Modelarea matematică a valorilor proprietăților mecanice ale unui oțel special menținut la temperaturi scăzute

CAPITOLUL 1.

STUDIUL TEORETIC PRIVIND INFLUENŢA ELEMENTELOR DE ALIERE ASUPRA STRUCTURII ŞI OŢELURILOR ALIATE

Oţelurile aliate sunt aliaje Fe-C, care, pe lângă fier, carbon şi alte elemente însoţitoare (Si, Mn, S, P, O, N ), mai conţin şi unul sau mai multe elemente de aliere.

Pentru a înţelege cum se formează structurile în oţelurile aliate, trebuie să ţinem seama de următoarele aspecte foarte importante.

Structurile care se formează în oţelurile aliate, pot fi:

-structuri de echilibru, care formează în condiţii de echilibru sau apropiate de cele de echilibru (răciri lente, menţineri de lungă durată la temperaturi de încălzire) şi care apar în câmpurile diagramei de echilibru a sistemului, din care face parte aliajul respectiv.

-structuri de neechilibru, care se formează în condiţii de neechilibru (răciri accelerate sau rapide de la temperatura de încălzire, încălziri şi răciri repetate ) şi care, din această cauză, nu figurează în diagrama de echilibru.

Structurile de echilibru ale oţelurilor aliate ar trebui, să le găsim figurate în câmpurile diagramei Fe-C, căci şi oţelurile aliate sunt, în ultimă instanţă, tot aliaje Fe-C. Aici trebuie să ţinem seama de faptul că, elementele de aliere schimbă aspectul diagramei Fe-C, deplasând anumite linii şi puncte. Din această cauză, la aceleaşi concentraţii de carbon, în oţelurile aliate pot să apară structuri diferite, faţă de cele ce apar la un oţel carbon, cu acelaşi conţinut de carbon.

După modul cum influenţează liniile diagramei Fe-C, elementele de aliere se subîmpart în două mari clase şi anume:

- elemente feritogene (alfagene: Si, Al, W, V, Mo, Ti, etc.), care

lărgesc domeniul soluţiei solide α, prin deplasarea spre temperaturi ridicate a liniei A3, (GOS) şi coborârea liniei A4 .

- elemente austenitogene (gamagene: Mn, Ni, Pt, etc.), care lărgesc domeniul soluţiei solide γ, prin coborârea punctului critic A3 (GOS) şi ridicarea punctului critic A4 .

În legătură cu structurile de neechilibru ale oţelurilor aliate, trebuiesc făcute de asemenea unele precizări. În primul rând, trebuie făcută precizarea că, aproape toate oţelurile aliate se supun tratamentelor termice, pentru desăvârşirea ameliorării proprietăţilor într-o anumită direcţie. Pentru ridicarea elasticităţii, necesare arcurilor, oţelurile pentru arcuri se aliază cu siliciu, care are proprietatea de a ridica limita de elasticitate. Rezultatele favorabile, obţinute prin alierea cu siliciu, pe linia ridicării elasticităţii, trebuiesc însă susţinute, în continuare, prin aplicarea unui tratament termic adecvat, care să conducă şi la obţinerea structurii de neechilibru cu elasticitate maximă. Această structură, în cazul oţelurilor de arcuri, va fi trostita de revenire, o structură de neechilibru, obţinută printr-o călire urmată de revenire medie.

După domeniul de utilizare al lor, ele pot fi:

- oţeluri de construcţie: destinate executării de piese în construcţia de maşini sau executării de construcţii metalice- poduri metalice, turnuri metalice, ferme metalice, etc.

- oţeluri de scule: destinate confecţionării sculelor

- oţeluri cu proprietăţi fizico- chimice speciale.

În funcţie de elementul sau elementele, cu care s-a făcut alierea, oţelurile aliate sunt cunoscute sub denumirea de: oţeluri mangan (aliate cu mangan), oţeluri siliciu, oţeluri crom, oţeluri crom- nichel, etc.

În cele de mai jos vor fi prezentate categoriile mai importante de oţeluri aliate. Se va explica apariţia structurilor respective cu ajutorul diagramei Fe- C, modificate de elementele de aliere, diagrama Guillet şi diagramelor TTT şi CCT şi să se facă legătura între structurile obţinute şi proprietăţile oţelurilor respective.

După numărul elementelor pe care le conţin, oţelurile aliate pot fi:

- oţeluri aliate ternare (aliaje Fe – C- elementele de aliere )

- oţeluri aliate polinare, care conţin mai multe elemente de aliere.

a) Oţelurile siliciu

Siliciul ca şi manganul, poate juca în oţel rolul de element însoţitor (în cazul în care se află sub 1%Si) sau de element de aliere (în cazul în care se află în cantităţi mai mari de 1%Si). Pentru analiza structurii oţelurilor aliate cu siliciu, ne vom folosi de diagrama Guillet a oţelurilor siliciu (fig.1.1) .La conţinuturi scăzute de siliciu, structura obţinută în urma normalizării este formată din ferită şi perlită. Aceasta este structura oţelurilor slab aliate cu siliciu, care se utilizează ca oţeluri de construcţie, servind pentru executarea arcurilor (fig.1.2)

Fig1.1 Diagrama structurală Fig.1.2 Structura oţelurilor

a oţelurilor siliciu. siliciu.

În cazul oţelurilor cu conţinut mediu de carbon, siliciul nu influenţează viteza critică de răcire, iar curba de transformare izotermă are aproape aceeaşi poziţie, indiferent de conţinutul de siliciu.

La oţelurile cu conţinut de carbon mai mare, siliciul întâi micşorează viteza critică de răcire (1.2%Si) şi apoi o măreşte din nou (2.5%Si), ceea ce îngreunează călirea. Siliciul măreşte şi durata necesară transformării izoterme a austenitei. Acest lucru se manifestă negativ asupra călirii izoterme.

Călibilitatea oţelului siliciu creşte odată cu mărirea conţinutului de siliciu, dar se măreşte tendinţa de decarburare şi de creştere a grăunţilor, iar conductibilitatea termică scade.

Spre deosebire de alte elemente, silicul are tendinţa de grafitizare în cazul încălzirii la temperaturi înalte sau menţineri îndelungate la aceste temperaturi. Acest lucru se manifestă la oţeluri cu conţinut mare de carbon şi de siliciu.

Siliciul măreşte, în aceste oţeluri, duritatea, rezistenţa la rupere şi mai ales limita de elasticitate. Pentru a se obţine însă o elasticitate optimă, oţelurile pentru arcuri se supun tratamentului termic de călire + revenire medie,care duce la obţinerea trostitei de revenire, structură cu limita de elasticiate optimă. La conţinuturi ridicate de siliciu, datorită efectului de lărgire a domeniului α de către siliciu se obţine o structură feritică, la temperatura ordinară. Oţelurile cu conţinut ridicat de siliciu se utilizează ca oţeluri cu proprietăţi fizico- chimice speciale, respectiv ca oţeluri pentru executarea tolelor pentru miezurile de transformare.