Influenta elementelor de aliere asupra proprietatilor otelurilor

Otelurile sunt aliaje ale fierului cu carbonul si cu alte elemente chimice, pe care le contine in diferite cantitati si care la confera in functie de continut, proprietatile dorite.

CARBONUL

Influenta carbonului asupra otelului este esentiala, atat in cazul otelurilor carbon cat si in cazul otelurilor aliate.

In raport cu celelalte elemente intalnite in oteluri (cu exceptia borului), variatii reduse ale continutului de carbon pot modifica radical proprietatile si intrebuintarile otelurilor. Astfel daca otelurile au un continut de carbon mai mic de 0,7% C, pot fi utilizate ca oteluri de constructie, iar daca continutul de carbon depaseste aceasta valoare, pot fi utilizate ca oteluri de scule. De altfel standardele de stat cuprind o clasificare a otelurilor carbon in functie de continutul de carbon si de conditiile de elaborare. Se pot distinge urmatoarele calitati de oteluri carbon frecvent utilizate in practica:

Otelurile carbon de calitate (OLC 1060, STAS 880) elaborate obisnuit, sau in conditii speciale (avand litera X in simbol), care pot fi oteluri de cementare (OLC 1015) cu continut redus de carbon si oteluri de imbunatatire (OLC 2560) cu un continut mai bogat de carbon (max. 0,65).

Aceste oteluri intrebuintate pentru constructia de masini sunt utilizate in stare tratata termic (QT) [73], [65].

Otelurile carbon de uz general (OL 00OL 70, STAS 500/2) laminabile, care se livreaza in stare necalmata (n), semicalmata (s) si calmata (k). In functie de garantiile de livrare ele cuprind patru clase de calitate, de la 1 la 4.

Aceste oteluri sunt utilizate in stare netratata termic (non QT), la constructii metalice asamblate prin sudare, nituire sau cu suruburi, tinand seama de importanta constructiei. Aceste oteluri pot fi livrate si in stare ecruisata (deformate la rece), sau rezistente la coroziune atmosferica (STAS 5093), caz in care au un continut sporit de P, Cr si N [65], deci prezinta conditii mai nefavorabile pentru sudare.

Otelurile carbon turnate in piese (OT 40 OT 60, STAS 600) care cuprind trei clase, de la 1 la 3, in functie de proprietatile mecanice care se garanteaza la livrare.

In general pentru toate otelurile carbon amintite, este necesara precizarea, ca odata cu cresterea continutului de carbon, devine mai dificila imbinarea sau incarcarea prin sudare, datorita durificarii si fragilizarii zonei influentate termic, care, fara anumite precautii tehnologice, fisureaza.

Fig 1.1 Variatia proprietatilor mecanice ale otelurilor carbon

Din diagrama prezentata in fig. 1.1 se observa variatia proprietatilor mecanice ale otelurilor carbon in functie de continutul de carbon al aliajului. Valorile prezentate in diagrama sunt valori medii si pot varia in limite de 10% in functie de continutul de impuritati, de conditiile de laminare si de racire [11]. Intrucat carbonul singur nu poate asigura in toate cazurile obtinerea unor proprietati necesare, exista oteluri care contin inafara elementelor insotitoare, diferite cantitati de elemente de aliere. In functie de cantitatea acestora, se poate face o clasificare a otelurilor data in tabela 1.1.   

                                                                      Tabela 1.1

Daca otelurile contin elemente de aliere sub limita minima indicata in tabel in coloana otelurilor slab aliate, sunt considerate ca nealiate, adica sunt oteluri carbon.

Deci chiar otelurile carbon contin anumite cantitati de elemente chimice insotitoare a caror variatie le poate modifica proprietatile.

CROMUL

Cromul este elementul de aliere care se gaseste in majoritatea otelurilor aliate, datorita efectului sau favorabil asupra patrunderii la calire (fig. 1.2). Deci sub aspectul comportarii la sudare, otelurile care contin crom prezinta dificultati. Influenta cromului asupra calibilitatii otelului este si mai intensa daca otelul mai contine si Wolfram (0,4 – 0,8% W), inrautatind astfel si mai mult comportarea la sudare.

Fig.1.2 Influenta unor elemente de aliere asupra calibilitatii [4]

Cromul se poate dizolva in ferita, pe care o durifica intr-o masura mai mica decat alte elemente de aliere.

Cromul mai poate forma carburi si nitruri, care daca sunt repartizate la limita cristalelor micsoreaza sensibilitatea la supraincalzire a otelurilor. Acest efect este favorabil asupra comportarii la sudare, intrucat cristalele zonei influentate termic sunt in acest fel franate sa creasca odata cu incalzirea. Prin aceasta are loc si o marire a rezistentei la rupere, a carei variatie in functie de continutul de crom este prezentata in fig. 1.4.

Fig.1.4 Influenta cromului asupra rezistentei la rupere a unor oteluri [4]

Carburile de crom pot fi simple de forma Cr_mC_n (De ex.: Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, Cr₄C, Cr₂C₃), sau complexe de forma (FeCr)_mC_n (De ex. (FeCr)₇C₆), sau de forma (FeCr)_mMe_nC (De ex. (FeCr)₄Me_1,3C).

Nitrurile de crom avand forma CrN sau Cr₂N se formeaza in otelurile crom, datorita afinitatii cromului fata de azotul dizolvat in metalul lichid, la elaborarea, sau la sudarea acestor oteluri, marind fragilitatea la revenire [4].

Cromul mai formeaza compusi intermetalici, avand forma Me_mCr_n, dintre care cel mai cunoscut este compusul denumit faza sigma. Aceasta este nemagnetica, dura (aproximativ 900 HV) si e casanta [15], [32], [49], [61], continand aproximativ 50% Fe si 50% Cr. Faza sigma apare de obicei la otelurile austenitice la limita cristalelor, sau chiar in interiorul cristalelor, provocand o fragilitate accentuata.

