Compoziţie |
Carbon de fier |
---|---|
Culoare | Gri |
Data descoperirii | 1865 |
Modulul lui Young | 210 gigapascali |
---|
Un oțel este din metal aliaj constând în principal din fier și carbon (în proporții cuprinse între 0,02% și 2% din masa de carbon).
În esență, conținutul de carbon este cel care conferă aliajului proprietățile oțelului. Există și alte aliaje pe bază de fier care nu sunt oțeluri, cum ar fi fontele și feroaliaje .
Oțelul este conceput pentru a rezista la solicitări mecanice sau chimice sau la o combinație a ambelor.
Pentru a rezista acestor solicitări, elementele chimice pot fi adăugate la compoziția sa în plus față de carbon. Aceste elemente se numesc elemente de adiție, principalele sunt mangan (Mn), crom (Cr), nichel (Ni), molibden (Mo).
Elementele chimice prezente în oțel pot fi clasificate în trei categorii:
Conținutul de carbon are o influență considerabilă (și destul de complexă) asupra proprietăților oțelului: sub 0,008%, aliajul este destul de maleabil și vorbim de „fier”; peste 2,1%, intrăm în domeniul eutecticii fierului / carburii de fier sau al fierului / grafitului, care modifică profund punctul de topire și proprietățile mecanice ale aliajului și vorbim de fontă .
Între aceste două valori, creșterea conținutului de carbon tinde să îmbunătățească duritatea aliajului și să reducă alungirea acestuia la rupere; vorbim de oțeluri „moi, semi-moi, semi-dure, dure sau extra-dure” conform „clasificării tradiționale”.
Duritate | Conținut de carbon (%) |
---|---|
Oțel extra moale | <0,15 |
Oțel moale | 0,15 - 0,25 |
Oțel semi-ușor | 0,25 - 0,40 |
Oțel semidur | 0,40 - 0,60 |
Oțel dur | 0,60 - 0,70 |
Oțel extra dur | > 0,70 |
În manualele oarecum vechi despre metalurgie, se poate găsi ca definiție a oțelului un aliaj fier-carbon în care carbonul variază de la 0,2 la 1,7%; limita de curent a fost stabilită din diagrama binară fier / carbon. Cu toate acestea, există oțeluri cu concentrații de carbon peste aceste limite (oțeluri ledeburitice), obținute prin sinterizare .
Proprietățile oțelurilor sunt modificate și prin adăugarea altor elemente, în principal metalice, și vorbim de oțeluri "aliate". Caracteristicile lor pot fi îmbunătățite în continuare prin tratamente termice (în special stingerea sau cimentarea ) luând pe suprafață sau în centrul materialului; vorbim apoi de oțeluri „tratate”.
Pe lângă aceste diferite potențialități și în comparație cu alte aliaje metalice, interesul major al oțelurilor rezidă, pe de o parte, în acumularea unor valori ridicate în proprietățile mecanice fundamentale:
Pe de altă parte, costul lor de producție rămâne relativ moderat, deoarece minereul de fier este abundent pe pământ (aproximativ 5% din scoarță) și reducerea acestuia destul de simplă (prin adăugarea de carbon la temperatură ridicată). În cele din urmă, oțelurile sunt practic complet reciclabile datorită sectorului de fier vechi.
Cu toate acestea, pot fi recunoscute ca având unele dezavantaje, în special rezistența lor slabă la coroziune, care poate fi totuși remediată fie prin diferite tratamente de suprafață ( vopsire , lustruire , zincare , zincare la cald etc.), fie prin utilizarea grade.din așa-numitul oțel „ inoxidabil ”. În plus, oțelurile sunt greu de modelat și, prin urmare, nu sunt recomandate pentru părți mari de forme complexe (cadre de mașini, de exemplu). Preferăm apoi fonturile . În cele din urmă, atunci când densitatea lor mare este penalizatoare (în sectorul aeronautic, de exemplu), apelăm la materiale mai ușoare ( aliaje pe bază de aluminiu , titan , compozite etc.), care au dezavantajul de a fi mai scumpe.
