otelurile si fontele aliate

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Capitolul 7

OELURILE I FONTELE ALIATE

7.1. IntroducereOelurile aliate sunt acele oeluri care conin, pe lng componentele specifice (fierul componentul de baz i carbonul componentul de aliere principal), elementele nsoitoare (manganul, siliciul etc.) i impuritile tipice (sulful, fosforul etc.) oelurilor carbon, i alte componente (denumite generic elemente de aliere EA), introduse n mod intenionat i n cantitate suficient la elaborare, cu scopul de a conferi acestor aliaje anumite structuri i proprieti. n contextul acestei definiii, un component al unui oel este considerat element de aliere, dac concentraia n care a fost introdus la elaborarea oelului depete concentraia pn la care acest component se ncadreaz n categoria elementelor nsoitoare sau concentraia maxim admis cnd componentul are efectele unei impuriti a oelului. Astfel, avnd n vedere datele prezentate n scap. 4.3, oelurile se consider aliate cu mangan, dac %Mnm > 0,8 %, cu siliciu, dac %Sim > 0,5 %, cu fosfor, dac %Pm > 0,06 % etc., n timp ce alte componente, cum ar fi cromul, nichelul, molibdenul, vanadiul, titanul, niobiul, wolframul, borul etc., care nu sunt specifice compoziiei oelurilor carbon industriale, capt statutul de elemente de aliere oricare ar fi concentraia n care au fost introduse (intenionat) la elaborarea oelurilor. n practic, pentru a exprima gradul de aliere al unui oel se utilizeaz ca indicator suma concentraiilor masice ale elementelor de aliere (exceptnd carbonul) coninute de acesta Sa ( S a = % EAmj , EAj, j = 1 n, fiind elementelej =1 n

de aliere introduse la elaborarea oelului, iar %EAmj - concentraiile masice ale acestor elemente), iar oelurile aliate se clasific n: oeluri slab aliate, avnd Sa< 5 %, oeluri mediu aliate, avnd 5 % Sa < 10 % i oeluri nalt (bogat) aliate, avnd Sa 10 %.5

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

n mod similar, fontele aliate (denumite i fonte speciale) sunt acele fonte care conin, pe lng componentele specifice, elementele nsoitoare i impuritile tipice fontelor albe (fr grafit n structur), cenuii sau modificate (cu grafit n structur), i alte componente (numite generic elemente de aliere), introduse n mod intenionat i n cantitate suficient la elaborare, cu scopul de a conferi acestor aliaje anumite structuri i proprieti. n contextul acestei definiii, printr-un raionament similar celui utilizat n cazul oelurilor, sulful, n concentraii %Sm < 0,15 % i fosforul, n concentraii %Pm < 0,6 %, considerate impuriti, manganul, n concentraii %Mnm < 1,5 %, siliciul, n concentraii %Sim < 0,51,0 % la fontele albe sau %Sim < 3,54,5 % la fontele cenuii sau modificate i componentele introduse (n concentraii mici) n cursul operaiilor de modificare i postmodificare (magneziu, ceriu, calciu, bariu, titan, zirconiu, aluminiu), considerate elemente nsoitoare, nu reprezint elemente de aliere ale fontelor; aceste componente, introduse la elaborarea fontelor n concentraii mai mari dect cele pn la care se consider impuriti sau elemente nsoitoare, constituie elemente de aliere ale fontelor, iar componentele care nu sunt specifice compoziiei fontelor albe, cenuii sau modificate industriale, cum ar fi cromul, nichelul, molibdenul, vanadiul etc., au statutul de elemente de aliere oricare ar fi concentraia n care au fost introduse (intenionat) la elaborarea fontelor. Pentru a exprima gradul de aliere al unei fonte se poate utiliza, ca i la oeluri, indicatorul Sa, iar fontele aliate se clasific n: fonte slab aliate, avnd Sa< 5 %, fonte mediu aliate, avnd 5 % Sa < 10 % i fonte nalt (bogat) aliate, avnd Sa 10 %. Elementele de aliere se pot gsi n structurile oelurilor i fontelor, n funcie de caracteristicile lor fizico chimice (raza atomic, valena, electronegativitatea, tipul structurii cristaline, afinitatea chimic fa de fier, carbon, elemente nsoitoare i impuriti) i de concentraiile n care sunt introduse la elaborarea acestor aliaje, n urmtoarele forme: a) dizolvate (prin substituie sau interstiial) n soluiile solide specifice structurii aliajelor fier carbon, soluii denumite n acest caz ferit aliat i austenit aliat; b) dizolvate n structura cristalin a cementitei, denumit n acest caz cementit aliat; c) legate sub form de carburi proprii; d) combinate chimic cu fierul sub form de compui intermetalici; e) legate sub form de incluziuni nemetalice (oxizi, sulfuri, silicai) sau libere sub form de cristale de metal pur. Primele trei forme de existen a elementelor de aliere sunt cele care corespund frecvent structurii oelurilor i fontelor aliate. Formele de existen d) i e) sunt rar ntlnite, deoarece: * fierul formeaz compui intermetalici cu unele elemente de aliere numai dac concentraiile acestora sunt ridicate (de exemplu, fierul cu cromul formeaz compusul, de tip faz sigma, FeCr, caracterizat printr-o valoare de baz a concentraiei cromului %Crm 45 %, cu vanadiul compusul, de tip faz sigma,6


FeV, avnd %Vm 48 %, cu molibdenul - compuii Fe3Mo2, avnd %Mom 53 % i FeMo, avnd %Mom 66 %, cu wolframul compusul, de tip faz Laves, Fe2W, avnd %Wm 63 % i compusul Fe3W2, avnd %Wm 68 %, cu titanul compusul FeTi, avnd %Tim 52 %, iar cu niobiul compusul, de tip faz Laves, Fe2Nb, avnd %Nbm 52 %); ca urmare, existena unor astfel de compui este caracteristic exclusiv oelurilor i fontelor nalt aliate cu astfel de elemente; * incluziunile nemetalice sunt (n mod obinuit, datorit efectelor negative pe care le are prezena acestora - v. scap. 4.3.2 i 4.3.3) faze nedorite ale structurii oelurilor i fontelor i, ca urmare, legarea elementelor de aliere sub form de incluziuni se realizeaz numai accidental, de obicei cnd nu se alege corect momentul introducerii acestor elemente n procesul tehnologic de elaborare; de exemplu, titanul, care are afinitatea chimic fa de oxigen (puterea de dezoxidare) mai mare dect a siliciului i aluminiului, introdus ntr-un oel lichid nainte de finalizarea proceselor de dezoxidare (v. scap. 4.3.2) particip intens la realizarea acestor procese i se va gsi n structura oelului legat sub form de incluziuni oxidice, diminundu-i astfel activitatea ca element de aliere.

7.2. Interaciunea elementelor de aliere cu fierulMajoritatea elementelor de aliere sunt solubile n fier, formnd cu acesta soluii solide (n care, evident, fierul este solventul, iar elementele de aliere sunt componentele solut). Prezena elementelor de aliere dizolvate (mpreun cu carbonul) n structura cristalin a fierului determin modificarea valorilor punctelor critice de transformare n stare solid a acestuia. Unele elemente de aliere, cum ar fi cromul, siliciul, molibdenul, woframul, vanadiul, niobiul, avnd structura cristalin de tip CVC, sunt izomorfe cu Fe (i Fe), au o bun solubilitate n aceast modificaie a fierului i determin extinderea domeniilor de stabilitate a feritei (i feritei delta) i restrngerea domeniilor de stabilitate a austenitei, mrind temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc1 A3) i micornd temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc2 A4). Elementele avnd influenele menionate anterior sunt denumite elemente de aliere alfagene sau elemente de aliere feritizante (notate generic EA). Aa cum se observ n figura 7.1 a, care prezint configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelor binare Fe EA, prezena elementelor de aliere alfagene determin domenii de existen a fazei Fe(EA) foarte nguste i domenii foarte extinse de stabilitate a fazei Fe(EA); la aliajele unui astfel de sistem, caracterizate7


prin %EA a%, structura la orice temperatur corespunztoare strii solide este alctuit numai din cristalele fazei Fe(EA), fiind suprimat posibilitatea realizrii transformrilor alotropice de tipul Fe Fe i eliminat astfel posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (de tipul ).