Aparitia fazei sigma in cazul otelurilor cu crom poate fi favorizata de existenta austenitei neomogene, si mai cu seama a amestecului austenita ferita, precum si de incalzirea indelungata in intervalul de temperatura 873 – 1173 K, sau de incalzirea rapida la temperaturi apropiate de domeniul Fe-delta al diagramei Fe-C, urmata de racire rapida. In general atunci cand este favorizata aparitia carburilor intergranulare, este favorizata si formarea fazei sigma.

Faza sigma mai poate apare si in zonele de deformare intensa, fiind favorizata de existenta tensiunilor interne [32]. In acest caz faza sigma poate apare chiar in interiorul grauntilor de austenita pe planele de alunecare. Faza sigma apare si intre alte elemente chimice intalnite in oteluri, care sunt solubile intre ele. Se pot astfel aminti compusi asemanatori fazei sigma intre doua sau trei elemente:

- V – Mn (24,3% V); V – Fe (37 – 57% V); V – Co (40 – 54,9% V); V – Ni (55 – 65% V);

- Cr – Mn (19 – 24% Cr); Cr – Fe (43,5 – 49% Cr); Cr – Co (56,6 – 61,1% Cr);

- Mo – Fe (47 – 57% Mo); Mo – Co (59 – 61% Cr);

- Cr – Mo – Ni (37% Cr, 27% Mo, 36% Ni; sau 42% Cr, 32% Mo, 26% Ni).

Acesti compusi intermetalici de tipul sigma pot coexista in otelurile aliate supuse unor cicluri termice specifice si pot provoca fragilizarea si ruperea materialului. Inlaturarea fazei sigma se poate face prin incalzire la temperaturi ridicate (dupa caz intre 1123 si 1273 K) urmata de racire rapida in apa (calire de punere in solutie).

Din practica tratamentelor termice se cunoaste ca pentru anumite conditii de racire (viteze reduse de racire), in intervalul temperaturilor de revenire (973 – 573 K), otelurile cu continut de crom pot prezenta o fragilitate pronuntata, denumita fragilitate de revenire [4].

Se presupune ca fragilitatea de revenire este provocata de precipitarea unor faze complexe, fin dispersate la limita cristalelor. Printr-o racire rapida a otelului in intervalul de temperatura amintit, otelul devine mult mai putin fragil inlaturandu-se asa zisa fragilitate de revenire.

Combaterea cea mai eficienta a fragilitatii de revenire se realizeaza prin introducerea in otelurile amintite a unor adaosuri de Mo, Ti sau Nb [4] care finiseaza structura si impiedica formarea fazelor fragile. Mai trebuie remarcat ca Ni, care mareste tenacitatea otelurilor, nu inlatura insa fragilitatea de revenire.

Cromul micsoreaza conductivitatea termica a otelurilor, deci micsoreaza marimea zonei influentate termic, obtinuta pentru o anumita energie liniara de sudare.

In figurile 1.6 si 1.7 se observa variatia conductivitatii termice a otelurilor crom in functie de continutul de crom si de temperatura [15].

Fig.1.6 Variatia coeficientului de conductivitate termica in functie de continutul de crom a otelurilor crom [15]

Fig.1.7 Variatia coeficientului de conductivitate termica a otelurilor crom in functie de temperatura [15]

Cromul mareste segregatia dendritica provocand aparitia cristalelor columnare mari, a caror efect nefavorabil se manifesta cu atat mai puternic cu cat piesele au dimensiuni mai mari. Nu trebuie neglijata existenta acestui efect nici in cazul sudurilor, avand in vedere ca de obicei piesele sudate nu mai sufera ulterior deformatii plastice si recristalizari. Cromul influenteaza si coeficientul de dilatare liniara a otelurilor pe care il micsoreaza odata cu cresterea concentratiei de crom, ceea ce se observa in fig. 1.8.

Fig.1.8 Variatia coeficientului de dilatare liniara intre 0-200ºC a otelurilor cu 0,1%C [15]

Acest efect al cromului asupra otelurilor este favorabil in ceea ce priveste comportarea la sudare, intrucat dilatarilor reduse le corespund tensiuni interne reduse.

Din efectele pe care le produce cromul asupra diferitelor proprietati ale otelurilor, se observa ca unele sunt favorabile asupra comportarii la sudare, iar altele sunt defavorabile. In general insa se poate afirma ca cromul inrautateste comportarea la sudare a otelurilor, daca se tine seama ca in oteluri mai exista in majoritatea cazurilor si alte elemente de aliere.

In ceea ce priveste obtinerea unor straturi incarcate prin sudare, avand anumite proprietati, cromul este un element de baza care intra in compozitia materialelor de adaos cu destinatie speciala.

NICHELUL

Este un alt element frecvent utilizat la alierea otelurilor. Prin alierea cu nichel se obtin oteluri avand proprietati mecanice deosebite.

Nichelul se dizolva in orice proportii in ferita si austenita, nu formeaza carburi si favorizeaza descompunerea cementitei, fiind un element gamagen si grafitizant. Nichelul coboara temperatura de formare a eutectoidului cu aproximativ 1011 K, pentru fiecare procent de Ni. In functie de concentratia sa in oteluri, acestea pot avea structura perlitica (P), martensitica (M), austenitica (A), ceea ce se observa din fig. 1.11.

Fig.1.11 Diagrama structurala a otelurilor aliate cu nichel

Obtinerea structurilor indicate in aceasta diagrama poate fi influentata si de viteza de racire a aliajului respectiv. Otelurile perlitice prezinta o alungire si o rezilienta deosebit de mare si o rezistenta la rupere ridicata. Otelurile martensitice au rezistenta la rupere si limita de elasticitate ridicate, dar au alungirea mica. Ele sunt din acest motiv fragile si greu prelucrabile. Otelurile austenitice au limita elastica si rezistenta la rupere mai coborate, dar alungirea si rezilienta au valori mari.

