Oțeluri structurale aliate
Cuprins
Oțelurile structurale din aliaje sunt oțeluri destinate componentelor mașinilor și echipamentelor care funcționează în condiții considerate tipice pentru mecanica structurală, adică la temperaturi cuprinse între aproximativ –40 °C și 300 °C și în medii care nu sunt deosebit de agresive din punct de vedere chimic. În practică, aceasta înseamnă că, în cazul în care predomină sarcinile mecanice, iar mediul nu necesită rezistență la coroziune sau rezistență la căldură, criteriul de selecție de bază este un set de proprietăți mecanice, mai degrabă decât proprietăți „speciale”.
Parametrul cel mai frecvent solicitat nu este „rezistența la tracțiune” în sine, ci rezistența la curgere ridicată, deoarece aceasta determină dacă componenta va începe să se deformeze permanent sub sarcina de lucru. În același timp, elementele structurale funcționează rareori în condiții perfect statice – în realitate, apar sarcini variabile, impacturi și vibrații, motiv pentru care rezistența la oboseală și rezistența la rupere fragilă sunt foarte importante. În acest context, un concept important este temperatura de tranziție ductil-fragil (Tpk), deoarece la temperaturi scăzute, oțelul se poate comporta mult mai fragil, iar atunci chiar și concentrațiile locale de tensiune (de exemplu, crestături, tranziții ale secțiunii transversale, defecte de suprafață) devin periculoase. Dacă o componentă trebuie să funcționeze în condiții de frecare și contacte de alunecare sau rulare, este necesară o duritate și o rezistență la uzură ridicate, obținute de obicei prin producerea unui strat de suprafață dur, menținând în același timp un miez ductil.
Aici putem vedea de ce oțelurile aliate sunt atât de des preferate în locul oțelurilor carbon. Oțelul carbon poate atinge o duritate ridicată după călire, dar principala sa limitare este duritatea redusă, ceea ce înseamnă că, în cazul secțiunilor transversale mai mari (materialul specifică o limită de aproximativ 25 mm), nu se poate obține o stare uniformă de călire pe toată secțiunea transversală. Ca urmare, după temperarea ulterioară, componenta are proprietăți diferite la suprafață și în miez, ceea ce este deosebit de dezavantajos în structurile solicitate dinamic. Oțelul aliat, datorită aditivilor, permite o reacție mai „previzibilă” și uniformă a materialului pe întreaga secțiune transversală a componentei.
De ce funcționează aliajul
În cazul oțelurilor structurale, aliajul este un instrument care modifică în primul rând cinetica transformărilor austenitei și influențează astfel structura obținută după răcire. Cel mai important efect practic este creșterea durității, adică capacitatea oțelului de a forma structuri de călire (martensitice sau bainitice) nu numai la suprafață, ci și în profunzimea materialului. În practică, acest lucru are două efecte cheie. În primul rând, permite călire componentelor mai mari în medii de răcire mai blânde (de exemplu, în ulei în loc de apă), ceea ce reduce riscul de fisuri și limitează deformarea. În al doilea rând, permite călire completă după călire și revenire, adică un set de proprietăți ale miezului și suprafeței care este consistent pe toată secțiunea transversală.
Al doilea mecanism important este efectul aditivilor asupra fragmentării componentelor structurale și asupra comportamentului oțelului în timpul temperării. O structură mai fină după transformarea austenitei supra-răcite înseamnă, de obicei, o rezistență mai mare, menținând în același timp o rezistență mai bună la rupere. În același timp, mulți aditivi de aliere fac ca oțelul să își „păstreze” proprietățile benefice în timpul temperării și să nu le piardă atât de ușor, deoarece procesele de înmuiere sunt întârziate sau necesită o temperatură mai ridicată. Acest lucru este important deoarece în proiectarea mașinilor nu este vorba despre duritate maximă, ci despre un compromis durabil: rezistență ridicată la curgere + rezistență la impact + stabilitate a proprietăților.