Când prețul este un criteriu important de alegere, oțelurile rămân preferate în aproape toate domeniile de aplicare tehnică: echipamente publice (poduri și drumuri, semnalizare), industria chimică, petrochimică, farmaceutică și nucleară (echipamente sub presiune, echipamente supuse acțiunii flăcării, capacități de stocare , diverse containere), industria alimentară (ambalare și depozitare), construcții (fitinguri, rame, fierărie, hardware), industrie mecanică și termică (motoare, turbine, compresoare), auto (caroserie, echipamente), căi ferate, aeronautică și aerospațială, construcții navale , medicale (instrumente, dispozitive și proteze), componente mecanice (șuruburi, arcuri, cabluri, rulmenți, roți dințate), unelte de lovitură (ciocane, dalte, matrițe) și unelte de tăiat (freze, burghie, suport pentru insert), mobilier, design și uz casnic aparate etc.
Epoca fierului se caracterizează prin adaptarea furnalului la reducerea fierului. Acest furnal produce o lupă , un amestec eterogen de fier, oțel și zgură , dintre care trebuie selectate cele mai bune bucăți, apoi crăpate pentru a alunga zgura.
Prin împingerea vântului, combustia este ventilată și se atinge temperatura de topire a metalului. Metalul este extras prin golirea creuzetului : aceasta este producția în furnal . Se obține apoi fonta, fierul lichid preluând carbon la contactul cu cărbunele . De fapt, în creuzetul furnalului au loc două fenomene complementare: fierul devine încărcat cu carbon atunci când intră în contact cu cărbunele, ceea ce îi scade punctul de topire. Apoi, acest metal topit continuă să fie îmbogățit în carbon, prin dizolvarea cărbunelui. Primele piese au fost făcute de chinezi în perioada Statelor Războinice (între -453 și -221). Știu, de asemenea, să ardă carbonul fontei, făcându-l să reacționeze cu aerul, pentru a obține oțel. Acesta este procesul indirect, deoarece producția de oțel are loc după obținerea fontei. În Europa și Asia, în timpul Antichității, oțelul a fost produs și prin realimentarea fierului cu gaze de ardere și cărbune ( oțel de carburare ).
Réaumur , efectuând un număr mare de experimente și publicând rezultatele observațiilor sale în 1722, a fondat industria siderurgică modernă: a fost primul care a teorizat că oțelul este o stare intermediară între fonta și fierul pur, dar cunoașterea timpului nu permite ca acesta să fie precis din punct de vedere științific. Abia în 1786 metalurgia a devenit științifică: în acel an, trei oameni de știință francezi de la școala Lavoisier, Berthollet , Monge și Vandermonde au prezentat Academiei Regale de Științe un Mémoire sur le fer în care au definit cele trei tipuri de produse feroase: fier , fontă și oțel. Oțelul este apoi obținut din fier, el însuși produs prin rafinarea fontei din furnal. Oțelul este mai tenace decât fierul și mai puțin fragil decât fonta, dar fiecare transformare intermediară pentru a-l obține își mărește costul.
Revoluția industrială apare datorită dezvoltării unor noi metode de fabricație și transformarea fontă în oțel. În 1856, procesul Bessemer a reușit să producă oțel direct din fontă. Îmbunătățirea sa de către Thomas și Gilchrist permite generalizarea sa. Aceste descoperiri duc la producția în masă de oțel de calitate (pentru vremea respectivă). În cele din urmă, spre a doua jumătate a XIX - lea secol, Dmitri Cernov a descoperit transformări polimorfe de oțel și stabilește binare diagrama de fier / carbon, care trece metalurgia ambarcațiunilor de stat decât știință.
Există mai multe tipuri de oțeluri în funcție de procentul de masă de carbon pe care îl conțin:
Limita de 2,11% corespunde zonei de influență a eutecticului ( ledeburita ); există, totuși, unele oțeluri ledeburitice.
Structura cristalină a oțelurilor la echilibru termodinamic depinde de concentrația acestora (în principal carbon, dar și alte elemente de aliere) și de temperatură. Se poate avea și structuri în afara echilibrului (de exemplu, în cazul unei stingeri ).
Structura fierului pur depinde de temperatură:
Structura fierului + carbonului evoluează într-un mod mai complex în funcție de temperatură și conținutul de carbon. Regulile diferă în funcție de faptul dacă unul se află în afara „zonei de influență” a eutectoidului (între 0% și 0,022%), între 0,022% și 0,77% (hipoeutectoid) sau între 0,77% și 2, 11% (hipereutectoid; dincolo de acesta , este din fontă). Vezi studiul diagramei fier-carbon.