Prin asocierea nichelului in otelurile cu Cr, W, Mo, se obtin proprietati mecanice net superioare.

Unele dintre putinele dezavantaje ale nichelului constau in pretul sau de cost destul de ridicat si in unele dificultati pe care le poate crea in cazul temperaturilor inalte de exploatare.

In general nichelul compenseaza efectele defavorabile ale cromului, pe care il insoteste de multe ori in oteluri.

Cel mai important efect al nichelului asupra proprietatilor mecanice ale otelurilor este acela ca le mareste considerabil rezilienta, respectiv tenacitatea [38], [9]. Acest efect se manifesta cel mai intens la temperaturile obisnuite (293 K), sau la temperaturi joase si se diminueaza la temperaturi ridicate.

In cazul continutului ridicat de sulf (mai mare de 0,03% S), nichelul influenteaza negativ tenacitatea la cald. Astfel la temperaturi mai mari de 918 K, rezilienta otelului poate sa scada brusc, datorita topirii eutecticului pe care il formeaza nichelul cu sulful la limita cristalelor.

O alta cauza a scaderii rezilientei in cazul alierii cu nichel, o constituie solubilitatea ridicata a hidrogenului in nichel [15]. Aceasta se manifesta mai cu seama la sudarea cu electrozi inveliti, sau la sudarea automata sub flux, la care sarma contine nichel, iar invelisul (fluxul) contine umiditate ridicata.

Nichelul mareste calibilitatea (fig 1.12), si micsoreaza temperatura Ms (fig 1.9). Acest efect este maxim daca otelul mai contine si 0,1-0,4%V.

In urma cresterii continutului de nichel, valoarea temperaturilor critice de transformare scade, ceea ce se observa in fig. 1.12. Din acest motiv duritatea otelurilor aliate cu nichel poate sa scada brusc, daca sunt incalzite peste 773 – 823 K. Aceasta influenta asupra duritatii este neglijabila, la un continut de nichel mai mic de 1%.

Fig.1.12 Influenta nichelului asupra temperaturilor critice de transformare A₁ A₃ ale aliajelor Fe-Ni [15]

Un alt efect caracteristic nichelului este micsorarea conductivitatii termice a otelului, care se manifesta la cresterea continutului de nichel pana la 40% Ni, ceea ce se observa in fig. 1.13.

Fig.1.13 Variatia coeficientului de conductivitate termica a otelurilor nichel [15]

Un efect deosebit de favorabil al nichelului asupra otelurilor il constituie micsorarea coeficientului de dilatare liniara, odata cu cresterea continutului de nichel pana la 35,5% Ni (aliaj invar), ceea ce se observa din fig. 1.14. Aliajul cu 46% Ni (platinita), are acelasi coeficient de dilatare ca si sticla.

Fig.1.14 Variatia coeficientului de dilatare liniara a otelurilor nichel [15]

Tinandu-se seama de costul ridicat al nichelului s-au elaborat marci de oteluri la care nichelul se inlocuieste cu diferite continuturi de Mn si de N, obtinandu-se proprietati asemanatoare otelurilor cu nichel, dar neegalandu-le.

MANGANUL

Este un element de aliere ieftin, care se utilizeaza in oteluri avand unele efecte asemanatoare cu ale nichelului, dar fara a atinge aceleasi performante [11]. Manganul mareste calibilitatea otelurilor asemanator cromului (fig. 1.2) si micsoreaza temperatura de incepere a transformarii martensitice (fig. 1.9), favorizand aparitia austenitei reziduale in cazul racirilor rapide (fig. 1.10). Alierea otelurilor cu mangan produce o micsorare a valorilor temperaturilor critice de transformare, dupa cum rezulta din fig. 1.15.

Fig.1.15 Influenta manganului asupra temperaturilor critice de transformare A₁, A₃ ale aliajelor Fe-Mn [15]

Rezulta ca stabilitatea termica a acestor oteluri este destul de redusa, adica otelul calit isi reduce duritatea la temperaturi inferioare, fata de cele ale otelurilor similare, care nu sunt aliate cu mangan.

Otelurile aliate cu mangan pot fi perlitice (P), martensitice (M), austenitice (A), in functie de concentratia elementelor de aliere, ceea ce se observa din figura 1.16.

Fig.1.16 Diagrama structurala a otelurilor aliate cu Mn [65]

Din grupa otelurilor austenitice ecruisabile, au o utilizare practica numai otelurile din zona II, intrucat cele din campul I pot deveni martensitice, iar cele din campul III contin carburi, deci sunt fragile.Aceste oteluri pot fi sudate cu electrozi avand compozitie chimica asemanatoare.

Din punct de vedere magnetic, otelurile perlitice aliate cu mangan au o permeabilitate mediocra, iar rezistivitatea este mare. Rezulta ca manganul trebuie evitat din tabla pentru tole de transformatoare, dar poate fi adaugat in piesele susceptibile de a avea pierderi prin curenti Foucault.

Variatia coeficientului de dilatare liniara a otelurilor mangan este prezentata in fig. 1.18. Din aceasta figura se observa ca, la cresterea continutului de mangan creste si coeficientul de dilatare lineara, respectiv cresc si tensiunile interne, care apar in timpul sudarii acestor oteluri.

Din punct de vedere magnetic, otelurile perlitice aliate cu mangan au o permeabilitate mediocra, iar rezistivitatea este mare. Rezulta ca manganul trebuie evitat din tabla pentru tole de transformatoare, dar poate fi adaugat in piesele susceptibile de a avea pierderi prin curenti Foucault.

