OTELURI CU PROPRIETĂŢI SPECIALE

Note de cursMASTER SMMA II

Semestrul I anul II de studiu

s. l. dr. Ing. P. Alexandrus. l. dr. Ing. M. Istrate

Oţeluri – Aspecte fundamentale

Majoritatea oţelurilor se bazează pe diagrama de echilibru metastabila Fe – Fe3C.Regiunea cu cel mai mare interes este în jurul reacţiei eutectoide.

γ → α + Fe3C

Oţeluri carbon eutectoide (0.8%)

Oţeluri carbon nealiate

Oţeluri carbon nealiateMicrostructurile tipice şi proprietăţile oţelurilor carbon „normalizate”.

Oţeluri călite – Perlita, Martensita

Diagrama timp – temperatură – transformare pentru oţeluri "2340" : 0.37% C, 0.7% Mn, 3.4% Ni.

Răcire lentă:1 : α formează nuclee la limita grăuntelui γ şi creşte în grăunţii γ2 : Cementita începe să se formeze: α şi C cresc împreună în grăunţi γ -per l i tă .3: 50% din γ s-a transformat.4 : Descompunerea lui γ în α şi perlita este completă

Oţeluri călite – Martensitice

Diagrama timp – temperatură – transformare pentru oţelul „2340”: 0.37% C, 0.7 Mn, 3.4% NiRăcirea rapidă (oţel călit)

1. γ este super răcit dincolo de „ cotul” de transformare cu difuzie controlată. Prea rapidă pentru ca α să formeze nuclee.

2. γ este acum sub transformare anormală, difuziunea este foarte lentă; carbonul este „blocat” în soluţii suprasaturate.

3. La temperatura Ms, γ → α energia liberă se schimbă destul de mult pentru a forţa rapid transformarea fără difuzie în structură aproape – α, dar cu atomi de carbon blocaţi – „martensitică”.

4. γ → transformarea martensitei este completă.

Formarea martensitei

Structura cubică cu feţe centrate se poate distorsiona pentru a realiza o structură centrată.

Fiecare celulă unitară centrată este legată direct de celulele „părinte” cu structura cu feţe centrate.

Orificiile interstiţiale care adăpostesc carbon dizolvat şi nitrogen sunt cu mult mai mici în structura centrală decât în structura cu feţe centrate.

Nitrogenul sau carbonul suprasaturat „blocat” prin călire distorsionează celulele unitare ale martensitei de-a lungul a trei direcţii posibile.

Rezultă tensionări interne foarte mari.

Structura martensitei

Martensita fier – carbon:- multe interfeţe- interiorul „plăcilor ” (laths) împletite sau dislocate- tensionări locale foarte variabile şi de valori mari:

în jurul fiecărui atom de C blocat între plăci între colonii de orientare diferită

Toate acestea dau o rezistenţă foarte mare la mişcarea de dislocaţiilor

Tensiunile locale de valori mari pot fi uşor „alimentate”cu energia necesară pentru extinderea crăpăturilor.

Martensitele în stare călite sunt foarte dure, dar foarte casante.

Revenirea martensitei

Efectele de revenire pe un oţel 0.5% C, 0.7% Mn călit în apă la 830 ºC.

Temperatura scăzută (< 350ºC)- carbonul precipită în „ε carbură” (Fe2C5)- tensiunile interne dispar

Temperaturi moderate (350 ºC - 500 ºC)- precipitatele de carburi se transformă în cementită

Temperaturi ridicate (>500 ºC)- cementita se precipită grosier „sferoid” (mai mare şi cu inter-spaţii mai mari)

Revenirea transformă rezistenţa în duritate (tenacitate).Compromisul selectat depinde de aplicaţie.Gama tipică pentru oţelurile „construcţii de maşini” este 250 - 450 ºC.Temperatura T mai scăzută (şi carbon mai ridicat) pentru lame de tăiere etc.Temperatura T mai ridicată (şi carbon mai scăzut) arbori, angrenaje, etc.

Tempering temperature – temperatura de revenireImpact energy- energie de impact

Elemente pentru aliere în oţeluri

Oţeluri Ni – Cr pentru „maşini grele”Doar grăuntele de Ni se rafinează, dar tinde spre grafitizarea carburilorNumai Cr formează carburi stabile, dar tinde să promoveze creşterea grăuntelui Ni,

stabilizează faza γ a structuri cu feţe centrate (FCC), Cr stabilizează faza α a structurii centrale, (BCC).