Fig. 7.1. Configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelor binare de tipul: a Fe EA; b Fe EA

Efectele anterior menionate ale elementelor de aliere alfagene se menin i n cazul aliajelor ternare Fe C EA (oeluri i fonte aliate cu elemente alfagene), n structura crora faza Fe(C, EA) este ferita aliat, iar faza Fe(C, EA) este austenita aliat; aa cum se observ n figura 7.2, care prezint diagramele pseudobinare corespunztoare la trei concentraii masice (constante) de Si EA; n aliajele ternare Fe C Si EA , creterea concentraiei Si EA determin ngustarea progresiv a domeniilor cu austenit aliat, lrgirea substanial a domeniilor cu ferit aliat i, ca o consecin, ridicarea substanial a punctului critic A1 (creterea temperaturii la care se poate realiza, n condiii de echilibru, transformarea eutectoid + Fe3C). Evident, cnd concentraia de elemente de aliere alfagene %EA a%, la orice temperatur corespunztoare strii solide, oelurile aliate au o structur monofazic feritic (sau o structur alctuit din ferit i mici coninuturi de carburi), iar fontele aliate au o structur alctuit din ferit i carburi primare sau grafit, fiind suprimat posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (care presupun existena posibilitii de realizare a transformrilor8


alotropice de tipul Fe Fe); oelurile sau fontele aliate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oeluri aliate feritice sau fonte aliate feritice.

Fig.7.2. Diagramele de echilibru pseudobinare ale aliajelor sistemului ternar Fe C Si EA cu %Sim = 2,5 %; %Sim = 5,0 % i %Sim = 7,5 %

Unele elemente de aliere, cum ar fi nichelul i manganul, avnd structura cristalin de tip CFC, sunt izomorfe cu Fe , au o bun solubilitate n aceast modificaie a fierului i determin extinderea domeniilor de stabilitate a austenitei i restrngerea domeniilor de stabilitate a feritei (i feritei delta), micornd temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc1 A3) i ridicnd temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc2 A4).9


Elementele avnd influenele menionate anterior sunt denumite elemente de aliere gamagene sau elemente de aliere austenitizante (notate generic EA). Aa cum se observ n figura 7.1 b, care prezint configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelor binare Fe EA, prezena elementelor de aliere gamagene determin domenii de existen a fazei Fe(EA) foarte nguste i domenii foarte extinse de stabilitate a fazei Fe(EA); la aliajele unui astfel de sistem, caracterizate prin %EA b%, structura la orice temperatur corespunztoare strii solide este alctuit numai din cristalele fazei Fe(EA), fiind suprimat posibilitatea realizrii transformrilor alotropice de tipul Fe Fe i eliminat astfel posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (de tipul ). Efectele anterior menionate ale elementelor de aliere alfagene se menin i n cazul aliajelor ternare Fe C EA (oeluri i fonte aliate cu elemente gamagene), n structura crora faza Fe(C, EA ) este ferita aliat, iar faza Fe(C, EA) este austenita aliat; aa cum se observ n figura 7.3, care prezint diagramele pseudobinare corespunztoare la trei concentraii masice (constante) de Mn EA; n aliajele ternare Fe C Mn EA , creterea concentraiei Mn EA determin ngustarea progresiv a domeniilor cu ferit aliat, lrgirea substanial a domeniilor cu austenit aliat i, ca o consecin, coborrea substanial a punctului critic A1 (micorarea temperaturii la care se poate realiza, n condiii de echilibru, transformarea eutectoid + Fe3C). Evident, cnd concentraia de elemente de aliere gamagene %EA b %, la orice temperatur corespunztoare strii solide, oelurile aliate au o structur monofazic austenitic, iar fontele aliate au o structur alctuit din austenit i grafit, fiind suprimat posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (care presupun existena posibilitii de realizare a transformrilor alotropice de tipul Fe Fe); oelurile sau fontele aliate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oeluri aliate austenitice sau fonte aliate austenitice. Considernd (n mod schematic, simplificat) c influenele elementelor de aliere se manifest prin modificarea poziiilor liniilor i punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Fe Fe3C, aa cum se prezint n figura 7.4, aspectele anterior prezentatate se pot sintetiza astfel: elementele de aliere alfagene (cromul, siliciul, molibdenul etc.) determin extinderea domeniilor de existen a feritei i restrngerea domeniilor de stabilitate a austenitei (v. fig. 7.4 a); la concentraii mari de elemente alfagene posibilitatea realizrii transformrii alotropice Fe Fe este suprimat i se obin oeluri sau fonte aliate feritice, care nu prezint transformri de faz n stare solid de tipul ;10


elementele de aliere gamagene (manganul, nichelul etc.) determin extinderea domeniilor de existen a austenitei i restrngerea domeniilor de stabilitate a feritei (v. fig. 7.4 b); la concentraii mari de elemente gamagene posibilitatea realizrii transformrii alotropice Fe Fe este anulat i se obin oeluri sau fonte aliate austenitice, care nu prezint transformri de faz n stare solid de tipul ;

Fig.7.3. Diagramele de echilibru pseudobinare ale aliajelor sistemului ternar Fe C Mn EA cu %Mnm = 3,0 %; %Mn m = 13,0 % i %Mn m = 20,0 %

11


elementele de aliere modific poziia punctului critic de transformare n stare solid tPSK A1 i deplaseaz punctul S (avnd, aa cum s-a specificat n scap. 4.2, abscisa %Cm = 0,77 %, corespunztoare concentraiei carbonului n perlit) spre concentraii ale carbonului mai reduse (v. fig.7.4 i 7.5); elementele de aliere deplaseaz punctul E (avnd, aa cum s-a specificat n scap. 4.2, abscisa %Cm = 2,11 %) spre concentraii ale carbonului mai sczute i, ca urmare, la unele oeluri aliate (aliaje caracterizate prin concentraii masice de carbon %Cm 2,11 %) devine posibil producerea transformrii eutectice i apariia n structura lor de echilibru a unor mici cantitti de ledeburit (constituent specific structurii fontelor albe); oelurile aliate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oeluri aliate ledeburitice.

Fig. 7.4. Schema modificrii liniilor i punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Fe-Fe3C de ctre: a elementele de aliere alfagene; b elementele de aliere gamagene

Elementele de aliere dizolvate n ferit sau austenit influeneaz proprietile fizico mecanice ale acestor faze. n figura 7.6 sunt prezentate diagramele de variaie a principalelor caracteristici mecanice ale feritei (rezistena la traciune Rm, alungirea procentual dup rupere A, duritatea Brinell HBS i energia de rupere la ncercarea la ncovoiere prin oc KV) n funcie de concentraiile masice ale diverselor elemente de aliere dizolvate n aceasta; influene similare (creterea rezistenei mecanice i duritii, meninerea constant sau diminuarea plasticitii etc.) au i elementele de aliere dizolvate n austenit.12


Fig. 7.5. Influenele elementelor de aliere asupra: a poziiei punctului critic A1; b concentraiei masice a carbonului n perlit

Fig. 7.6. Influena elementelor de aliere asupra caracteristicilor mecanice ale feritei: a Rm = f1(%EAm); b A = f2(%EAm); c HBS = f3(%EAm); d KV = f4(%EAm) 13