Într-un mod simplificat, pentru un carbon între 0,022% și 2,11%:
Oțelurile nealiate (carbon) pot conține până la 2,11% în masă de carbon. Unele oțeluri aliate pot conține mai mult carbon adăugând așa-numitele elemente „gammagenice”.
Diferitele microstructuri ale oțelului sunt:
Carbonul este de o importanță capitală, deoarece acesta este cel care, asociat cu fierul, dă aliajului denumirea de oțel. Influența sa asupra proprietăților mecanice ale oțelului este preponderentă. De exemplu, în ceea ce privește îmbunătățirea proprietății de duritate, adăugarea de carbon este de treizeci de ori mai eficientă decât adăugarea de mangan.
Aluminiu : excelent dezoxidant. Combinat cu oxigen, reduce creșterea granulelor în faza austenitică. Dincolo de un anumit prag, poate face oțelul nepotrivit pentru zincarea la cald.
Crom : este elementul de adaos care conferă oțelului proprietatea de rezistență mecanică la cald și la oxidare (oțeluri refractare). De asemenea, joacă un rol decisiv în rezistența la coroziune atunci când este prezent la un conținut mai mare de 12-13% (în funcție de conținutul de carbon). Adăugat de la 0,5% la 9%, crește întărirea și conservarea proprietăților mecanice la temperaturi peste temperatura ambientală (familia oțelurilor aliate cu crom). Are un rol alfa.
Cobalt : utilizat în multe aliaje magnetice. Provoacă rezistență la înmuiere la temperare.
Mangan : formează sulfuri care îmbunătățesc prelucrarea. Crește moderat întărirea.
Molibden : crește temperatura de supraîncălzire, rezistența la temperaturi ridicate și rezistența la fluaj. Crește durabilitatea.
Nichel : produce oțeluri cu conținut ridicat de crom austenitic (rol gammagenic). Folosit pentru producerea oțelurilor cu durabilitate moderată sau ridicată (în funcție de celelalte elemente prezente), temperatură de austenitizare scăzută și rezistență ridicată după călire. Este elementul din aliaj prin excelență pentru producția de oțeluri ductile la temperaturi scăzute (9% oțel Ni pentru construcția rezervoarelor criogenice, 36% oțel Ni denumit „ Invar ” pentru construcția cisterne GNL. Și instrumente de măsurare de precizie).
Niobiu : același avantaj ca titanul, dar mult mai puțin volatil. Prin urmare, în domeniul sudării îl înlocuiește în metale de umplutură.
Fosfor : crește foarte mult întărirea. Crește rezistența la coroziune. Poate contribui la fragilitatea veniturilor.
Siliciul : promovează orientarea cristalină necesară fabricării unui oțel magnetic, crește rezistivitatea electrică. Îmbunătățește rezistența la oxidare a anumitor oțeluri refractare. Folosit ca element dezoxidant.
Titan : putere carburogenică ridicată (cum ar fi niobiul) și, prin urmare, reduce duritatea martensitei. Captează carbonul în soluție la temperatură ridicată și, prin urmare, reduce riscul de coroziune intergranulară a oțelurilor inoxidabile (TiC se formează înainte de Cr 23 C 6 și, prin urmare, evită epuizarea cromului la limita granulelor).
Tungsten : îmbunătățește duritatea la temperaturi ridicate a oțelurilor temperate. Funcții substanțial identice cu cele ale molibdenului.
Vanadiu : crește întărirea. Creșteți temperatura de supraîncălzire. Provoacă rezistență la înmuiere prin călire (efect de întărire secundar marcat).
La răcirea unui lingou, oțelul se solidifică în stare austenitică. În timpul răcirii, la 727 ° C , austenita se descompune, fie în ferită + perlit , fie în perlit + cementită . Viteza de răcire, precum și elementele de aliere au o importanță majoră asupra structurii obținute și, prin urmare, asupra proprietăților oțelului. Într-adevăr :
În general:
Anumite elemente chimice pot „prinde” carbonul pentru a forma carburi (de exemplu titan sau aluminiu). Acestea previn astfel formarea cementitei.