Ambele elemente:- sunt bune durificatoare a solutiei solide;- asigură rezistenţa la coroziune (în special Cr);- întârzie γ → α + Fe3CUn amestec echilibrat (2 – 3 ori la fel de mult Ni ca şi Cr ) dă oţeluri care pot fi:- călite uşor pentru a da martensită;- cu revenire pentru a trece de la rezistenţă la ductilitate;- pot fi uşor cementate (carbon difuzat 0,9% C) pe suprafaţă pentru a da

extrarezistenţă la uzură;

Compozitii tipice şi aplicaţii

0.3% C, 0.6% Mn, 3.0% Ni, 0.8% Cr, [0.65%Mo] (Mo pentru a evita fragilitatea de revenire în componentele mai mari ale compusilor)

Călite în ulei de la 830 ºC , revenite la 550 - 650 ºC.Rp02=600-800 MPa, Rm= 800-1000 Mpa A5=16-20%, KCU ~50 JPiese de tip general pentru construcţia de maşini, greu încărcate: arbore, culbutor

etc.0.12% C, 0.45% Mn, 3.3% Ni, 1% Cr

Carburat la ~850 ºC, călit în ulei de la ~ 770 ºC, revenite la 150 ºC.Rp02= 850 MPa, Rm= 900 Mpa, A5= 13%, KCU ~40 J

Varianta de călire superficială – duritate foarte crescută în miez, suprafaţă rezistentă la uzură.

Oţeluri inoxidabile

Bazate pe sistemul Fe – Cr – Ni , evident şi C.Ni stabilizează faza γ structură cu feţe centrate (puternic)Cr stabilizează faza α celulă unitară centrală (mai puţin puternică> 12% Cr asigură un strat subtire de oxid rezistent.Tipuri de baza:

austenitic 17-25% Cr, 8-20% Ni feritic martensitic duplex durificate prin precipitare: feritic sau martensitic cu adaos de Cu, Ti, Nb, Mo.

Otel inox austeniticCompoziţie tipică: 18% Cr, 8% Ni, <0.1% C. (“Tip 304”. “18/8”)γ – Ni stabilizator predomină asupra Cr stabilizator – α

Ni ajută deasemenea împotriva coroziunii şi solutiilor acide care contin Cl.Conţinutul de carbon trebuie menţinut scăzut sau în cantităţi mici sau trebuie

adăugat Ti, Nb, Mo, pentru a lega C în carburi – dacă nu, carburile de Cr se vor forma la limita grăuntelui, (în special în timpul sudării) scăzând local drastic continutul de Cr şi ducând la atacul coroziv crescut asupra limitelor grăuntelui.

„Tipul 316” este 18%Cr, 12%Ni, 2.5% Mo.Deformabil în mare măsură, ductil la temperaturi scăzute. Se poate creşte rezistenţa

(nu foarte mult) doar prin ecruisare.Rp02 ~550 MPa, A5 ~40%.

Utilizări: Industria chimică pentru cazane, conducte etc. Piese structurale generale. Lucrări decorative.

Oteluri inox martensito + feritice

Tipic feritice:13%Cr, 0.45%Mn, <0.05%C.”Tip 403”, “Otelul inox al saracului”, “otel inox”.Rp02 ~ 350 MPa, Rm ~ 500 MPa, A5 ~ 30%Ustensile domestice: linguri, furculite, chiuvete etc.

Tipic martensitice:13%Cr, 0.5% Mn, 0.3% C. “Tip 420”.Calit de la ~1000ºC, revenit la ~150 – 400ºC. Rp02 ~ 1000-1200 MPa. Rm ~

1400-1700 MPa.Scule aşchietoare, tăietoare, arcuri.

Otelurile slab aliate de mare rezistenta sunt “microaliate”

In mod obisnuit 0.1 – 0.25%, 1 – 1.7% Mn, cu foarte mici adaosuri de V,Ti,Nb.Se face laminarea la cald controlata, in faza γ pentru a ajunge la o dimensiune fina a grauntelui.La laminarea la cald exista o competitie intre:

- Ecruisare: reduce dimensiunea grauntelui;- Cresterea grauntelui prin difuzie controlata.

Nb(C,N) are o solubilitate foarte scazuta in γ - Fe, iese din solutie ca un precipitat fin la o limita grauntilor, se precipita pe masura ce temperatura de laminare scade; acestea fixeaza miscarea limitelor grauntilor.Rezultatul: graunti mici γ - Fe in timpul laminarii.Dimensiunea grauntelui rezultantei α - Fe este chiar mai fina.

Oteluri slab aliate de mare rezistentaPe langa cresterea rezistentei prin rafinarea grauntilor, otelurile microaliate sunt adesea tratate termic pentru a da o dispersie fina a precipitatelor dure.O parte din C precipita in particule foarte fine de NbC, VC etc. pe interfata γ – α pe masura ce α creste “treptat” in γ.