Variatia coeficientului de dilatare liniara a otelurilor mangan este prezentata in fig. 1.18. Din aceasta figura se observa ca, la cresterea continutului de mangan creste si coeficientul de dilatare lineara, respectiv cresc si tensiunile interne, care apar in timpul sudarii acestor oteluri.

                               

Fig.1.18 Variatia coeficientului de dilatare liniara a otelurilor mangan in stare recoapta, pentru diferite intervale de temperatura

                                        

Fig.1.20 Variatia coeficientului de conductivitate termica a otelurilor mangan [15]

In ceea ce priveste conductivitatea termica a otelurilor care contin mangan, se remarca o scadere a ei, odata cu cresterea continutului de mangan, ceea ce se observa din fig. 1.20. Reducerea conductivitatii termice a otelurilor cu mangan ar trebui sa conduca la o scadere a marimii zonei influentate termic, dar tinand seama de coborarea punctelor critice de transformare de catre Mn, rezulta ca zona influentata termic este mare la aceste oteluri. De asemenea, tinand seama de sensibilitatea la supraincalzire a otelurilor mangan, se poate afirma ca la cresterea continutului de mangan are loc o inrautatire a comportarii la sudare.

SILICIUL

Siliciul este un alt element utilizat la alierea otelurilor cu proprietati speciale, datorita efectului favorabil pe care il are asupra acestora. Siliciul se dizolva complet in solutia solida in anumite proportii, fara a forma carburi. Prin aceasta creste rezistenta la rupere a otelului, rezistenta la curgere (cu aproximativ 10 daN/mm² pentru o crestere de 1% Si), precum si duritatea la cald. Astfel in figurile 1.21 si 1.22 sunt prezentate variatiile duritatii la cald ale unor oteluri avand 0,4% C, calite si revenite la diferite temperaturi, iar in fig. 1.23 este prezentata variatia rezistentei la rupere a otelului cu 0,14 – 0,26% C normalizat, in functie de continutul de siliciu.

Fig.1.21 Influenta siliciului asupra duritatii unor oteluri avand 0,4%C [9]

Fig.1.22 Influenta siliciului asupra durificarii prin precipitare a otelului cu titan calit in apa de la 1273K [15]

Fig.1.23 Influenta siliciului asupra rezistentei la rupere a otelului cu 0,14-0,26%C normalizat [15]

Dupa cum s-a mai aratat, siliciul nu formeaza carburi in otel, dar are un efect favorabil asupra formei carburilor, celorlalte elemente si asupra comportarii lor la incalzire. Astfel carburile din otelurile aliate cu siliciu au o tendinta de globulizare si se dizolva mai greu in solutia solida in timpul incalzirii. De asemenea siliciul prezinta o tendinta de descompunere a cementitei in Fe si grafit.         Siliciul mai poate forma cu fierul compusi intermetalici de forma FeSi (faza ε, Fe₃Si₂ (faza η si Fe₃Si. Tinandu-se seama ca siliciul mareste valoarea temperaturilor critice de transformare A₁ – A₃ cu aproximativ 50 K pentru o crestere de 1% Si, ceea ce se observa din fig. 1.24, rezulta ca otelurile aliate cu siliciu au o stabilitate termica buna. In prezenta oxizilor, otelul cu siliciu poate forma oxisilicati (FeO)₂SiO₂; (MnO)SiO₂; 3Al₂O₃ (2SiO₂, etc., care pot ramane in otel sub forma de incluziuni nemetalice.

                              

Fig.1.24 Influenta siliciului asupra punctelor de transformare ale otelurilor [15]

Siliciul mareste calibilitatea otelurilor si impiedica descompunerea martensitei la incalzirea [9], dar favorizeaza decarburarea otelului atunci cand atmosfera este oxidanta. Influenta siliciului asupra rezilientei otelurilor este nefavorabila [49], [38], valoarea critica a concentratiei siliciului peste care creste brusc fragilitatea, fiind discutabila.

Scaderea tenacitatii otelurilor cu siliciu se manifesta mai cu seama daca aceste oteluri mai contin crom si mangan si daca sunt revenite la temperaturi cuprinse intre 573 si 773 K [9].

Cu toate ca siliciul produce o buna dezoxidare a metalului topit, otelurile siliciu care contin si vanadiu, prezinta dificultati la sudare [31], datorita favorizarii fisurarii intercristaline, provocata de formarea unor pelicule usor fuzibile, situate la limita cristalelor.

Siliciul mai are o influenta nefavorabila asupra comportarii la sudare a otelurilor aliate si pentru ca favorizeaza aparitia cristalelor columnare mari in baia metalica [4]. In acelasi timp scade tendinta de microsegregatie cristalina, intrucat siliciul micsoreaza intervalul de solidificare al otelurilor [65].

Molibdenul, vanadiul si wolframul

Molibdenul, vanadiul si wolframul sunt elemente de aliere care adaugate in otelurile aliate favorizeaza imbunatatirea proprietatilor acestora si permite utilizarea lor in conditii deosebit de severe de functionare.

Datorita afinitatii mari pentru carbon, aceste elemente dau carburi greu fuzibile si cu solubilitate scazuta. Acestea micsoreaza sensibilitatea la supraincalzire si maresc rezistenta la cald a otelurilor, datorita efectului mecanic al carburilor de la limita cristalelor. Totodata aceste elemente de aliere maresc stabilitatea termica a otelurilor datorita efectului favorabil pe care il manifesta asupra punctelor critice de transformare (fig. 1.25).

Carburile cele mai fin dispersate sunt carburile de molibden si de vanadiu, pe cand cele de wolfram, au o tendinta de crestere, odata cu cresterea continutului de wolfram, mai cu seama daca otelul este aliat si cu o cantitate de nichel mai mare de 0,7%.