Structura oțelului poate fi modificată prin tratamente termomecanice :
Metalurgia pulberilor constă în compactarea pulberii de oțel și încălzire sub temperatura de topire, dar suficient , astfel încât granulele sunt „sudate“ ( sinterizare ). Acest lucru face posibilă controlul structurii oțelului și a stării suprafeței acestuia (în special fără contracție sau contracție ), dar introduce porozitate .
Există oțeluri slab aliate, cu conținut scăzut de carbon și dimpotrivă oțeluri care conțin o mulțime de elemente de aliere (de exemplu, un oțel inoxidabil tipic conține 8% nichel și 18% crom în masă).
Fiecare țară are propria sa metodă de desemnare a oțelurilor. Diagrama opusă arată denumirea europeană conform standardelor EN 10027-1 și -2. Acest standard distinge patru categorii:
Sunt destinate construcțiilor sudate, prelucrării, îndoirii etc. Distingem:
Desemnarea acestor oțeluri include litera care indică tipul de utilizare, urmată de valoarea limitei minime de elasticitate ( R e ) exprimată în megapascali (MPa). Rețineți că aceasta este valoarea mică a grosimii, rezistența scăzând odată cu grosimea.
Dacă este oțel turnat, denumirea este precedată de litera G. Desemnarea poate fi completată de indicații suplimentare (puritate, aplicație dedicată etc. ).
Exemple:
Conținutul de mangan este mai mic de 1% și niciun element de adăugare nu depășește 5% din masă. Compoziția lor este mai precisă și mai pură și corespunde utilizărilor definite în prealabil.
Aplicațiile lor obișnuite sunt burghiele ( burghiele ), arcurile , arborii de antrenare , matrițele ( matrițele ) etc.
Denumirea lor include litera C urmată de conținutul de carbon înmulțit cu 100. Dacă este oțel turnat, denumirea este precedată de litera G.
Exemple:
Conținutul de mangan este mai mare de 1% și niciun element de adăugare nu trebuie să depășească 5% din masă. Sunt utilizate pentru aplicații care necesită o rezistență ridicată.
Exemple de desemnare standard:
Cel puțin un element de adaos depășește 5% din masă, destinate unor utilizări foarte specifice, sunt oteluri de scule, materiale refractare, maraging (rezistență foarte mare, utilizat în aeronautică și pentru fabricarea carene subacvatice. -Marines), Hadfields (uzura foarte mare rezistență), Invar ( coeficient scăzut de expansiune ).
Un exemplu de denumire standard este „X2CrNi18-9” (acesta este oțel inoxidabil ).
Oțelurile speciale de mare viteză (ARS sau oțelurile de mare viteză , HSS) fac parte din această familie.
Otel inoxidabilAceste oțeluri au o rezistență mare la coroziune , oxidare la cald și fluare (deformare ireversibilă). Ele sunt în esență aliate cu crom , un element care conferă proprietatea de protecție împotriva ruginii și cu nichel , un element care conferă proprietăți mecanice bune. Oțelurile inoxidabile sunt clasificate în patru familii: feritice, austenitice, martensitice și austeno-feritice. Oțelurile inoxidabile austenitice sunt cele mai maleabile și păstrează această proprietate la temperaturi foarte scăzute ( -200 ° C ).
Aplicațiile lor sunt multiple: produse chimice , nucleare , alimentare , dar și tacâmuri și echipamente de uz casnic. Aceste oțeluri conțin cel puțin 10,5% crom și mai puțin de 1,2% carbon .
Oțeluri multifaziceAceste oțeluri sunt proiectate în conformitate cu principiile compozitelor : prin tratamente termice și mecanice, materialul este îmbogățit local cu anumite elemente din aliaj . Se obține apoi un amestec de faze dure și faze ductile , a căror combinație face posibilă obținerea unor caracteristici mecanice mai bune. Putem cita, de exemplu:
Oțelul este un aliaj compus în esență din fier, prin urmare densitatea acestuia variază în jurul valorii de fier (7,32-7,86), în funcție de compoziția sa chimică și de tratamentele sale termice. Densitatea unui oțel inoxidabil austenitic este de obicei puțin peste 8, datorită structurii cristaline. De exemplu, densitatea unui oțel inoxidabil de tip AISI 304 (X2CrNi18-10) este de aproximativ 8,02.