Din acest motiv, oțelurile aliate sunt foarte des utilizate în stare tratată termic. Compoziția chimică singură rareori „face treaba”. Pentru ca oțelul să funcționeze ca un material structural extrem de fiabil, în practică, se proiectează întregul pachet: selecția oțelului + selecția procesului (normalizare, tratament termic, carburare, nitrurare, călire superficială) + selecția parametrilor de răcire și temperare. Abia atunci aliajul devine un adevărat „control al structurii” și nu doar adăugarea de elemente la analiza chimică.
Oțeluri slab aliate cu rezistență crescută
Oțelurile slab aliate cu rezistență crescută, care sunt adesea utilizate în stare normalizată, ocupă un loc important printre oțelurile aliate structurale. Specificitatea lor constă în faptul că trebuie să combine rezistența la curgere crescută (materialul indică un interval de aproximativ 300-460 MPa) cu sudabilitatea practică. Pentru a menține sudabilitatea, conținutul de carbon este limitat – materialul specifică faptul că acesta nu depășește aproximativ 0,22%. Acest lucru este foarte important: în acest grup, scopul nu este de a crește proprietățile prin „creșterea conținutului de carbon”, ci prin controlul structurii și utilizarea aditivilor de aliere moderați.
În stare normalizată, există două „modele” de microstructură. Primul este oțelurile perlitice cu o structură ferritic-perlitică, în care elementele de aliere sunt prezente în soluția solidă din ferită sau fac parte din carburi din perlit. Creșterea rezistenței în comparație cu oțelurile carbon cu conținut similar de carbon se datorează faptului că aditivii întăresc ferita, favorizează o proporție mai mare de componente mai dure și susțin rafinarea granulelor. Aditivii tipici din acest grup sunt în principal manganul, cupru, siliciul și aluminiul, iar în unele varietăți și vanadiul și niobiul; sunt indicate și intervalele tipice, inclusiv manganul în intervalul 1,0–1,8% și siliciul în intervalul 0,20–0,60%.
Al doilea model este cel al oțelurilor bainitice, care, în stare normalizată, obțin o structură bainitică datorită unui set de aditivi care întârzie transformările de difuzie și favorizează formarea bainitei în timpul răcirii. Materialul menționează că acest grup poate conține cantități mici de aditivi precum molibden și bor, precum și aditivi care afectează cinetica transformărilor, precum mangan și crom, ceea ce permite obținerea unor niveluri de rezistență foarte ridicate chiar și atunci când sunt răcite în aer (materialul oferă o gamă de 1100-1200 MPa). Acest lucru demonstrează logica acestei familii de materiale: sudabilitatea este menținută datorită conținutului redus de carbon, iar „rezistența” este asigurată de structura obținută prin normalizare, susținută de o aliere adecvată.
Oțeluri pentru carburare și călire superficială
Oțelurile pentru carburare sunt selectate în principal pe baza faptului că componenta trebuie să aibă un strat superficial foarte dur, în timp ce miezul trebuie să păstreze ductilitatea și rezistența la fisurare. Prin urmare, acestea sunt oțeluri cu un conținut redus de carbon în miez; materialul se situează de obicei în intervalul aproximativ 0,14-0,25% C. Raționamentul tehnologic este simplu: miezul rămâne „moale” (mai puțin fragil), iar duritatea ridicată apare numai în zona de suprafață, unde carbonul a fost introdus în timpul procesului de carburare, iar acest strat este apoi întărit.
Este posibilă carburarea oțelurilor carbon, dar materialul subliniază că această soluție are sens în principal pentru componente mici cu secțiuni transversale mici sau în cazul în care rezistența la abraziune este importantă, dar nu este necesară o rezistență ridicată a miezului. În cazul secțiunilor transversale mai mari, oțelul carbon poate oferi o suprafață dură, dar miezul nu atinge rezistența dorită, deoarece componenta nu se întărește în secțiunea transversală. În plus, pentru a asigura duritatea stratului din oțel carbon, este adesea necesară o răcire mai rapidă, ceea ce crește deformarea și riscul de fisuri.