7.3. Interaciunea elementelor de aliere cu carbonulElementele de aliere introduse la elaborarea oelurilor i fontelor se pot clasifica, n funcie de modul n care interacioneaz cu carbonul, astfel: elemente grafitizante, care mpiedic formarea carburilor sau produc descompunerea carburilor existente i asigur apariia grafitului (carbonului liber) ca faz structural a fontelor i (uneori) a oelurilor (v. scap. 4.4); principalele elemente de aliere care fac parte din aceast categorie sunt siliciul, nichelul, aluminiul i cuprul; elemente care reacioneaz cu carbonul, dar carburile pe care le formeaz au stabilitate redus; din aceast categorie fac parte, de exemplu, nichelul i cobaltul, ale cror carburi (Ni3C, Co3C) nu apar n mod obinuit n structurile oelurilor sau fontelor aliate; elemente carburigene, care formeaz carburi stabile, ce pot exista ca faze distincte n structurile oelurilor i fontelor aliate; din aceast categorie fac parte metalele de tranziie situate n tabloul periodic al elementelor la stnga fierului (v. tabelul 1.1), elemente ce pot fi ierarhizate, n funcie de afinitatea lor fa de carbon (cresctoare odat cu mrirea deficitului de electroni n substraturile atomice d, aa cum se poate observa n fig. 7.7), astfel: Fe;Componentul de baz al oelurilor i fontelor

Mn;

Cr;

Mo;

W;

Ta; Nb; V; Zr;

TiElementul de aliere cel mai carburigen

CRETE AFINITATEA FA DE CARBON

n cazul elementelor de aliere carburigene, interaciunea cu carbonul depinde nu numai de afinitatea lor faa de acest element, dar i de concentraiile n care se gsesc acestea n oeluri i fonte i de solubilitatea lor n ferit i austenit. Ca urmare, se pot defini urmtoarele tipuri de situaii privind existena elementelor de aliere carburigene n structurile oelurilor i fontelor: a) elementele de aliere sunt dizolvate n cementit prin substituirea parial a atomilor de fier din structura cristalin a acesteia; n aceast situaie se pot afla elementele de aliere cu afinitate fa de carbon apropiat de cea corespunztoare fierului (manganul, cromul, molibdenul, wolframul), care formeaz cementit aliat, cu formula general (Fe,EA)3C, ce are caracteristicile unei faze bertholide, n structura creia atomii elementelor de aliere nlocuiesc n diverse proporii atomii de fier (de exemplu, cementita aliat cu mangan poate avea %Mnat 100 %, cementita aliat cu crom poate avea %Crat 25 %, cementita aliat cu molibden poate avea %Moat 3 %, iar cementita aliat cu wolfram poate avea %Wat 1 %);14


Ti[Ar]3d24s2

V[Ar]3d34s2

Cr[Ar]3d54s1

Mn[Ar]3d54s2

Fe[Ar]3d64s2

Co[Ar]3d74s2 [Ar] 1s22s22p63s23p6 [Kr] [Ar] 3d104s24p6 [Xe] [Kr] 4d105s25p6

Ni[Ar]3d84s2

Cu[Ar]3d104s1

Zr[Kr]4d25s2

Nb[Kr]4d45s1

Mo[Kr]4d55s1

Ta[Xe]5d36s2

W[Xe]5d46s2

elementul chimic configuraia electronic

Elemente carburigene

!

Elemente care formeaz carburi instabile

Fig. 7.7. Prezentarea schematic a corelaiei dintre poziia n tabloul periodic, configuraia electronic i afinitatea fa de carbon ale principalelor elemente de aliere din oeluri i fonte

b) elementele de aliere sunt dizolvate n cementit, dar formeaz i carburi proprii (mai ales cnd se afl n cantitti ce depsesc solubilitatea lor n cementit); n aceast situaie se pot ncadra cromul, molibdenul i wolframul, care se dizolv n cementit (n concentraiile anterior precizate) i pot forma i carburi proprii de tipul EA7C3, EA23C6 sau EA6C, cu structur cristalin complex, care se dizolv relativ uor n austenit (la nclzirea oelurilor sau fontelor aliate) i de tipul EAC, cu structura cristalin cubic sau EA2C, cu structura cristalin de tip hexagonal, care sunt insolubile n austenit; c) elementele de aliere nu se dizolv n cementit i formeaz (oricare ar fi concentraia n care au fost introduse n oeluri sau fonte) carburi proprii greu fuzibile, cu duritate i stabilitate foarte ridicate; aceast situaie este tipic elementelor puternic carburigene (tantalul, niobiul, vanadiul, zirconiul i titanul), care formeaz carburi primare (insolubile n austenit) de tipul EAC, cu structura cristalin cubic sau EA2C, cu structura cristalin de tip hexagonal. Carburile elementelor de aliere au duritatea mai mare i fragilitatea mai redus dect cele corespunztoare cementitei. Deoarece carburile sunt de obicei prezente ca faze minoritare (cu coninuturi procentuale sczute) n structura oelurilor sau fontelor aliate, influenelor pe care le au asupra proprietilor mecanice ale acestor aliaje depind n msur important de forma, modul de distribuie i gradul lor de dispersie n structur (v. scap. 3.11); carburile primare (ca faze individuale sau n alctuirea amestecului eutectic) dispuse sub form de reea la limitele cristalelor masei metalice de baz a structurii mresc rezistena mecanic i duritatea, dar diminueaz considerabil plasticitatea i tenacitatea oelurilor sau fontelor, n timp ce carburile globulare fine, uniform distribuite n matricea structural asigur oelurilor i fontelor o combinaie favorabil de caracteristici mecanice (cu valori ridicate att ale caracteristicilor de rezisten mecanic i duritate, ct i ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate).15


7.4. Influenele elementelor de aliere asupra transformrilor structurale n stare solid ale oelurilor i fontelorElementele de aliere prezente n compoziia oelurilor i fontelor pot influena desfurarea i efectele producerii transformrilor structurale n stare solid tipice acestor aliaje: transformarea la nclzire a perlitei n austenit, transforma la rcire a austenitei i transformarea la nclzire a martensitei (v. cap. 5). A. Influenele privind transformarea la nclzire a perlitei n austenit se pot sintetiza astfel: elementele de aliere care sunt solubile n cementit i/sau formeaz carburi stabile (cromul, molibdenul, wolframul, vanadiul etc.) diminueaz vitezele de desfsurare a etapelor de dizolvare a cementitei i/sau carburilor n austenit i de omogenizare a austenitei, deplasnd spre dreapta curbele c i d ale diagramei TTT la nclzire (v. fig. 5.1); datorit acestei influene, la nclzirea pieselor din oeluri sau fonte aliate cu astfel de elemente n vederea aplicrii de TT, obinerea structurilor cu austenit omogen presupune utilizarea unor valori ale parametrilor de regim ti, m mai mari dect cele corespunztoare cazului cnd piesele sunt confecionate din oeluri carbon sau fonte nealiate, iar la proiectarea pieselor care urmeaz a fi supuse clirii CIF nu se vor alege ca materiale astfel de oeluri sau fonte aliate, deoarece la nclzirea lor prin inducie cu cureni de nalt frecven se produce transformarea perlitei n austenit prin mecanismul fr difuzie (v. scap. 6.4.3.6) i rezult o structur cu austenit neomogen i carburi nedizolvate, improprie pentru obinerea unor structuri i proprieti mecanice convenabile dup clirea martensitic; elementele de aliere carburigene (molibdenul, niobiul, vanadiul, zirconul, titanul etc.), chiar i n concentraii foarte reduse (corespunztoare unei microalieri), reduc tendina de cretere a cristalelor de austenit la nclzire i confer oelurilor i fontelor ereditate granular fin, deoarece formeaz compui (carburi sau carbonitruri), distribuii sub form de reele peliculare intercristaline, care blocheaz creterea cristalelor de austenit pn la temperaturi ridicate (v. scap. 5.1.2), efecte similare avnd i alierea cu aluminiu, dac concentraia masic a acestui element este %Alm 0,1 % i se asigur formarea unor reele peliculare submicroscopice de nitruri sau oxizi, care constituie bariere eficiente pentru creterea granulaiei austenitei pn la temperaturi ridicate (dac %Alm > 0,1 %, nitrurile sau oxizii de aluminiu se distribuie n structur sub form de particule izolate i efectul de blocare a creterii granulaiei austenitei este anulat); singurul element de aliere care favorizeaz creterea granulaiei16