Fig.1.25 Influenta wolframului si molibdenului asupra temperaturilor critice de transformare ale otelurilor [15]

Carburile acestor elemente pot fi simple, de forma Me_mC_n, dintre care se pot aminti: Mo₂C, VC, V₄C₃, WC, W₂C, sau complexe de forma Fe_mMe_nC_p, dintre care cele mai frecvente sunt: Fe₂Mo₂C, Fe₃Mo₃C, Fe₃MoC, Fe₂W₂C, Fe₃W₃C, Fe₂W₄C, Fe₄W₂C, Fe₂₁W₂C₆, sau multiplu complexe, dintre care se pot aminti: Fe(MoW)₃C, (FeCrWV)₆C, (FeCr)_4,7W_1,3C [9]. Unele dintre aceste carburi sunt solubile in austenita, iar altele au solubilitate redusa printre care se pot aminti Mo₂C, W₂C, WC, [4].

Punerea in evidenta a carburilor, precum si determinarea retelei cristaline si a compozitiei chimice se poate efectua prin mai multe metode, dintre care cele mai utilizate sunt: atacul cu reactivi metalografici [9], [52], analiza cu raze X, separarea electrolitica si analiza cu microsonda electronica [1].

O alta forma sub care se pot gasi aceste elemente chimice in oteluri, sunt nitrurile. Astfel vanadiul in prezenta azotului formeaza nitrura de vanadiu VN, un compus chimic care este fragil si micsoreaza tenacitatea otelurilor. Acest compus poate apare la sudarea otelurilor cu vanadiu datorita azotului atmosferic care poate patrunde in baia metalica.

Calibilitatea otelurilor este puternic marita chiar la adaosuri reduse de molibden (0,2 – 0,4% Mo), pe cand vanadiul o micsoreaza intr-o oarecare masura, iar wolframul o micsoreaza intens, mai cu seama la oteluri cu continut redus de carbon. Aceasta reducere a calibilitatii se explica prin formarea carburilor si micsorarea continutului de carbon din martensita [11]. Acest efect este inlaturat la otelurile aliate prin adaugarea unor elemente de aliere care favorizeaza calibilitatea si anume cromul, molibdenul, nichelul, manganul, etc.

Vanadiul avand o afinitate mult mai mare pentru carbon, decat molibdenul si wolframul, formeaza mult mai usor carburi si favorizeaza dizolvarea molibdenului si wolframului in solutia solida, ceea ce produce o durificare prin dispersie (P.H.). Vanadiul chiar in cantitati reduse (0,05%) elimina transcristalizarea si structura Widmänstatten.

Molibdenul, vanadiul si wolframul ridica temperaturile de transformare A₃ ale otelurilor si formeaza carburi greu solubile in austenita, ,marind deci termostabilitatea.

Molibdenul si vanadiul inlatura fragilitatea de revenire, asa dupa cum s-a mai aratat, in cazul otelurilor aliate cu crom.

Molibdenul si wolframul insotite de siliciu, favorizeaza decarburarea otelurilor incalzite in mediul oxidant. Acest efect incepe sa se manifeste mai intens la concentratii mai mari de 0,8% W si 0,5% Si [9].

Rezistenta la curgere la cald si duritatea otelurilor cresc odata cu marirea continutului de wolfram, molibden si vanadiu, ceea ce se poate observa din fig. 1.26 [13].

Fig.1.26 Influenta wolframului, molibdenului si vanadiului, asupra rezistentei de curgere la cald R_c si a duritatii otelurilor [13]

Se observa din aceste diagrame ca efectele favorabile asupra rezistentei de curgere la cald si asupra duritatii se datoresc cantitatilor pana la 8 – 9% W, 2 – 2,5% Mo si 0,8 – 1,0% V. Rezilienta, respectiv tenacitatea este influentata in mod diferit de aceste elemente de aliere. Astfel molibdenul in concentratii mai mici de 0,15 – 0,25% mareste usor rezilienta, iar in concentratii mai mari o mareste intens (pentru C≤0,3%).

Wolframul si vanadiul in schimb micsoreaza rezilienta. Scaderea rezilientei odata cu marirea continutului de vanadiu, se datoreste fragilitatii create de nitrurile de vanadiu si de carbo-sulfurile de vanadiu, care devin tot mai mari si slabesc legatura dintre cristale [32], [31]. Acest efect negativ se manifesta mai cu seama in cazul otelurilor cu vanadiu, daca nu sunt bine desulfurate, sau daca patrunde in baia metalica de sudare azot provenind din atmosfera, sau din feroaliajele impurificate la elaborare cu azot (in special ferocromul). Fragilitatea cauzata de vanadiu este si mai accentuata in cazul sudarii otelurilor cu vanadiu, daca acestea contin mult carbon, ceea ce se observa din fig. 1.27 [31].

Fig.1.27 Influenta vanadiului asupra fragilitatii otelurilor sudate [31]

Scaderea rezilientei otelurilor cu wolfram se datoreste carburilor de wolfram care au dimensiuni mai mari decat carburile de vanadiu, sau de molibden. Acestea fiind dispuse la limita cristalelor, provoaca o crestere a fragilitatii. Astfel otelul cu 8% W are rezilienta scazuta nu numai dupa calire, ci si dupa o revenire inalta, in urma careia duritatea scade pana la valoarea de 45 HRC [35].

Datorita scaderii conductivitatii termice a otelurilor aliate cu molibden, wolfram sau vanadiu, ceea ce se observa in fig. 1.28 [13], zona influentata termic, in cazul sudarii acestor oteluri, se reduce considerabil si sufera o transformare mai putin intensa, datorita cresterii stabilitatii termice. Datorita coeficientilor de conductivitate termica cu valori scazute, creste pericolul de fisurare a acestor oteluri mai cu seama in cazul racirilor rapide.