Prin urmare, în practică, oțelurile aliate pentru carburare domină, deoarece aditivii aliați oferă o duritate mai mare și permit obținerea de proprietăți favorabile nu numai ale stratului, ci și ale miezului, adesea atunci când sunt călite în ulei. Materialul atrage atenția asupra unei limite importante: aliajul excesiv, în special într-un strat cu un conținut crescut de carbon, poate favoriza formarea unei cantități mai mari de austenită reziduală, care, la rândul său, poate reduce duritatea stratului carburat. Aceasta este o concluzie practică importantă, deoarece arată că carburarea nu înseamnă maximizarea aditivilor, ci selectarea optimă a acestora.
Articolul subliniază rolul cromului, care este prezent în aproape toate oțelurile pentru carburare, de obicei în cantități de 1-2%, deoarece crește eficient capacitatea de călire și facilitează formarea unui strat dur în timpul răcirii cu ulei. Îmbunătățirea suplimentară a durității și a proprietăților miezului se obține prin adăugarea de nichel, motiv pentru care componentele importante sunt adesea fabricate din oțeluri crom-nichel. În același timp, se subliniază faptul că nichelul este un component rar, astfel încât utilizarea sa este justificată mai degrabă de cerințele operaționale decât de „obicei”. În practică, se utilizează și soluții de mangan, dar atunci este necesar să se controleze fenomenele adverse (de exemplu, în ceea ce privește granulația) și se utilizează aditivi precum molibden sau titan ca adjuvanți pentru îmbunătățirea proprietăților și promovarea fragmentării.
Oțelurile pentru călire superficială sunt selectate folosind o logică similară, unde scopul este de a obține o suprafață dură cu un miez puternic. Materialul indică adesea un conținut de carbon cuprins între 0,4-0,6% pentru oțelurile utilizate pentru acest tip de tratament, iar în cazul cerințelor mai ridicate pentru proprietățile miezului (în special în secțiuni transversale mai mari), practica este de a efectua mai întâi tratamentul termic al întregului element și abia apoi călire superficială.
Oțeluri pentru tratament termic și grupuri specializate
Oțelurile pentru tratament termic sunt concepute pentru a obține un compromis foarte favorabil după călire și revenire la temperatură ridicată: rezistență ridicată și limită de curgere, menținând în același timp ductilitatea și rezistența la impact.
Tratamentul termic (călire + revenire la temperatură ridicată) conduce la formarea structurilor sorbite și reprezintă metoda de bază pentru obținerea unor proprietăți ridicate în componentele mașinilor. Materialul precizează că temperaturile tipice de revenire sunt cuprinse între aproximativ 500–700 °C, iar nivelurile de proprietăți pot atinge Rm 750–1500 MPa și Re 550–1350 MPa. De asemenea, este esențial faptul că oțelul aliat permite atingerea acestei stări pe toată suprafața cu secțiuni transversale mai mari, în timp ce oțelurile carbon sunt de obicei suficiente în principal pentru secțiuni transversale de până la aproximativ 20–25 mm.
În acest grup de parametri de proces, selecția nu se face „la întâmplare”, deoarece temperarea este un compromis: o temperatură mai ridicată îmbunătățește de obicei plasticitatea în detrimentul rezistenței, în timp ce o temperatură mai scăzută conferă o rezistență mai mare în detrimentul unei sensibilități mai mari la fisurare. Materialul evidențiază, de asemenea, fenomenul de fragilitate la temperare, care se manifestă prin scăderea rezistenței la impact în anumite intervale de temperatură. S-a identificat o scădere caracteristică în jurul valorii de 300 °C și o a doua scădere peste 500 °C, caz în care, în cea de-a doua situație, este important din punct de vedere practic ca viteza de răcire după temperare să fie semnificativă: răcirea accelerată (de exemplu, în apă sau ulei) poate reduce efectul advers în comparație cu răcirea lentă. Acest lucru arată că „temperatura de călire” nu este singura variabilă – modul în care se realizează procesul este, de asemenea, important.