austenitei este manganul (element solubil n Fe i care nu formeaz carburi proprii) i, ca urmare, n compoziia oelurilor i fontelor aliate cu acest element, destinate confecionrii semifabricatelor i pieselor care se supun prelucrrii prin deformare plastic la cald sau aplicrii unor TT, trebuie introduse (n cantiti convenabile) i elemente de aliere (din gama precizat mai nainte) care s anihileze tendina spre obinerea unei granulaii grosolane indus de prezena manganului. B. Principalele influene ale elementelor de aliere asupra transformrii la rcire a austenitei sunt urmtoarele: elementele de aliere (cu excepia cobaltului), fiind (n marea lor majoritate) solubile n Fe, mresc stabilitatea austenitei n domeniul transformrilor la rcire prin mecanismele cu difuzie i intermediar i deplaseaz spre dreapta (spre durate mai lungi) curbele diagramelor de transformare izoterm i termocinetic a austenitei, micornd astfel viteza de rcire critic vrc (v. scap. 5.2.4); aceste influene importante ale prezenei elementelor de aliere n oeluri sau fonte sunt prezentate schematic de diagramele din figura 7.8 i sunt ilustrate i atestate de diagramele TTT din figurile 7.9 i 7.10, corespunztoare unor oeluri i fonte industriale;

Fig. 7.8 Prezentarea schematic a influenei elementelor de aliere asupra poziiei curbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei

elementele de aliere care nu formeaz carburi stabile (nichelul, manganul, siliciul, cuprul) au influenele anterior prezentate fr a modifica configuraia curbelor diagramelor de transformare izoterm a austenitei, n timp ce elementele de aliere care pot forma carburi (cromul, molibdenul, wolframul, vanadiul etc.) produc i modificri ale formei curbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei, acestea indicnd existena a dou puncte de maxim cinetic (tMC1 - corespunztor transformrii austenitei subrcite n perlit i tMC2 - corespunztor transformrii austenitei subrcite n bainit, v. fig. 7.11 a) sau suprimarea posibilitilor de transformare (deplasarea spre durate foarte lungi a transformrilor) prin mecanismele perlitic (v. fig. 7.11 b) sau17


bainitic (v. fig. 7.11 c); aceste influene ale elementelor de aliere care formeaz carburi (sugerate schematic de diagramele din figura 7.11) sunt ilustrate i atestate convingtor de diagramele TTT din figurile 7.12, 7.13 i 7.14, corespunztoare unor oeluri i fonte aliate industriale;

Fig. 7.9. Prezentarea comparativ a diagramelor de transformare (izoterm i termocinetic) a austenitei pentru dou oeluri industriale: a oel carbon (%Cm = 0,44 %); b oel aliat cu Ni (%Cm = 0,44 %, %Nim = 5 %)

elementele de aliere (cu excepia cobaltului i aluminiului) coboar temperaturile punctelor Ms i Mf, caracteristice pentru transformarea austenitei prin mecanismul fr difuzie (transformarea martensitic) i, ca urmare, determin creterea coninuturilor procentuale de austenit rezidual din structurile la ta ale oelurilor sau fontelor clite martensitic; aceste influene sunt ilustrate sintetic de diagramele din figura 7.15. Influenele elementelor de aliere asupra transformrii la rcire a austenitei (prezentate anterior) au cteva implicaii practice foarte importante:18


Fig. 7.10. Prezentarea comparativ a diagramelor de transformare (termocinetic) a austenitei pentru dou fonte industriale: a font nodular nealiat (%Cm = 3,4 %; %Sim = 2,6 %); b font nodular aliat cu Mo (%Cm = 3,4 %; %Sim = 2,6 %; %Mom = 0,75 %)

Fig. 7.11. Prezentarea schematic a infleunelor elementelor de aliere asupra configuraiei curbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei: a diagram cu dou puncte de maxim cinetic; b diagram cu transformarea perlitic suprimat; c diagram cu transformarea baintic suprimat

micorarea vrc, produs de prezena elementelor de aliere, determin creterea substanial a clibilitii oelurilor (v. scap. 6.4.2) i, ca urmare, piesele confecionate din oeluri aliate se pot cli pe adncimi mari i/sau se pot supune clirii martensitice n medii care rcesc mai lent dect mediile de clire tradiionale (ap, ulei), ceea ce asigur niveluri mai sczute ale tensiunilor mecanice reziduale generate de clire i reduce considerabil riscul deformrii excesive sau fisurrii acestor piese (chiar i n cazul cnd acestea prezint forme complicate sau detalii constructive cu puternice efecte de concentrare a tensiunilor);19


Fig. 7. 12. Diagramele de transformare (izoterm) a austenitei (cu dou puncte de maxim cinetic) pentru: a un oel aliat (%Cm = 0,4 %; %Nim = 1 %; %Crm = 0,5 %; %Mom = 0,2 %); b o font aliat (%Cm = 3 %; %Sim = 2 %; %Nim = 0,6 %; %Crm = 0,3 %)

Fig. 7.13. Diagrama de transformare (izoterm) a austenitei (cu transformarea perlitic suprimat) pentru un oel aliat (%Cm = 0,35 %; %Crm = 2,5 %; %Nim = 1,8 %)

Fig. 7.14. Diagrama de transformare (izoterm) a austenitei (cu transformarea bainitic suprimat) pentru un oel aliat (%Cm = 0,1 %; %Crm = 12 %; %Nim = 0,2 %)

micorarea vrc, produs de prezena elementelor de aliere, permite ca la unele oeluri i fonte aliate s se realizeze transformarea austenitei n martensit chiar i la rcirea (clirea) n aer; oelurile sau fontele aliate care prezint acest particularitate structural sunt denumite oeluri aliate martensitice (autoclibile) sau fonte aliate martensitice (autoclibile); coborrea punctului martensitic superior Ms, produs de prezena elementelor de aliere, determin la unele oeluri i fonte aliate nerealizarea transformrii martensitice prin clirea (rcirea austenitei cu o vitez vr vrc) pn la ta i meninerea unor structuri cu masa de baz austenitic dup o astfel de clire.20


Fig. 7. 15. Influenele elementelor de aliere asupra: a temperaturii Ms; b coninutului procentual de austenit rezidual din structurile la ta ale oelurilor sau fontelor clite martensitic

C. Influenele elementelor de aliere asupra transformrii la nclzire a martensitei (transformrii la revenire a structurilor obinute prin clirea martensitic a oelurilor sau fontelor) sunt urmtoarele: elementelor de aliere prezente n oeluri i fonte produc fenomenul de stabilitate la revenire a structurilor obinute prin clirea martensitic, fenomen ce const n frnarea proceselor care au loc la revenire (datorit diminurii substaniale a vitezei de difuzie a carbonului n fier n prezena elementelor de aliere) i deplasarea acestora spre temperaturi mai ridicate i/sau durate mai mari (v. scap. 5.3); datorit acestui fenomen, aa cum se poate observa din examinarea diagramei prezentate n figura 7.16 (curbele a i b), efectul obinut prin revenire este diminuat, duritatea structurilor realizate prin revenirea cu un anumit regim (ti, m v. scap. 6.5) a oelurilor sau fontelor aliate fiind mai mare dect a structurilor care rezult tratnd n acelai fel (cu acelai regim) oelurile carbon sau fontele nealiate echivalente (avnd aceleai coninuturi de carbon, elemente nsoitoare i impuritti ca i oelurile sau fontele aliate); la oelurile (cu coninuturi ridicate de carbon) i fontele aliate cu elemente care produc coborrea punctului Ms (la care, aa cum s-a artat anterior, se obin prin clirea pna la ta structuri cu masa de baz austenitic), revenirea poate determina apariia unui fenomen numit durificare secundar, care se produce deoarece la nclzirea austenitei rezultate la clire (stabil la ta datorit coninutului mare de elemente de aliere dizolvate) procesele de difuzie a carbonului i elementelor de aliere sunt activate, se separ particule fine de carburi ale elementelor de aliere, stabilitatea austenitei se micoreaz, aceasta se transform n martensit cubic i rezult astfel o structur (alctuit din21