Fig.1.28 Variatia coeficientului de conductivitate termica a otelurilor in functie de continutul de elemente [13]

Otelurile cu wolfram isi maresc rezilienta precum si rezistenta la uzura la cald [35], atunci cand se micsoreaza continutul de carbon sub 0,3 – 0,4%. Aceasta se explica prin reducerea cantitatii carburilor mari de wolfram si prin favorizarea dizolvarii wolframului in solutie solida, pe care o durifica.

Marirea rezilientei otelurilor cu wolfram se mai poate realiza si prin marirea continutului de crom peste 2%, dar exista pericolul formarii segregatiilor de carburi, mai cu seama in cazul pieselor cu sectiuni mari.

Exista o tendinta de inlocuire a wolframului din unele oteluri cu molibden in proportie de 2:1, ceea ce favorizeaza formarea carburilor fine si marirea rezistentei la oboseala termica [35]. Otelurile care contin molibden au o rezistenta la oboseala termica mai mare decat otelurile cu wolfram, in aceleasi conditii de rezistenta la rupere. Cu toate acestea wolframul ramane un element de aliere care se foloseste curent la alierea otelurilor care lucreaza in conditii grele sau foarte grele (matrite pentru prelucrari la cald, scule de aschiere cu regim intensiv de exploatare, etc.).

TITANUL

Titanul, este un alt element de aliere care se adauga in unele oteluri, pentru finisarea cristalelor si pentru micsorarea fragilitatii de revenire. Cel mai important dezavantaj al titanului din otelurile care se sudeaza, este formarea nitrurilor (TiN) si a oxizilor (TiO2), care pot provoca fragilitatea sudurii. De asemenea el mareste cantitatea de hidrogen dizolvata in metal.

Titanul mareste rezistenta si duritatea otelurilor, deoarece finiseaza cristalele si disperseaza fin carburile, formand carbura de tipul TiC si micsorand in acelasi timp sensibilitatea la supraincalzire.

COBALTUL

Cobaltul este un element de aliere al aliajelor care functioneaza la temperaturi ridicate, datorita favorizarii precipitarii unor compusi greu solubili si fin dispersati, care maresc duritatea precum si stabilitatea termica.

Este necesara precizarea referitoare la cobalt, asupra faptului ca el nu formeaza carburi, si asupra faptului ca are un efect deosebit asupra obtinerii carburilor, sau a unor compusi intermetalici ai altor elemente de aliere (Mo, Cr, W, Ti, etc.).

Spre exemplu in cazul otelurilor aliate cu Mo si Ni, cobaltul produce o durificare prin precipitare dispersa (P.H.), in urma dizolvarii lui in solutia solida. Efectul este maxim in jurul temperaturilor de 823 K si mareste intens stabilitatea termica si rezistenta la uzura la cald a aliajului.

Dezavantajul cobaltului in aceste aliaje este producerea unei oarecare reduceri a tenacitatii, cauzate de modificarea formei carburilor de molibden si a cementitei.

Influenta cobaltului asupra curbelor de transformare izoterma a austenitei este prezentata in fig. 1.30.

Fig.1.30 Influenta cobaltului asupra transformarii izoterme a austenitei [14]

Se observa deplasarea spre stanga si in sus a acestor curbe. Aceasta produce o micsorare a calibilitatii otelurilor cu cobalt (fig. 1.31), ceea ce are efect favorabil asupra comportarii la sudare a otelurilor corespunzatoare.

Fig.1.31 Evaluarea calibilitatii in functie de continutul de cobalt [14]

Alte efecte favorabile ale cobaltului asupra otelurilor constau in marirea conductivitatii termice si in marirea rezistentei la oxidare la cald, prin formarea unor pelicule superficiale protectoare de oxizi, asemanatoare celor produse de aluminiu.

BORUL

Borul este un element de microaliere in oteluri care in proportii de 0,00050,003% intarzie transformarea perlitica, fara sa o deplaseze pe scara temperaturilor.

Borul nu influenteaza asupra punctului critic Ms, dar mareste calibilitatea, opunandu-se formarii constituentilor moi in timpul calirii si micsoreaza susceptibilitatea la fisurare.

Actiunea borului se manifesta doar pentru oteluri avand un continut mai mic de 0,7% C si in cazul racirilor rapide, pe cand in cazul recoacerilor este nula. Mentinerea indelungata la temperatura 1373 K provoaca distrugerea efectului borului asupra calibilitatii.

Otelurile aliate cu bor sunt utilizate la fabricarea angrenajelor si pinioanelor cementate, a buloanelor, arcurilor si arborilor, imbunatatind caracteristicile mecanice ale miezului piesei.

Borul da compusi foarte fin dispersati impreuna cu siliciul, aluminiul, titanul, vanadiul, calciul, manganul sau azotul, care durifica solutia solida datorita precipitarilor disperse secundare (P.H.).

Intrucat borul permite durificari ale otelurilor chiar in cazul cantitatilor reduse de carbon, este posibila reducerea continutului de carbon din otelurile refractare si termorezistente, eliminand in acest fel coroziunea intercristalina [4] si obtinand in acelasi timp o rezistenta mecanica suficienta.

AZOTUL

Azotul este element insotitor si uneori chiar element de aliere in oteluri. Astfel in functie de procedeul de elaborare, otelul contine in mod obisnuit cantitati de 0,10,3% N.

Ferita poate dizolva maxim 0,1% N la temperatura de 813 K (540 ºC), dar pe masura ce se raceste lent are loc o precipitare a compusului Fe₄N de forma aciculara (fenomen favorizat de racirile lente sau de mentineri indelungate in intervalul 523…473K. Prin aceasta mai ramane dizolvata in ferita la temperatura camerei doar o cantitate de 10^-5%N.

