uşor, cu 1…2 unităţi HRC, ca urmarea transformării martensitei de călire, a precipităriicarburilor din martensita a. La temperaturi mai înalte derevenire duritatea începe să scadă datorită creşteriiparticulelor de carburi şi sărăcirii în carbon amartensitei, mecanism din care rezultă că, prin călire şirevenire se obţin asociaţii de proprietăţi mecanice mult maiconvenabile decât cele care corespund stării rezultate prinrecoacere.

2.2.3. Influenţa elementelor însoţitoare

Principalele elemente însoţitoare din oţeluri sunt: Si,Mn, S, O, P, N, şi H.

Siliciul şi manganul sunt impuse de procesul deelaborare şi turnare a oţelului, fiind introduse laelaborarea oţelului, pentru dezoxidare, manganul exercitândsuplimentar şi puternice efecte desulfurante. Conţinutul însiliciu nu depăşeşte 0,35…0,4%, iar cel de mangan 0,5…0,8%.În afara acţiunii dezoxidante, respectiv dezoxidante şidesulfurante, siliciul şi manganul, dizolvându-se în ferită,ridică limita de elasticitate, rezistenţa la rupere şi

limita de curgere a feritei cu cca. 10 daN/mm2 pentrufiecare procent de siliciu sau mangan dizolvat în ferită.

Sulful provine din materialele folosite în procesul deelaborare (cox, fontă, fier vechi, etc.). Formează cu fierulcompusul chimic FeS, care se topeşte la 1190°C, practicinsolubil în fier şi care formează la 31,6% FeS eutecticulFe-FeS ce se topeşte la 989°C. Acest eutectic, solidificândultimul, după solidificarea tuturor constituienţiloroţelului, se aşează la limita cristalelor de austenită subforma unei reţele uşor fuzibile. La încălzire, latemperaturi de ordinul a 800-950°C, sulfura de fier fragilăimprimă oţelurilor fragilitatea cunoscută sub numele defragilitate la roşu. La temperaturi mai înalte, de ordinul1000°C, eutecticul Fe-FeS se topeşte producând fragilitateala cald. Sulful nu diminuează sensibil caracteristicilemecanice la tracţiune în secţiune longitudinală, dar reducesensibil caracteristicile la tracţiune în secţiunetransversală şi rezilienţa la rece. Contribuie la creşterearezistenţei la uzare şi îmbunătăţeşte prelucrabilitatea prinaşchiere, favorizând procesul de fragmentare a aşchiilor.

Oxigenul ajunge în compoziţia oţelurilor din procesulde elaborare, fiind introdus în baia metalică pentru afinare(oxidarea şi îndepărtarea C, Mn, Si, P, etc.). În staresolidă, solubilitatea oxigenului în fier este nulă, formândnumai oxizi de tipul: Fe2O3, Fe3O4 şi FeO, dar şi oxizi aialtor elemente ca Mn, Si, Cr, Al, Ti, Zr, etc. După afinare,conţinutul oţelului în oxigen este mare, astfel încâtproporţia de oxid feros din oţelul solid este ridicată, faptcare provoacă fragilitatea la rece a oţelului. Pentru aelimina acest inconvenient, totdeauna afinarea este urmatăde dezoxidare, proces prin care este îndepărtat excesul deoxigen din baia metalică. În funcţie de gradul de dezoxidarese obţin oţeluri necalmate, calmate sau semicalmate.

Oţelurile necalmate sunt oţeluri dezoxidate insuficientcu Mn, Si, Al, etc. La solidificare, carbonul şi oxidulferos se concentrează în topitura încă nesolidificată pânăcând depăşeşte concentraţia de echilibru, după carereacţionează unul cu altul cu formare de CO, care se degajăproducând fierberea oţelului în lingotieră. Datorită acestuifapt, un lingou de oţel necalmat constă dintr-o zonăexterioară extrem de pură şi un miez cu multe sufluri, fărăcavităţi de retasură. Ca urmare, pierderile la laminare sereduc.

Oţelurile calmate sunt complet dezoxidate cu Mn, Si, Alsau alţi dezoxidanţi. Ele solidifică liniştit, fărăpierdere, cu contracţie, ceea ce conduce la formarea decavităţi de retasură în partea superioară a lingoului. Caurmare, această parte a lingoului se îndepărtează prinşutare, obţinându-se lingouri mult mai omogene structuralşi, deci, mai superioare calitativ.

Oţelurile semicalmate sunt oţeluri dezoxidate la ungrad mai avansat decât oţelurile necalmate, dar totuşiinsuficient dezoxidate. Solidifică asemănător oţelurilornecalmate, cu degajare de gaze într-o măsură mai mică, darsuficientă pentru a împiedica formarea retasurii.