În ceea ce privește aliajele din oțeluri pentru tratament termic, materialul subliniază rolul aditivilor precum cromul (crește duritatea și afectează comportamentul de temperare), molibdenul (ajută la reducerea unor efecte adverse, inclusiv tendința de a tempera fragilitatea, și crește duritatea) și nichelul, care este deosebit de valoros deoarece crește duritatea și îmbunătățește proprietățile plastice și, în plus, scade temperatura de tranziție ductil-fragil, ceea ce este important atunci când se lucrează la temperaturi reduse.
Materialul indică faptul că oțelurile crom-nichel sunt printre cele mai bune din această grupă, deși necesită controlul fenomenelor legate de călire, de unde și practica de a adăuga molibden și, uneori, și vanadiu.
În afară de oțelurile pentru întărire, există grupuri de oțeluri aliate structurale cu o funcție destul de clar definită. Oțelurile pentru nitrurare sunt selectate pentru a produce un strat dur de nitruri; prin urmare, se utilizează aditivi precum aluminiu, crom și molibden, iar procesul este precedat de obicei de un tratament termic, temperatura de călire trebuind să fie mai mare decât temperatura de nitrurare, astfel încât miezul să nu-și schimbe structura în timpul nitrurării propriu-zise. Oțelurile pentru arcuri sunt proiectate pentru o limită elastică ridicată și o durată de viață la oboseală; materialul subliniază rolul siliciului și importanța calității suprafeței (oxidarea și decarburarea afectează grav durata de viață la oboseală), iar prelucrarea tipică include călire și revenire pentru a menține o rezistență ridicată. Oțelurile pentru rulmenți trebuie să ofere o duritate foarte ridicată și rezistență la abraziune și presiuni de contact, iar materialul se referă la oțelul tipic cu conținut ridicat de carbon și crom și la prelucrarea tipică: călire în ulei și temperare la aproximativ 180 °C pentru a obține structuri cu granulație fină și carburi fine.
Materialul indică, de asemenea, soluții mai specializate, dar totuși în domeniul „structural” în sens larg. Oțelurile maraging (aliaje de fier cu nichel) formează martensită ductilă după întărire și ating o rezistență ridicată numai după îmbătrânire, când apar precipitate intermetalice; aceasta este calea către proprietăți excepționale, cu prețul unui cost ridicat. La rândul său, tratamentul termic și plastic combină deformarea plastică a austenitei cu întărirea, astfel încât martensita „moștenește” o structură de dislocare și fragmentare mai densă, ceea ce duce la o creștere semnificativă a rezistenței (materialul afirmă că aceasta crește cu câteva până la câteva zeci de procente), dar îngreunează prelucrarea ulterioară.
Oțeluri structurale aliate – rezumat
Oțelurile structurale aliate sunt utilizate atunci când este necesar să se obțină anumite proprietăți mecanice repetabile în condiții normale de funcționare și, în același timp, să se mențină siguranța componentei sub sarcini variabile. Avantajul lor față de oțelurile carbon se datorează în principal tăcerii mai mari, care permite tratarea termică și modelarea proprietăților pe secțiuni transversale mai mari, adesea cu o răcire mai ușoară și, prin urmare, cu un risc mai mic de fisuri și deformări. În practică, selectarea oțelului structural aliat înseamnă selectarea întregului sistem: compoziție + tip de tratament termic (normalizare, rafinare, carburare, nitrurare, călire superficială) + parametrii procesului, deoarece numai acest set determină microstructura, iar microstructura determină proprietățile.
În cadrul acestui grup, se remarcă următoarele: oțeluri normalizate slab aliate (unde sudabilitatea și limita de curgere sunt esențiale), oțeluri pentru carburare și călire superficială (unde un strat dur și un miez ductil sunt importante, cu controlul fenomenelor precum austenita reziduală), oțeluri pentru tratament termic (unde compromisul între proprietăți și selecția conștientă a căldurii de revenire, inclusiv luarea în considerare a fragilității de revenire, este esențial) și grupuri specializate, cum ar fi oțeluri pentru nitrurare, oțeluri pentru arcuri și rulmenți.