Daca ferita este racita cu viteze mai mari de racire (chiar la racire in aer), are loc o mentinere a azotului in solutia solida (ferita suprasaturata in azot). Precipitarea ulterioara in timp, sau datorita incalzirilor indelungate a compusilor azotului, provoaca durificarea structurala, sau imbatranirea otelurilor.

Deformarile plastice la rece si incalzirea in intervalul de temperatura 473 – 573 K favorizeaza aparitia nitrurilor din ferita suprasaturata, producand fragilitatea de imbatranire a otelurilor.

Cele mai afectate oteluri de fenomenul de imbatranire, sunt otelurile cu putin carbon (spre exemplu tabla de cazane).

Concentratia azotului din oteluri este influentata in afara procesului de elaborare si de gradul de aliere cu diferite elemente. Astfel se cunoaste influenta unor elemente de aliere asupra cantitatilor de azot continute de oteluri. Aceasta se poate observa in fig. 1.33, din care rezulta ca molibdenul, vanadiul, cromul si aluminiul, favorizeaza cresterea continutului de azot din otel, pe cand siliciul, manganul, titanul si carbonul, il defavorizeaza.

Fig.1.33 Influenta diferitelor elemente de aliere asupra continutului de azot din oteluri [49]

Nitrurile cele mai frecvent intalnite in oteluri sunt urmatoarele [4]: TiN, CrN, Cr₂N, Cr₃N, Si₃N₄, VN, ZrN, Mn₄N, Fe₂N, Fe₄N dintre care se pare ca VN este cea mai daunatoare asupra tenacitatii otelurilor, mai cu seama daca au un continut marit de carbon.

Pentru comportarea la sudare a otelurilor, dinamica absorbtiei azotului in spatiul arcului electric, are o deosebita importanta.

Astfel unele elemente de aliere reduc solubilitatea azotului in otelul lichid si anume C, Si, S, Co, Ni, Cu, Sn, Al, Ti. De asemenea unele elemente de aliere favorizeaza pastrarea azotului in metalul solid sub forma de nitruri si anume Zr, Ti, Ce, La, Al, Ta, V, B, Nb.

Se observa ca aluminiul detine ambele efecte si intrucat este si un element ieftin, este des intrebuintat pentru inlaturarea fragilitatii prin imbatranire, cauzata de azot, a otelurilor.

HIDROGENUL

Hidrogenul este un element insotitor de oteluri, care apare in urma disocierii moleculelor de apa, provenite din umiditatea continuta de diferite materiale utilizate in procesul tehnologic de elaborare (feroaliaje, fondanti, materiale refractare, etc.).

Hidrogenul mai poate apare si in timpul sudarii, din apa continuta de invelisul electrozilor, sau din fluxuri, precum si din diferite impuritati de pe materialele de sudat (rugina, vaselina, uleiuri, sau vopsele, etc.).

Totodata hidrogenul se mai poate dizolva si in otelul solid, daca acesta este incalzit intr-un mediu bogat in H₂ (Atmosfera cuptoarelor de incalzire cu flacara, sudarea cu hidrogen atomic etc.), sau daca este decapat in solutii care nu contin inhibitori ai acestui proces.

Hidrogenul este un element nedorit in oteluri datorita efectelor negative pe care le produce [34]. Dintre acestea se pot aminti fulgii si porii in otelurile turnate, precum si fisurile, ochii de peste, sau porii din cusaturile sudate [39]. Hidrogenul are o solubilitate variabila in oteluri in functie de temperatura, prezentand o crestere pronuntata a solubilitatii la temperaturi mai mari de 1743 K [49].

Hidrogenul este favorizat, sau defavorizat sa se dizolve in oteluri de unele elemente de aliere, dupa cum se poate observa in fig. 1.34 [7]. Astfel Ti, Ta, V, Nb, Cr, Mn, Ni, favorizeaza dizolvarea hidrogenului in otelul lichid, pe cand Cu, Co, Sn, Ce, Al, Si, B, C, o defavorizeaza.

Fig.1.34 Variatia solubilitatii hidrogenului in oteluri in functie de continutul de elemente de aliere [7]

Hidrogenul atomic are o viteza de difuzie marita, ceea ce ii permite in cazul racirilor lente, sa iasa chiar din otelul solid.

In cazul racirii cu viteza mare a otelurilor, hidrogenul se degajeaza brusc si isi maresc presiunea. Prin aceasta hidrogenul atomic se recombina, formandu-se hidrogen molecular, care difuzeaza foarte greu. Noile cantitati de hidrogen acumulate in aceste zone (exista o preferinta pentru zonele segregatiilor si a retelelor deformate), creeaza presiuni atat de mari, incat pot apare fisuri microscopice, urmate de o crestere a fragilitatii otelului.

Mai este necesara o precizare asupra nichelului care favorizeaza dizolvarea hidrogenului in oteluri [15], [38]. Astfel s-a observat o marire a dispersiei rezultatelor incercarilor de rezilienta, atunci cand electrozii cu care au fost sudate otelurile, au continut nichel si nu au fost uscati in prealabil.

In cazul in care in timpul proceselor de sudare intervin cantitati bogate de hidrogen (sudarea in hidrogen atomic), apar si alte fenomene nedorite. In acest caz datorita afinitatii mari dintre H₂ si C, se pot produce decarburari ale otelului, insotite de micsorarea duritatii.

In general efectul hidrogenului asupra otelurilor este nedorit, motiv pentru care se recomanda evitarea surselor care pot impurifica otelul cu acest gaz.

OXIGENUL

Oxigenul este un element insotitor in oteluri care, corespunzator diagramei de echilibru fier-oxigen, se gaseste sub forma de compusi: wustita, (FeO + O), magnetita (Fe₃O₄) si hematita (Fe₂O₃). Dintre acestia numai magnetita si hematita sunt stabile pana la temperatura ambianta, intrucat wustita se descompune sub 833 K, in fier si in magnetita.