Proprietati tipice: Rp02: 450 – 650 Mpa,(depinde de continutul de C, N) Rm: 550 – 700 Mpa A5: 10 –20%

Nivelul de rezistenta aproximativ 2x din cel al otelului “normal” fără microaliere, dur, formabil si sudabil. De asemenea, nu cu mult mai scump decat oţelul slab echivalent.Aplicaţii: - banda, tabla pentru automobile (panouri pentru corpul masinii),.- platforme marine, nave.

Fe: 0.75%V, 0,15%C, după 5 min la 7500C

Oteluri rapide de scule “ prelucrare prin aşchiere de mare viteză”

Compozitie tipică:Fe: 18% W, 4% Cr, 1% V, 0.75%C (+ până la 6-10% Co)

Elementele substitutive de aliere modifica diagrama Fe-C. 1: “Normalitate” pana putin sub linia eutectica, formand si dizolvand cât de mult

este posibil (o parte din carburile W,V ramân). 2: Calire in baie de ulei. 3: Revenire la 500-600ºC.

Oteluri de scule rapide “prelucrare prin aşchiere de mare viteză”

Microstructura are aspect de “globule” de carburi complexe in matrice de martensita revenita cu distribuire fina a carburilor W,V si Cr.

Încalzirea locala precipita mai multe carburi de W,V sau Cr -“durificare secundara”.

Diagrama: duritate=f( temperatura de revenire)

Aplicatii: Tip 18% W, -4% Cr,-1%V: scule aşchietoare, poansoane de presare la cald, lame şi

discuri pentru ferăstraie industriale, freze, etc. +6-12%Co: sarcini mai dure ca mai sus, burghie de mare viteza, scule aşchietoare

în regim mai greu.

Oteluri bainitice de mare rezistenta

Oteluri bainitice de mare rezistentaCe este bainita?

- Ca si in cazul formarii “fara difuzie” a martensitei, celulele unitare γ – Fe cu structura cu fete centrate se transforma prin reorganizari atomiceminore in structura centrata α – Fe.

- Dar carbonul trebuie sa iasa din solutie pentru ca aceasta sa se intample.

- Ca in procesul de formare “difuza” a feritei/perlitei, excesul de carbon iese din solutie pentru a forma carburile.

- Dar carburile formate sunt divizate fin si strans spatiate in interiorul sau pe “striatiile” bainitice.

-

Oteluri bainitice: AplicatiiOtel tipic bainitic:“A533B” – Fe: 0.24%C, 1.4%Mn, 0.5%Mo, 0.5%Ni.σY: 400 – 450 MPa;UTS: 700 – 800 MPa;εF: 12 –20%KIc: >100 MPa pe raftul superiorKIc: ~40 MPa pe raftul inferiorAtentie tranzitie ductil – casanta!Utilizari: vase presurizate (de exemplu: recipient de siguranta pentru reactoarele nucleare)

Oteluri maraging martensiticeNu contin carbon (0.03% max)Durificarea se face prin intermediul precipitatelor intermetalice.“Conceptia design-ului”:

Incepeti cu Fe – 18-20%Ni- va da 100% martensita la racirea cu aer;- nu foarte dur (y ~ 700Mpa) si nu fragil – deoarece nu exista C.

Adaugati 2-3% Mo si 1% Ti- imbatranirea la 475-525ºC (in cateva ore) da Ni3Ti, Fe7Mo6.- Ti leaga de asemenea carbon residual.- scad temperaturile Ms, Mf.

Adaugati ~8%Co- scadeti solubilitatea Mo in Fe; de aici mai multi precipitate.- cresc temperaturile Ms, Mf.

Alte adaugari posibile:- V, Nb, Cu…mai multi precipitati;- Cr – rezistenta la coroziune.

Transformarea martensitica in Fe-Ni

Oteluri martensitice de tip maraging

Fe7Mo6 si Ni3Ti precipita intr-un otel martensitic imbatranit.Maraging steels=oteluri martensitice.Tempered martensite steels=oteluri martensitice calite.

Oteluri marsenitice

Aspecte pozitive

- nu necesita calire: nu apar probleme de crapare la calire- pot fi lucrate si prelucrate cu masini in stare martensitica- pot fi prelucrate calde si reci- pot nitrocarburiza in timpul tratamentului martensitic- foarte bune combinari de rezistenta si duritate: tipic σγ = 2000 MPam, tipic KIC=

100 MPam 1/2,- rezistenta mentinuta la tipic 500˚C

Pe de alta parte

- FOARTE scumpe (£20,000/tona, 1988)- foloseste Co – un metal ,,strategic’’ cu resurse limitate de furnizare si pret volatil- Co – au fost dezvoltate grade libere- Rezistenta la uzura si utilizare, si nu la fel de bune cum s-ar fi asteptat pentru σγ si

KIC.