martensit i carburi) cu duritatea ridicat, care se poate transforma, dac se mresc ti i/sau m, ntr-o structur (de tip sorbit de revenire v. scap. 6.5) cu duritatea mai sczut, dar cu caracteristicile de tenacitate mai bune; efectele descrise mai nainte se pot observa examinnd configuraia curbei c din figura 7.16; la oelurile aliate cu crom, cu crom i nichel, cu mangan etc. se manifest fenomenul numit fragilitate de revenire, care poate determina, aa cum arat diagrama din figura 7.17, apariia a dou anomalii privind nivelul tenacitii (exprimat prin valoarea energiei de rupere KV) structurilor obinute la revenire (care ar trebui s creasc continuu o dat cu ridicarea temperaturii de revenire i micorarea duritii): a) oelurile revenite la ti = 200400 oC prezint un nivel sczut al energiei de rupere KV (devin fragile), fenomen care dispare dac se face o revenire la o temperatur mai mare de 400 oC i nu mai apare dac se repet revenirea la o temperatur situat ntre 200 oC i 400 oC (dect dac revenirea se aplic dup o nou operaie de clire martensitic); fragilitatea produs de revenirea la ti = 200400 oC este denumit fragilitate ireversibil, iar apariia ei este determinat de starea de tensiuni reziduale generat de producerea nesimultan n toat masa structurii a transformrii martensitei de clire i austenitei reziduale n martensit de revenire;

Fig. 7.16. Duritatea structurilor obinute prin revenirea unor oeluri clite: a oel carbon (%Cm = 0,45 %); b oel aliat (%Cm = 0,45 %;%Crm = 1,2 %; %Mom = 0,3 %) ; c oel aliat (%Cm = 1 %; %Crm = 12 % )

Fig. 7.17. Diagrama variaiei tenacitii n funcie de temperatura de revenire la un oel aliat care prezint fenomenul de fragilitate la revenire

b) oelurile revenite timp ndelungat la ti = 450550 oC i/sau rcite lent la sfritul tratamentului prezint un nivel sczut al energiei de rupere KV (devin fragile), fenomen care se manifest, dac duratele de meninere n intervalul de22


temperaturi situat ntre 450 oC i 550 oC sunt mari i/sau viteza de rcire este mic, chiar dac se face revenirea la ti > 550 oC; fragilitatea produs de revenirea la ti = 450550 oC, determinat de saturarea cu anumite elemente (n principal cu fosfor) a marginilor cristalelor structurii i/sau separarea la marginea cristalelor a unor compui chimici ai acestor elemente (fosfuri, carburi, nitruri) i crearea condiiilor pentru apariia unor microfisuri intercristaline (care genereaz comportarea fragil a structurii de revenire), este denumit fragilitate reversibil i poate fi contracarat prin aplicarea urmtoarelor soluii: utilizarea unor regimuri de revenire la care temperatura ti > 550 oC, durata m este scurt, iar rcirea la sfritul revenirii s face rapid (n ap sau ulei) i/sau utilizarea unor oeluri aliate suplimentar cu molibden (%Mom = 0,20,3 %) sau wolfram (%Wm = 0,51,0 %), care mpiedic desfurarea proceselor (descrise mai nainte) responsabile de apariia fenomenului.

7.5. Clasele structurale de oeluri i fonte aliateInfluenele principalelor elemente de aliere asupra structurii i propriettilor oelurilor i fontelor sunt sintetizate n tabelul 7.1. Datele din acest tabel i aspectele expuse mai nainte evideniaz complexitatea influenelor elementelor de aliere i motiveaz modul anterior de prezentare i comentare a acestora, care a presupus mprirea lor pe tipuri de influene i gruparea elementelor de aliere pe clase sau categorii n funcie de modul de aciune i de efectele prezenei lor n oeluri sau fonte. De exemplu, dac un oel este aliat cu crom, se pot preciza cu un grad mare de siguran influenele prezenei acestui element de aliere (alfagen, carburigen, care finiseaz granulaia, mrete clibilitatea, crete rezistena mecanic i duritatea etc.). n mod similar, dac oelul este aliat cu nichel, se pot estima cu o bun precizie influenele prezenei acestui element de aliere (gamagen, care mrete clibilitatea, ridic rezistena mecanic i duritatea, mbuntete tenacitatea etc.). Dac ns oelul este aliat cu crom i nichel, elemente care au i unele influene similare (mresc clibilitatea, ridic rezistena mecanic i duritatea etc.), dar i multe influene contradictorii (cromul este feritizant, n timp ce nichelul este austenitizant, cromul este carburigen, n timp ce nichelul nu formeaz carburi stabile i poate avea efect grafitizant etc.), este dificil de apreciat care sunt influenele cumulate ale prezenei celor dou elemente de aliere n compoziia oelului, influena dominant (rezultant) nefiind ntotdeauna n corelaie direct cu valorile concentraiilor acestora (de exemplu, oelul cu %Cm = 0,1 % i %Crm = 18 % aparine clasei oelurilor aliate feritice, n timp ce, dac se adaug n compoziia acestui oel i %Nim = 8 %, acesta devine un oel aliat austenitic).23

Tabelul 7.1. Influenele principalelor elemente de aliere ale oelurilor i fontelor Elementul de aliere Aluminiu Crom Cobalt Mangan Solubilitatea n stare solid1,1 % (crete cu coninutul de C) 12,8 % (20 % n oeluri cu 0,5% C) Nelimitat Nelimitat 3 % (8% n

n Fe

n Fe30 % Nelimitat 80 % 15 18 % 32 % (se reduce cu scderea temperaturii) 25 % (n funcie de coninutul de carbon)

Influena asupra feriteiDurific considerabil Durific puin; crete rezistena la coroziune Durific considerabil Durific apreciabil, reduce ntructva plasticitatea Produce durificarea prin precipitare n aliajele Mo-Fe Crete rezistena i tenacitatea Durific puternic Durific i scade plasticitatea Produce durificarea prin precipitare n aliajele Ti-Fe Produce durificarea prin precipitare n aliajele W-Fe Durificare moderat prin soluia solid

Influena asupra austeniteiIn stare dizolvat reduce viteza critic Reduce viteza de racire critic vrc n aceeai msur cu manganul Crete viteza critic

Influena exercitat prin carburi Tendina de formare a carburilorMic ; efect grafitizant Mai mare dect a Mn, dar mai mic dect a W; efect antigrafitizant La fel cu a Fe

Efectul n timpul revenirii Rezisten moderat la nmuiere Menine duritatea Foarte redus, n procentele uzuale Stabilitate la revenire Impiedic nmuierea prin durificare secundar Foarte redus

Mai mare dect a Fe, dar mai Reduce vrc n aceeai msur mic dect a Cr; cu cromul efect antigrafitizant Reduce vrc mai puternic dect cromul Reduce moderat vrc , dar stabilizeaz austenita rezidual n oelurile cu coninut ridicat de carbon Reduce vrc n aceeai msur cu manganul Reduce vrc mai mult dect nichelul Are tendin puternic de formare a carburilor i mrete viteza critic In cantiti mici, reduce vrc In stare dizolvat, reduce foarte mult vrc Puternic - mai mare dect a cromului; efect antigrafitizant Mai mic dect a Fe; efect grafitizant Nul; efect grafitizant Mai mic dect a Fe; efect grafitizant Cea mai mare (2% Ti face neclibil un oel cu 0,5% C prin legarea carbonului n carburi stabile) Puternic Foarte puternic (mai mic dect a Ti sau Nb); efect antigrafitizant

Molibden oeluri cu 0,3% C) Nichel Fosfor Siliciu TitanNelimitat

2,5 % (n funcie de coninutul de carbon) 2,0 % (9 % n 18,5 % (nu depinde oeluri cu 0,3% C) mult de carbon) 0,5 % 0,75 % (1% n oeluri cu 0,2% C) 6 % (11 % n 6 % (se reduce cu scderea temperaturii) 32 % (se reduce cu scderea temperaturii) Nelimitat