O alta cantitate de oxigen (sub 0,05%), se gaseste dizolvata in ferita, iar o alta parte este prinsa sub forma incluziunilor oxidice.

Dupa compozitia chimica incluziunile oxidice sunt grupate in urmatoarele clase [7]:

- Oxizi inferiori de tipul Me₂O si MeO (Al₂O, MgO, CaO, FeO, MaO, CrO, si mai rar TiO);

- Oxizi superiori de tipul bioxid MeO₂ (SiO₂, TiO₂ si ZrO₂), corindon (Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃);

- Oxizi complecsi de tipul Spinelilor AO·B₂O₃, unde A este Ca, Fe⁺², Mg si Mn, iar B este Al, Cr si Fe⁺³ (FeO·Fe₂O₃; MgO·Al₂O₃; MnO·Al₂O₃; FeO·Cr₂O₃; (FeMg)O·(Cr, Al)₂O₃);

- Oxizi complecsi de tipul aluminatilor (CaO·Al₂O₃), feritilor (Fe₂O₃·CaO), titanatilor (CaO·TiO₂; Al₂O₃·TiO₂) si de tipul sistemelor pseudoternare AO – SiO₂ – BO₃ # unde A si B au aceeasi semnificatie prezentata anterior(CaO·FeO·SiO₂; CaO·MgO·SiO₂; CaO·MnO·SiO₂).

Multi dintre acesti compusi se gasesc in pulberile de feroaliaje utilizate la elaborarea fluxurilor, sau a invelisurilor electrozilor, dar se pot forma chiar in timpul sudarii.

In general acesti compusi reduc rezistenta mecanica a otelurilor dupa cum se poate observa din fig. 1.35 si anume acestia inrautatesc atat rezistenta, cat si tenacitatea otelului.

Fig.1.35 Influenta continutului de oxigen asupra proprietatilor mecanice ale otelului cu putin carbon

SULFUL SI FOSFORUL

Sulful si fosforul sunt impuritati nelipsite din oteluri si cu toate ca participa in cantitati extrem de reduse in masa otelurilor (0,010,08%) provoaca multe inconveniente. Astfel fosforul formeaza cu fierul doi compusi chimici Fe₃P si Fe₂P. Fe₃P formeaza cu fierul un eutectic (10,2% P) cu temperatura de solidificare 1323 K (1050 ºC).

Fosforul este un element alfagen si se dizolva in ferita pana la 2,6%, dar are un coeficient de difuzie mult mai mic decat carbonul si favorizeaza segregatia.

Ca un efect nedorit cauzat de fosfor, este aparitia structurii in benzi a tablelor laminate. Locurile bogate in fosfor sunt feritice, iar carbonul este mai abundent in locurile cu concentratie mai redusa de fosfor. Datorita deformarii plastice se formeaza o orientare sub forma de zone suprapuse feritice si perlitice, cunoscuta sub denumirea de structura in benzi.

Ferita aliata cu fosfor are o duritate mai mare, respectiv o fragilitate mai ridicata, iar zonele mai bogate in carbon ale structurii in benzi, au o durificare in ZIT mai pronuntata. Aceasta inrautateste comportarea la sudare a otelurilor cu structura in benzi, chiar daca global continutul de carbon are o valoare relativ scazuta.

In cazul continutului redus de carbon (pana la 0,17%), fosforul are o influenta neglijabila asupra comportarii la sudare a otelurilor.

In unele situatii otelurile au in mod intentionat un continut mai mare de fosfor (cu conditia ca P + C ( 0,25%). Daca aceste oteluri mai contin si alte elemente (Cu sau Cr) au o rezistenta buna la coroziune atmosferica (oteluri patinabile).

In mod obisnuit insa otelul trebuie sa contina fosfor in cantitati mai mici de 0,030,06% dupa imprejurari, pentru a nu produce fragilitatea la rece a otelului (fig. 1.36).

Fig.1.36 Influenta fosforului asupra proprietatilor mecanice ale otelurilor carbon

In ceea ce priveste sulful, acesta nu se dizolva practic in ferita, iar in austenita este solubil doar in proportie de 0,025%. In schimb formeaza cu fierul compusii chimici FeS si FeS₂, care dau eutectici cu temperaturi joase de solidificare, depusi la marginea cristalelor, care provoaca o fragilitate pronuntata la temperatura de 1273 K, denumita “fragilitatea la cald”.

Prin cresterea procentului de mangan din otel este favorizata formarea sulfurii de mangan MnS, in defavoarea sulfurilor de fier. Aceasta situatie este favorabila si otelul este mai putin susceptibil la fragilitatea la cald. De altfel chiar rezistenta otelului creste odata cu cresterea raportului Mn / S ceea ce se observa din fig. 1.37.

Fig.1.37 Influenta sulfului si a raportului Mn/S asupra proprietatilor mecanice ale otelurilor carbon

Dupa cum se observa in aceasta figura sulful diminueaza si tenacitatea la temperatura ambianta a otelurilor. In general otelurile trebuie sa contina cantitati de sulf mai mici de 0,03%, dar chiar in aceasta situatie este bine sa se cunoasca repartitia sulfurilor, care pot fi grupate in anumite parti ale unei piese datorita segregatiei. Aceasta segregatie de sulf poate provoca dificultati la sudare, datorita fragilitatii la cald.

Repartitia sulfurilor in oteluri se poate observa cu ajutorul probei Baumann [64](cu hartie fotografica).

In cazul elaborarii otelurilor cu proprietati superioare este deosebit de importanta reducerea la minim a continutului de sulf, si fosfor, intrucat aceste elemente chiar in cantitati reduse influenteaza negativ tenacitatea otelurilor.