Oțelurile au un modul Young de aproximativ 200 GPa (200 miliarde de pascali ), indiferent de compoziția lor. Celelalte proprietăți variază enorm în funcție de compoziția lor, de tratamentul termomecanic și de tratamentele de suprafață la care au fost supuse.
Coeficientul de dilatare termică a oțelului este de 11,7 × 10 -6 ° C -1 .
Tratamentul termomecanic este asocierea:
Tratarea suprafețelor implică schimbarea compoziției chimice sau a structurii unui strat exterior de oțel. Aceasta ar putea fi :
Vezi și articolul detaliat tratamente anti-uzură .
Sudabilitatea oțelurilor este invers proporțională cu conținutul de carbon. Nu toate clasele de oțel au aceeași sudabilitate și prezintă grade diferite de sudabilitate (a se vedea articolul despre sudare ). În plus, anumite oțeluri nu sunt sudabile intrinsec. Pentru ca un oțel să fie sudabil, este esențial ca producătorii de oțel să aibă grijă de sudabilitatea oțelurilor pe care le produc încă din etapa de dezvoltare, pentru a optimiza implementarea ulterioară.
De exemplu, trebuie remarcat faptul că codul ASME ( Societatea Americană a Inginerilor Mecanici ), în volumul său specific pentru construcția de echipamente sub presiune, necesită certificatul de conformitate al unui oțel folosit chiar și ca parte provizorie sudată temporar pe o lucrare supusă codului menționat menționează fără echivoc calitatea „oțelului sudabil”.
Cel puțin șapte factori determină costul producerii oțelului:
Impactul primelor șase cerințe poate avea un impact de câteva zeci de euro pe tonă la mai mult de 50% din prețul de bază (prețul de bază fiind prețul oțelului standard conform standardului și fără opțiuni), prin urmare importanța, înainte de efectuarea oricărei comenzi, de a consulta vânzătorul sau producătorul de oțel (cunoscut și sub numele de „forjă” sau „turnătorie”) pe baza unei specificații tehnice de achiziție întocmită în conformitate cu prevederile tehnice contractuale și / sau administrative cerințe. 7 - lea între timp la fața locului nu are nici o limită rațională.
Noi tipuri de oțeluri speciale ar putea fi bioinspirate , de exemplu prin imitarea principiului constructiv al osului. Astfel, în 2016-2017, cercetătorii au produs un os care imita osul. În interiorul osului, fibrele de colagen la scară nanomatică formează o structură stratificată, ale cărei straturi sunt orientate în direcții diferite. La cântare milimetrice, osul are o structură a firimii organizată într-o rețea (set ordonat) care îl întărește prevenind răspândirea fisurilor în toate direcțiile și din orice punct. Din metalurgici au fost inspirați să producă un oțel nanostructurat, inclusiv aliaje diferite (cu duritate diferită). Pentru a se propaga acolo, o fisură trebuie să urmeze o cale complexă și să depășească multe rezistențe, deoarece nanopărțile flexibile ale ansamblului absorb energia stresurilor, chiar repetate, care chiar pot închide microfisurile imediat după apariția lor.
Oțelurile ușoare (eventual „ imprimate 3D ”) devin posibile pentru a crea poduri, roboți, nave spațiale sau submarine sau vehicule terestre sau structuri pe care dorim să le facem mai rezistente la fisuri sau mai exact la propagarea fisurilor riscante. Pentru a duce la o fractură a întregului.
„Aliajele fier-carbon care conțin peste 2% carbon constituie fontă. "
- Philibert și colab. , Metalurgie de la minereu la material (Dunod, 2002), p. 660
„Fontele sunt aliaje de fier și carbon într-o cantitate mai mare de 2%. "
- Hazard și colab. , Mémotech - Structuri metalice (Casteilla, 2000), p. 14
Cu toate acestea, valorile adoptate variază în funcție de autori, între 1,67 și 2,11%, în funcție de faptul dacă una se bazează pe conținutul utilizat de obicei de producători sau pe valorile diagramelor obținute în laborator.