Fosforul provine din fonta utilizată la elaborare. Înstare solidă fosforul se dizolvă atât în fierul a cât şi înfierul g , fiind un element alfagen. Deoarece conţinutul defosfor din oţeluri este limitat la 0,015%, se găseşte deobicei dizolvat în ferită. O caracteristică importantă afosforului o reprezintă marea lui capacitate de segregare,zonele centrale ale grăunţilor de austenită fiind mult maisărace în fosfor decât zonele marginale. Această puternicăsegregare nu poate fi înlăturată prin răcire, prelucrareprin deformare plastică la cald sau prin tratamente termiceşi determină formarea fibrajului de deformare plastică lacald. Fosforul măreşte rezistenţa simultan cu mucşorareaproprietăţilor de plasticitate. Măreşte rezistenţa la uzare,îmbunătăţeşte prelucrabilitatea prin aşchiere, dar măreşteşi fragilitatea la rece, influenţând puternic temperatura detranziţie ductil-fragil.

Azotul este absorbit în baia metalică din atmosferă.Proporţia de azot dizolvată în fier creşte cu temperatura şivariază de la 0,01 la 0,006%, se dizolvă în ferită,determinând îmbătrânirea mecanică şi influenţând negativpunctul de curgere.

Hidrogenul formează cu fierul o soluţie solidăinterstiţială, în reţeaua de fier hidrogenul aflându-se înstare protonică. Hidrogenul influenţează negativproprietăţile materialelor metalice, în general, şi aoţelurilor, în special, provocând fragilizarea acestora,favorizând amorsarea şi propagarea fisurilor şimicrofisurilor. Deoarece în ruptură au o culoare alb-strălucitoare, aceste fisuri sunt numite fulgi.

2.2.4. Elemente de aliere în oţeluri

Elementele de aliere se pot găsi în oţelurile recoaptesub diferite forme:a – dizolvate în ferită, cu care formează o soluţie solidă;b – în combinaţie cu carbonul, cu care formează carburi sau,dizolvate în ce- mentită sau alte carburi, formând soluţiisolide pe bază de carburi;c – în combinaţii cu fierul, sau unele cu altele, formândcompuşi intermetalici;d – în combinaţie cu diferite impurităţi, sulf, oxigen,etc., cu care formează incluziuni nemetalice cu sulfuri,oxizi, etc.;e – în stare liberă, sub formă de particule dispersate înmasa de oţel.

Majoritatea elementelor de aliere (Ni, Co, Mn, V, Cr,W, Mo, Ti, Nb, Zr, Be, etc.) formează cu fierul soluţiisolide de substituţie. Unele dintre acestea, cum sunt Ni şiCo, sunt total solubile în fier până la temperaturi joase,însă altele (Va, V şi Cr) formează cu fierul, la temperaturiapropiate de temperatura de solidificare soluţii solide peîntreg intervalul de concentraţie, dar la răcire, la anumiteconcentraţii, formează compuşi. Alte elemente ca B, N, O şiH se dizolvă în fier în concentraţii foarte mici, formândsoluţii interstiţiale; peste aceste concentraţii se formeazăcompuşi.

În prezenţa carbonului se dizolvă total în ferită,formând soluţii solide, cu o parte din elementele situate întabelul lui Mendeleev la dreapta fierului (Ni, Co, Si, Cu,etc.). Aceste elemente nu formează carburi sau formeazăcarburi instabile. Spre deosebire de acestea, o parte dinelementele situate la stânga fierului (Ti, V, Cr, Mn, Zr,Nb, Mo, W, etc.) formează carburi. Datorită acestui fapt,elementele din această categorie se găsesc în oţeluriparţial sub formă de carburi, parţial dizolvate în ferită.

Majoritatea elementelor de aliere formează cu fierulcompuşi, însă pentru aceasta sunt necesare concentraţii înelement de aliere mult mai mari decât cele întâlnite curentîn oţeluri; ca urmare, practic, în oţelurile obişnuite nu seîntâlnesc compuşi intermetalici.

Influenţa elementelor de aliere asupra proprietăţiloroţelurilor este prezentată sintetic în anexă.