Menine duritatea prin dizolvare n soluie Carburile stabile nu afecteaz revenirea, producndu-se totui o oarecare durificare secundar Impiedic nmuierea prin durificare secundar Durificare secundar maxim

Wolfram oeluri cu 0,2% C) Vanadiu1,5% (4%n oeluri cu 0,2% C)


innd seama de aceste observaii, s-a ajuns la concluzia c, pentru a defini i preciza cu o bun fidelitate efectele elementelor de aliere asupra oelurilor, este necesar, pe lng clasificarea oelurilor n funcie de gradul de aliere (prezentat n scap. 7.1) i mprirea lor n clase structurale, n funcie de constituenii din structura de echilibru stabil sau metastabil pe care o prezint la ta, dup rcirea lent sau n aer de la temperaturi nalte. Principalele clase structurale de oeluri aliate sunt prezentate n continuare. A. Oelurile aliate perlitice sunt oeluri slab sau mediu aliate la care se produc, la nclzire sau rcire, aceleai transformri structurale ca i la oelurile carbon. Elementele de aliere prezente n compoziia acestor oeluri pot avea influene multiple (se dizolv n ferit, austenit sau cementit, pot forma carburi proprii, modific poziiile punctelor critice A1 i A3, reduc concentraia carbonului n perlit, se pot separa din austenit sub form de carburi secundare, influeneaz desfurarea transformrilor n stare solid etc.), dar structurile de echilibru la ta ale oelurilor sunt similare celor corespunztoare oelurilor carbon, constituentul omniprezent fiind perlita; astfel, oelurile aliate perlitice au structura de echilibru la ta alctuit din ferit (aliat) i perlit, dac sunt oeluri hipoeutectoide, numai din perlit, dac sunt oeluri eutectoide sau din perlit i carburi (cementit aliat sau carburi secundare), dac sunt oeluri hipereutectoide, iar microstructurile acestor oeluri sunt similare celor corespunztoare oelurilor carbon (v. tabelul 4.2). Semifabricatele i piesele confecionate din oeluri aliate perlitice pot fi tratate termic sau termochimic, categoriile i tipurile de tratamente care se pot aplica fiind aceleai ca i n cazul semifabricatelor i pieselor realizate din oeluri carbon (recoacerile fr schimbare de faz, recoacerile cu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea, tratamentele termochimice); evident, la proiectarea regimurilor i estimarea efectelor tratamentelor termice sau termochimice care se aplic semifabricatelor sau pieselor din oeluri aliate perlitice se va ine seama de influenele specifice prezenei elementelor de aliere: modificarea poziiei punctelor critice A1, A3, Ms (v. relaiile (6.4)(6.6)), reducerea concentraiei carbonului n perlit, finisarea granulaiei, mrirea clibilitii, producerea fenomenului de stabilitate la revenire etc. Pentru oelurile aliate perlitice, utilizate n mod obinuit la realizarea pieselor pentru maini i utilaje, avnd compoziia chimic caracterizat prin %Cm 0,6 %; 0,5 % %Sim 2,0 %; 0,8 % %Mnm 2,0 %; %Crm 3 %; %Nim 3 %; %Mom 0,5 %; %Vm 0,1, duritatea structurii care se obine la rcirea din domeniul austenitic (ti = A3 + 3050 oC), cu o anumit vitez vr (exprimat n oC/s), se poate estima cu relaia: (7.1) HVST = (%,P)HV,P + (%B)HVB + (%M)HVM , n care (%,P), (%B) i (%M) sunt coninuturile procentuale de formaiuni feritoperlitice, bainitice i martensitice din structur, iar HV,P, HVB i HVM sunt25


duritile celor trei tipuri de formaiuni structurale, date de relaii de forma: (7.2) HVST = a0 + a EA % EAm + [b0 + bEA %EAm ] lg v r , coeficienii a0, aEA, b0, bEA avnd valorile (stabilite experimental) precizate n tabelul 7.2.Tabelul 7.2 Valorile coeficienilor din relaiilede estimare a duritii oelurilor aliate perlitice Tipul structurii Ferit + perlit Bainit Martensit Tipul structurii Ferit + perlit Bainit Martensit ST

a077,6 -6,5 202

aC223 377 949

aSi-14,6 134 27,0

aMn30,0 74,8 11,0

aCr35,5 72,9 16,0

aNi27,2 29,4 8,0

aMo19,0 73,6 0

aV462 0 0

,PB M ST

b010,0 89,0 21,0

bC0 54,0 0

bSi-19,0 -55,0 0

bMn0 -22,0 0

bCr8,0 -20,0 0

bNi4,0 -10,0 0

bMo0 -33,0 0

bV130 0 0

,PB M

De asemenea, dac oelurilor aliate perlitice destinate realizrii pieselor pentru maini i utilaje (avnd caracteristicile de compoziie chimic n limitele anterior precizate) li se aplic TT de mbuntire (clire martensitic + revenire nalt, v. scap. 6.5), parametrii ti i m ai ciclului de revenire se stabilesc innd seama de intervenia fenomenului de stabilitate la revenire. Astfel, aa cum s-a constatat experimental, pentru un regim de revenire caracterizat printr-o valoare dat a parametrului PHJ = Ti[18 + lg(m)], cu Ti = ti + 273 n K i m n ore (v. scap. 6.5), exist urmtoarea corelaie ntre duritatea HVrOA , corespunztoare structurii obinute dup revenirea unui oel aliat i duritatea HVrOC , corespunztoare structurii rezultate dup revenirea oelului carbon echivalent (care are aceeai concentraie masic de carbon ca i oelul aliat): HVrOA = HVrOC +30(%Sim+%Mnm)+55%Crm+6%Nim+100%Mom+150%Vm, (7.3) iar regimurile de revenire se pot proiecta fr dificultate, avnd n vedere c: PHJ = 21900 + 4050%C m (33,2 13%C m ) HVrOC , dac HVrOC se situeaz n intervalul de valori [150 ; 300] i PHJ = 17670 + 7950%C m 21,8HVrOC , dac HVrOC > 300.26

(7.4)

(7.5)


B. Oelurile aliate feritice sunt oeluri cu coninut sczut de carbon, mediu sau nalt aliate cu elemente alfagene (Cr, Si, Mo, W, V etc. ), care le confer, la orice temperatur corespunztoare strii solide, o structur alctuit din ferit aliat (i, eventual, mici cantiti de carburi ale elementelor de aliere). Microstructurile tipice ale oelurilor din aceast clas structural sunt prezentate n figura 7.18. Deoarece aceste oeluri nu prezint transformri de faz n stare solid (elementele de aliere elimin posibilitatea realizrii transformrilor de tipul Fe Fe i ), la piesele i semifabricatele confecionate din astfel de oeluri nu se pot aplica tratamentele termice cu schimbare de faz (recoacerile cu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea), fiind posibil numai aplicarea tratamentelor termice fr schimbare de faz: recoacerea de omogenizare (pentru omogenizarea chimic a structurilor dendritice primare ale pieselor i semifabricatelor obinute prin turnare), recoacerea de recristalizare far schimbare de faz (pentru refacerea plasticitii pieselor i semifabricatelor prelucrate prin deformare plastic la rece) i recoacerea de detensionare (pentru diminuarea nivelului tensiunilor reziduale din piesele i semifabricatele prelucrate prin diverse procedee tehnologice); singura modalitate de modificare (ntre anumite limite) a granulaiei i caracteristicilor mecanice ale pieselor i semifabricatelor din oeluri aliate feritice const din aplicarea unor operaii de deformare plastic la rece (ecruisare), urmate de recoaceri de recristalizare fr schimbare de faz (cu regimul ales corespunztor asigurrii caracteristicilor dorite).