Oteluri martensitice – aplicatii

- Aerospatiu

- carcase de motoare pentru rachete- motor de avioane jet si arbori pentru actionarea elicopterelor- angrenaje pentru aterizare- balamale pentru aripi – mobile- absorberi de soc pe Lunar Rover

- Automatizari- arbori pentru actionari- baghete de conectare- supape pentru motorSculeMatrite de extrudareActionari pentru unelte de masiniTurnare sub presiune a Al si ZnPlacute de indexCilindriArbori… etc.BM006 – Fata de oteluri martensitice

- fata de otel martensitic ofera o suprafata de lovire super-dura.

Oteluri rezistente la fluajOteluri conventionale simple C incep sa slabeasca rezistenta rapid peste ~300ºC.Nu cu mult peste ~400ºC.Otelurile din familia Cr-Mo pentru uz in gama 300-600ºC:

- 0.15% C, 1.2% Cr, 0.5% Mo;- 0.15% C, 2.5% Cr, 1% Mo;- 0.15% C, 9% Cr, 1% Mo.

Folosit in stare calit si revenit poate sa aiba pana la 0.75%V.Pentru majoritatea componentelor foarte tensionate (paletele turbinelor) folosesc:

- Oteluri martensitice (12% Cr)- Oteluri austenitice (rezistenta mai buna la fluaj)- Oteluri inox durificate prin precipitare:

de exemplu “FV 520B”, Fe: 0.05% C, 5.5% Ni, 14% Cr, 1.6% Mo, 1.5% Cu, 0.3%Nb.

“Oteluri” cu limita de temperatura superioara – “Inconels” - ~40% Ni, Cr, Co.1000hr Rupture Steels (MPa)=Oteluri rupture 1000hr(MPa) – diagrama

Folosite in mod obisnuit pentru turbinele generatoare de current etc. Componente mari, foarte tensionate, care necesita o viata lunga (peste 20 de ani). Temperaturile fluxului acum > 500ºC.

“Nimonics”Componenta cheie a microstructurii este precipitarea (Ni,Fe)3Al : γ’.Un superaliaj modern poate fi 60-85% γ’.nichelul este efectiv un “clei” care tine γ’ laolalta.

Tensiunea de curgere a γ’ creste odata cu cresterea temperaturii (pana la aproximativ 700ºC).Tensiune (MPa) – diagram

“Superaliaje cu baza Nichel”Microstructura trebuie sa fie stabila:Orice distributie precipitata fin divizata va tinde sa devina mai bruta – forta de actionare este scazuta de catre energia interfetei.γ’ este o retea aproape exacta cu matricea Ni.Energia interfetei este aproape de zero.

Adaosuri de aliaj:Ti: - trece in γ’ – Ni3(Al,Ti);

- solutia solida face γ’ mai rezistenta.Cr: - trece in matricea Ni;

- solutia solida devine mai rezistenta, rezistenta la coroziune.Co: - trece in Ni si γ’;

- rezistenta la oxidare si coroziune;- solubilitatea de Al in Ni scade si astfel creste formarea de γ’ si imbunatateste

stabilitatea la T ridicata.C: - se combina cu Cr, rezulta precipitate in Ni.Mo, W: - solutia solida creste rezistenta Ni.Ta: - solutia solida creste rezistenta γ’.B: - imbunatateste limita grauntelui si adeziunea carbura/matrice astfel incat suprima formarea cavitatii in fluaj.Hf: - <0.5%, imbunatateste ductilitatea la T crescuta (aduna impuritatile?)Y: - imbunatateste rezistenta la oxidare Re: - cea mai recenta “pulbere magica”: 3% extinde considerabil temperatura de operare (de ce?).

Superaliaje tipice bazate pe Ni115 NIMONIC: Ni, 14.5% Cr, 13.3% Co, 3.8% Ti, 5.0% Al, 3.3%Mo, 0.15% C, 0.05% Zr, 0.016% B- un aliaj maleabil primarMAR M200: Ni, 9% Cr, 10% Co, 1.5% Ti, 5.5% Al, 0.15% C, 0.05% Zr, 0.015% B, 10% W, 2.5% Ta, 1.5% Hf- aliaj turnat “standard”SRR 99: Ni, 8.5% Cr, 5% Co, 2.2% Ti, 5.5% Al, 9.5% W, 2.8% Ta.- aliaj monocristal Rolls RoyceCMSX – 4:Ni, 6.5% Cr, 9% Co, 1% Ti, 5.6% Al, 0.6% Mo, 6% W, 6.5% Ta, 3% Re, 0.1% Hf - aliaj monocristal avansatRezistenta la curgere, UTS, rezistenta la rupere, etc., mai putin decat comportamentul la fluaj si comportamentul la oboseala.