2.2.5. Clasificarea şi standardizarea oţelurilor carbon

Oţelurile se pot clasifica după diferite criterii: a — dupăcompoziţia chimică; b — după modul de obţinere a produselorşi semifabricatelor ; c — după clasa principală de calitate;d — după destinaţie; e — după structura obţinută larecoacere; f — după structura obţinută la normalizare.După compoziţia chimică se deosebesc oţeluri carbon şioţeluri aliate. După elementele de aliere conţinuteoţelurile aliate se împart în oţeluri nichel, oţeluri crom,oţeluri mangan, oţeluri crom-nichel, oţeluri crom-ni-chel-molibden etc.În funcţie de modul de obţinere a produselor sausemifabricatelor oţelurile se împart în oţeluri pentruturnare şi oţeluri pentru deformare.După clasa principală de calitate se disting: oţeluri de uzgeneral numite şi oţeluri de bază; oţeluri de calitate şioţeluri superioare. Oţelurile de uz general sînt oţeluricarbon produse în masă, utilizate după recoacere sau nor-malizare fără călire şi revenire, în construcţia de maşini,construcţii metalice etc. Oţelurile de calitate sînt oţeluricarbon şi aliate folosite în general după tratament termic

(călire şi revenire) sau termochimic. La aceste oţeluri segarantează atît compoziţia chimică cît şi caracteristicilemecanice corespunzătoare tratamentului termic prescrisprecum şi conţinuturi de sulf şi fosfor limitate. Oţelurilesuperioare sînt oţeluri carbon şi aliate de calitate pentrucare se garantează şi conţinutul maxim de impurităţi(incluziuni nemetalice, conţinuturile de sulf şi fosfor sublimitele admise pentru oţelurile carbon de calitate) precumşi condiţiile referitoare la structură (mărimea grăunteluiaustenitic, adîncimea de călire).După destinaţie se deosebesc: pentru construcţii care larîndul lor se subîmpart în oţeluri pentru construcţiimetalice şi oţeluri pentru construcţii mecanice (construcţiide maşini); oţeluri pentru scule, oţeluri şi aliaje pe bazăde fier cu proprietăţi fizico-chimice speciale (oţeluri cuproprietăţi termice, electrice şi magnetice deosebite,oţeluri rezistente la coroziune etc).În cazul oţelurilor carbon structura obţinută după recoacerenu diferă mult de structura obţinută după normalizare. Caurmare criteriul de clasificare a oţelurilor după structurade recoacere coincide cu criteriul de clasificare aoţelurilor după structura de normalizare. După acestcriteriu oţelurile carbon se împart în oţelurihipoeutectoide şi oţeluri hipereutectoide. În cazuloţelurilor aliate existînd diferenţe mari între structura derecoacere şi cea de normalizare criteriile de clasificare aoţelurilor după structura de recoacere şi după structura denormalizare nu mai coincid. Clasificarea oţelurilor aliatedupă structura de recoacere a fost propusă de Oberhoffer; ease bazează pe influenţa pe care o manifestă elementele dealiere asupra poziţiei punctelor critice ale diagramei fier-carbon.

Oţeluri carbon de construcţie turnate în piese. În STAS600-82 sunt prevăzute 17 mărci de astfel de oţeluri,simbolizate cu grupul de litere OT, urmat de un număr cereprezintă rezistenţa minimă la rupere exprimată în N/mm2,şi de cifrele 1, 2 sau 3, care înseamnă clasa de calitateastfel: OT 400, OT 450, OT 500, OT 550, OT 600, OT 700.

Datorită pierderilor mici prin histerezis şipermeabilităţii magnetice

mari, oţelurile cu un conţinut foarte mic de carbon suntdestinate pentru turnarea pieselor şi miezurilor pentrumotoare electrice (P+S£0,02…0,03%).

Oţelurile turnate având conţinut mic de carbon (sub0,25%) au tenacitate bună, fiind utilizate pentru turnareapieselor solicitate la şoc sau care lucrează în condiţii defricţiune (roţi de tracţiune, tăvălugi, etc.).

Oţelurile au conţinut mediu de carbon (0,25…0,55%), aufluiditatea considerabil mărită, fapt pentru care suntutilizate pentru turnarea unei game largi de piese. Pentruaceste oţeluri sulful este limitat la 0,02…0,03%, iar

conţinutul în carbon este stabilit funcţie de rezistenţamecanică impusă.

Oţelurile cu un conţinut mare de carbon (0,55…2,0%)sunt destinate turnării pieselor care lucrează în condiţiide uzură abrazivă intensă, fără solicitări puternice la şoc.

Oţeluri carbon laminate pentru construcţii, de uzgeneral. Oţelurile carbon laminate obişnuite sunt obţinuteprin laminarea lingourilor, elaborate fără pretenţii preamari, în care elementele însoţitoare se află spre limitelesuperioare admise. Caracteristicile lor mecanice răspundunei game largi de utilizare şi au preţ de curs scăzut.

Oţelurile laminate obişnuite se grupează în clase decalitate (1, 1a, 1b, 2, 3, 4), stabilite pe criteriulgaranţiilor de compoziţie chimică şi tenacitate. Produseledin clasele de calitate 3 şi 4 au structură secundară finăcare nu este obţinută prin normalizare, ci printr-o laminarecontrolată care se termină, de preferinţă, sub punctulcritic Ar3.