Fig. 7. 18. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate feritice: a oel feritic aliat cu crom (%Cm = 0,06 %;%Crm = 12 %), cu structura alctuit din ferit aliat cu crom (cromferit) i carburi; b - oel feritic aliat cu siliciu (%Cm = 0,05 %;%Sim = 3,0 %), cu structura monofazic alctuit din cristale de ferit aliat cu siliciu

C. Oelurile aliate austenitice sunt oeluri ce au n compoziie concentraii mari de elemente gamagene (Ni, Mn etc.), care le confer, la orice temperatur corespunztoare strii solide, o structur alctuit din austenit aliat (i, eventual, mici cantiti de cementit aliat sau carburi ale elementelor de aliere). Cele mai utilizate tipuri de oeluri din aceast clasa sunt oelurile austenitice manganoase, la care structura austenitic este conferit de alierea cu27


mangan, oelurile austenitice cu nichel i oelurile austenitice crom nichel, la care structura austenitic este conferit de alierea cu nichel i, uneori, de alierea suplimentar cu mangan i/sau azot, care asigur formarea structurii austenitice la concentraii mai mici ale nichelului (face oelurile mai ieftine, deoarece resursele mondiale de nichel sunt limitate i acest element este scump) i meninerea acestei structuri pn la temperaturi sczute (stabilizarea structurii austenitice). Microstructurile tipice ale oelurilor din aceast clas structural sunt prezentate n figura 7.19. Deoarece aceste oeluri nu prezint transformri de faz n stare solid (elementele de aliere elimin posibilitatea realizrii transformrilor de tipul Fe Fe i ), la piesele i semifabricatele confecionate din astfel de oeluri nu se pot aplica tratamentele termice cu schimbare de faz (recoacerile cu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea), fiind posibil numai aplicarea tratamentelor termice fr schimbare de faz: recoacerea de omogenizare (pentru omogenizarea chimic a structurilor dendritice primare ale pieselor i semifabricatelor obinute prin turnare), recoacerea de recristalizare far schimbare de faz (pentru refacerea plasticitii pieselor i semifabricatelor prelucrate prin deformare plastic la rece) i recoacerea de detensionare (pentru diminuarea nivelului tensiunilor reziduale din piesele i semifabricatele prelucrate prin diverse procedee tehnologice); ca i n cazul oelurilor aliate feritice, singura modalitate de modificare (ntre anumite limite) a granulaiei i caracteristicilor mecanice ale pieselor i semifabricatelor din oeluri aliate austenitice const din aplicarea unor operaii de deformare plastic la rece (ecruisare), urmate de recoaceri de recristalizare fr schimbare de faz (cu regimul ales corespunztor asigurrii caracteristicilor dorite). D. Oelurile aliate martensitice (autoclibile) sunt oeluri la care concentraiile de carbon i de elemente de aliere sunt alese astfel nct s nu suprime posibilitile de realizare a transformrilor de faz n stare solid i s asigure o diminuarea a vitezei de rcire critice care s permit obinerea unei structuri martensitice la rcirea n aer din domeniul austenitic. Deoarece, aa cum s-a precizat anterior, toate elementele de aliere (n afar de cobalt) au capacitatea de a micora vrc, gama oelurilor martensitice ar trebui s aib o mare extindere; gama oelurilor aliate martensitice utilizate n aplicaii tehnice este ns destul de restrns, deoarece oelurile martensitice aliate cu elemente gamagene (Ni sau Mn), fiind caracterizate printr-o mare fragilitate, se folosesc foarte rar i singurele oelurile martensitice cu o frecven mai mare de utilizare sunt oelurile nalt aliate cu crom, cu diferite reete de compoziie: a) %Cm < 0,15 % i %Crm = 1214 %; b) %Cm = 0,20,4 % i %Crm = 1315 %; c) %Cm = 0,61,0 %; %Crm = 1618 %; d) %Cm = 0,10,2 %; %Crm = 1618 %; %Nim = 24 %. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate martensitice (autoclibile) sunt prezentate n figura 7.20.28


Fig. 7. 19. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate austenitice: a oel austenitic aliat cu mangan (%Cm = 1,2 %; %Mnm = 12 %); b - oel austenitic aliat cu nichel (%Cm = 0,08 %; %Nim = 12 %); c - oel austenitic aliat cu crom i nichel (%Cm = 0,05 %; %Crm = 18 %; %Nim = 8 %; ); d - oel austenitic aliat cu crom i nichel (%Cm = 0,4 %; %Crm = 25 %; %Nim = 30 %; )

Fig. 7. 20. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate martensitice: a oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 0,4 %; %Crm = 14 %); b - oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 0,22 %; %Crm = 14 %); 29


E. Oelurile aliate ledeburitice sunt oeluri care au n compoziie concentraii mari de carbon (de obicei, %Cm > 0,6 %) i de elemente de aliere (Cr, W, V, Mo etc.), astfel c la rcirea lor din stare lichid este posibil realizarea transformrii eutectice i apariia n structur a unor mici cantiti de ledeburit (constituent specific structurii fontelor albe). n funcie de concentraiile de carbon i de elemente de aliere ce le caracterizeaz compoziia, formaiunile ledeburitice din structura acestor oeluri pot fi disperse, aa cum se observ pe microstructura prezentat n figura 7.21 a, sau coerente, sub forma unei reele ledeburitice intergranulare (denumit n tehnic schelet ledeburitic), aa cum evideniaz microstructura din figura 7.21 b, ambele microstructuri corespunznd unor oeluri aliate ledeburitice clite martensitic (formaiunile ledeburitice sunt dispuse la marginea cristalelor de austenit, din care s-au separat carburi secundare i care s-au transformat prin clire n martensit).

Fig. 7. 21. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate ledeburitice: a oel ledeburitic aliat cu crom i molibden (%Cm = 0,85 %; %Crm = 12 %; %Mom = 3 %); b - oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 1,35 %; %Crm = 12 %);

Clasa structural creia aparine un oel aliat depinde de concentraia carbonului, precum i de tipul i concentraiile elementelor de aliere coninute de acesta. Pentru estimarea clasei structurale a oelurilor aliate se folosesc diagramele structurale ale oelurilor aliate, construite experimental pentru cele mai utilizate categorii de astfel de oeluri. Diagramele structurale din figura 7.22, corespunztoare unor oeluri aliate cu elemente alfagene (Cr, Si, W etc.) i din figura 7.23, corespunztoare unor oeluri aliate cu elemente gamagene (Ni, Mn etc.) sunt realizate n coordonate %Cm; %EAm. Pentru estimarea clasei structurale a oelurilor aliate complex, avnd n compoziie att elemente alfagene, ct i elemente gamagene, se utilizeaz diagrama structural A. Schaeffler, prezentat n figura 7.24, avnd n abscis concentraia de crom echivalent %Cre, iar n ordonat concentraia de nichel echivalent %Nie. Fiecare din cele dou mrimi care definesc sistemul de coordonate al diagramei structurale A. Schaeffler30


grupeaz cte o categorie de componente de aliere ale oelurilor: concentraiile masice ale elementelor de aliere alfagene (feritizante) sunt considerate (fiecare cu cte un factor de multiplicare stabilit experimental) pentru definirea mrimii %Cre, iar concentraiile masice ale elementelor de aliere gamagene (austenitizante) sunt considerate (fiecare cu cte un factor de multiplicare stabilit experimental) pentru definirea mrimii %Nie. Pentru definirea mrimilor %Cre i %Nie se utilizeaz relaiile: (7.6) %Cre = %Crm + %Mom +1,5%Sim +0,5%Nbm, (7.7) %Nie = %Nim + 0,5%Mnm +30%Cm , care se completeaz uneori, adugnd 2%Tim + %Vm + 0,5%Tam + %Wm + %Alm la determinarea %Cre i 0,5%Com +30(%Nm Xc) la determinarea Nie, termenul de corecie Xc lundu-se nenul, dac %Crm 18 % (Xc = 0,06, dac 18 %Crm 500 oC; c) prin rcirea rapid n ap sau ulei la revenire; d) prin alierea suplimentar cu mangan? T.7.26. Pentru stabilirea clasei structurale a unui oel aliat, avnd compoziia caracterizat prin %Cm = 0,05 %, %Mn = 2,0 %, %Sim = 0,8 %, %Crm = 17 % i %Nim = 10 % se folosete diagrama structural A. Schaeffler. Care sunt coordonatele PCN corespunztor acestui oel: a) %Cre = 18,2 %;37