Simbolizarea acestor oţeluri cuprinde grupul de litereOL, care înseamnă oţel carbon de construcţii, laminatobişnuit, urmat de un grup de cifre care reprezintărezistenţa minimă la rupere prin tracţiune, în daN/mm2 şiurmate de grupa de caracteristici garantată. Aceste oţelurisunt utilizate în mod curent în construcţii metalice, lacare nu se impun condiţii de prelucrare termică, fapt pentrucare ele nu sunt indicate pentru tratamente termice sautermochimice.

Oţelurile carbon de calitate şi oţelurile carbonsuperioare sunt oţeluri carbon laminate, elaborate îngrijit,în care sunt garantate compoziţia chimică şicaracteristicile mecanice. Cantitatea de elementeînsoţitoare este mai mică decât în oţelurile carbonobişnuite. În funcţie de procentul de carbon, aceste oţeluripot fi pentru cementare (max. 0,25% C) şi pentruîmbunătăţire (0,25…0,65% C). Simbolizarea acestor oţelurieste formată din grupul de litere OLC, care înseamnă oţelcarbon laminat de calitate, urmat de un număr ce reprezintăproporţia de carbon în sutimi de procente (OLC45, OLC55,etc.). Dacă după grupul de cifre urmează litera X,simbolizarea indică mărci de oţeluri carbon superioare (încare S+P nu depăşeşte 0,035%). Mărcile şi condiţiile tehnicede livrare a acestor oţeluri sunt date în STAS 880-88.Aceste oţeluri sunt utilizate pentru fabricarea pieselorgreu solicitate în construcţia de maşini.

Oţeluri carbon laminate pentru construcţii, cudestinaţie precizată sunt oţeluri care prin combinaţiachimică şi modul de elaborare au proprietăţi care le faceindicate pentru anumite domeniide utilizare. Dintre acesteamai impotante sunt :

Oţeluri pentru automate (STAS 1350-89) sunt oţelurilaminate la cald sau trase la rece, cu secţiunea rotundă,

pătrată sau hexagonală, cu conţinut mărit de fosfor,destinate prelucrării prin aşchiere cu viteze mari pe maşiniunelte automate. Ele sunt simbolizate prin grupul de litereAUT urmat de un număr ce reprezintă conţinutul mediu decarbon în sutimi de procente (AUT9, AUT12, AUT30, etc.). Totdin această categorie fac parte oţelurile AUT40Mn şi OL6Pb.

Oţeluri pentru arcuri (STAS 795-87) au un conţinut încarbon cuprins între 0,40 şi 0,90%. Se simbolizează pringrupul de litere OLC, urmat de un număr care indicăconţinutul mediu de carbon în sutimi de procente şi litera A8arc. În standard sunt prevăzute mărcile OLC55A, OLC65A,OLC70A, OLC75A, OLC85A şi OLC90A. În afara acestora maiexistă şi oţeluri aliate.

Oţeluri pentru ţevi de uz general (STAS 8183-80)destinate fabricării ţevilor de uz generalpt construcţii şiinstalaţii. Simbolizarea lor se face cu grupul de litere OLTurmat de un număr ce reprezintă rezistenţa minimă de ruperela tracţiune (OLT55, OLT65, etc.). Dacă simbolul este urmatde litera K sau R oţelul este destinat pentru execuţia deţevi pentru cazane şi recipiente la temperaturi înalte (K)respectiv joase (R).

Oţeluri pentru cazane şi recipienţi care lucrează lapresiuni şi temperaturi ridicate (STAS 2883/3-88). Acesteoţeluri sunt simbolizate astfel: K410, K460 şi K510.

Oţeluri pentru recipiente sub presiune la temperaturijoase ( STAS 2883/2-89) sunt simbolizate cu R37, R44, R52.

Oţeluri beton pentru armarea şi precomprimareabetonului ( STAS 438/1-88, STAS 6482-88) sunt laminate lacald şi apoi trefilate la rece având profil neted sau profilperiodic. Sunt simbolizate OB37 – profil neted, PC52 şi PC60– cu profil periodic, SPB I şi SPB II – pentruprecomprimare.

Oţeluri carbon de scule sunt destinate fabricăriisculelor mici pentru deformare la rece, care lucrează lasolicitări uşoare. Au peste 0,65% C şi se simbolizează cugrupul de litere OSC urmat de un număr ce reprezintăconţinutul în carbon în zecimi.

Anexa1 – Digrama Fe – Fe3CAnexa2 - Influenţa elementelor de aliere asupraproprietăţilor oţelurilor