%Nie = 11,5 %; b) %Cre = 18,2 %; %Nie = 12,5 %; c) %Cre = 12,5 %; %Nie = 18,2 %; d) %Cre = 20,5 %; %Nie = 12,5 %? T.7.27. Crei clase structurale aparine oelul cu %Cm = 0,08 %, aliat cu %Crm = 17 %: a) clasa oelurilor feritice; b) clasa oelurilor martensitice; c) clasa oelurilor ledeburitice; d) clasa oelurilor austenitice? T.7.28. Crei clase structurale aparine oelul cu %Cm = 0,03 %, %Mn = 1,2 %, %Sim = 0,6 %, %Crm = 25 % i %Nim = 0,5 %: a) clasa oelurilor feritice; b) clasa oelurilor martensitice; c) clasa oelurilor ledeburitice; d) clasa oelurilor austenitice? T.7.29. Care dintre urmtoarele probleme poate s apar la utilizarea oelului cu %Cm = 0,02 %, %Mn = 1,2 %, %Sim = 0,6 %, %Crm = 20,5 % i %Nim = 10 %: a) fragilizarea prin apariia fazei sigma; b) fragilizarea (fisurarea) la cald; c) fragilizarea (fisurarea) la rece; d) fragilizarea datorit creterii intense a granulaiei la nclzire? T.7.30. Care din urmtoarele tipuri de fonte aliate au grafit n structur: a) fontele aliate cu siliciu; b) fontele nalt aliate cu crom; c) fontele aliate cu vanadiu; d) fontele nalt aliate cu nichel?

AplicaiiA.7.1. n figura 7.27 se prezint diagramele de transformare termocinetic a austenitei pentru un oel slab aliat, avnd compoziia chimic definit prin %Cm = 0,44 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Sm = 0,030 %; %Pm = 0,025 %; %Crm = 1,05 %; %Nim = 0,26 %; %Mom = 0,04 %; %Vm = 0,01 % i pentru oelul carbon echivalent (cu compozia chimic definit prin %Cm = 0,44 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Sm = 0,030 %; %Pm = 0,025 %). Folosind datele din aceste diagrame i aplicnd relaiile (7.1) i (7.2) s se estimeze valorile duritii structurilor care rezult la rcirea celor dou oeluri, din domeniul austenitic i pn la ta, cu diferite viteze vr. Rezolvare Aa cum se poate observa examinnd figura 7.27, pe fiecare din diagramele de transformare a austenitei sunt trasate cte n curbe de rcire, fiecrei curbe de rcire corespunzndu-i o vitez de rcire vrj, j = 1n i o anumit alctuire a structurii care rezult prin rcirea austenitei cu aceast vitez. Coninuturile procentuale de formaiuni ferito-perlitice (%,P)j, bainitice (%B)j i martensitice (%M)j n structurile care rezult prin rcirea austenitei dup curbele de rcire j = 1n sunt precizate pe diagramele din figura 7.27, iar valorile vitezelor de rcire corespunztoare acestor curbe se determin, folosind procedeul descris la rezolvarea aplicaiei A.5.3, cu ajutorul relaiei (5.10); datele care se obin pe aceast cale sunt prezentate n tabelul 7.3.38


a.

b.Fig 7.27. Diagramele transformrii termocinetice a austenitei pentru dou oeluri cu %Cm = 0,44 %: a oel slab aliat cu Cr, Ni,Mo i V; b oel carbon 39

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabelul 7.3. Vitezele de rcire i alctuirea structurilor corespunztoare curbelor de rcire din diagramele prezentate n figura 7.27 Alctuirea structurii t1j, t2j, vrj, 1j, 2j, o o o C C C/s (%B)j (%M)j s s (%,P)j OTEL ALIAT 12300 750 40000 650 100 3,610-3 -2 1000 750 3500 650 100 4,010 -1 150 750 500 650 100 2,910 60 750 160 650 1,0 100 25 750 100 650 1,3 56 25 19 9 750 56 650 2,1 7 60 33 7 750 24 650 5,9 2 70 28 5 750 17 650 8,3 60 40 3 750 10 650 14,3 5 95 1 750 4 650 33,3 3 97 0,8 750 3 650 45,5 100 OTEL CARBON 4150 750 16100 650 100 8,410-3 100 750 360 650 100 3,810-1 3 750 20 650 5,9 100 0,9 750 5 650 24,4 100 0,5 750 2 650 66,7 90 5 5 0,5 721 1,5 650 71,0 73 17 10 0,5 706 1,2 650 80,0 13 20 67 0,5 693 0,7 650 215,0 2 98

Curba de rcire j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8

Aplicnd relaiile (7.1) i (7.2) pentru datele din tabelul 7.3 s-au obinut rezultatele prezentate n tabelul 7.4, cu ajutorul crora s-au construit, pentru cele dou oeluri considerate, graficele dependenelor HVST = f(vr), reprezentate n figura 7.28.

Fig.7.28. Graficele dependenelor HVST = f(vr) pentru cele dou oeluri considerate n aplicaia A.7.1. 40

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate Tabelul 7.4. Duritile structurilor obinute la rcirea austenitei dup curbele de rcire reprezentate pe diagramele din figura 7.27 Curba de rcire j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8o

vrj, C/s

Duritileformaiunilor structurale HV,P 206 223 237 246 248 251 259 184 194 201 205 207 207 208 HVB OTEL ALIAT 342 354 380 389 402 424 OTEL CARBON 400 402 407 442 HVM 656 660 669 672 677 685 688 673 673 674 683

Duritatea structurii HVST 206 223 237 246 349 448 459 502 664 677 688 184 194 201 205 240 287 560 678

3,610-3 4,010-2 2,910-1 1,0 1,3 2,1 5,9 8,3 14,3 33,3 45,5 8,410-3 3,810-1 5,9 24,4 66,7 71,0 80,0 215,0

Observaie Rezultatele aplicaiei evideniaz cteva aspecte practice importante privind oelurile aliate hipoeutectoide din clasa perlitic, utilizate cu precdere la fabricarea pieselor pentru maini i utilaje: structurile de echilibru (ferito perlitice) ale acestor oeluri au duriti similare celor corespunztoare structurilor de echilibru ale oelurilor carbon echivalente; ca urmare, punerea n valoare a prezenei elementelor de aliere coninute de aceste oeluri este posibil numai prin aplicarea de TT capabile s asigure realizarea unor structuri cu coninuturi procentuale mari de formaiuni bainitice i/sau martensitice, care confer oelurilor caracteristici ridicate de rezisten mecanic i duritate; la aceste oeluri, structurile cu caracteristici ridicate de rezisten mecanic i duritate se pot obine i la rcirea austenitei cu viteze mult mai mici dect cele necesare pentru realizarea acelorai efecte la oelurile carbon41


echivalente; de exemplu, aa cum se poate observa examinnd graficele din figura 7.28, pentru obinerea structurii complet martensitice la oelul aliat sunt necesare viteze de rcire vr 45 oC/s (asigurate de clirea n ulei, v. fig.5.17), n timp ce pentru realizarea aceleiai structuri la oelul carbon echivalent trebuie folosite viteze de rcire vr > 200 oC/s (asigurate numai de rcirea n ap, v. fig. 5.17), care determin creterea nsemnat a nivelului tensiunilor reziduale induse n piesele clite i apariia pericolului fisurrii acestora. A.7.2. Pentru realizarea unor piese de tip arbore sunt disponibile semifabricate confecionate din dou sortimente de oel: a) oel aliat, cu compoziia chimic definit prin %Cm = 0,45 %; %Sim = 0,3 %; %Mnm = 0,6 %; %Crm = 1,2 %; %Mom = 0,3 % i b) oel carbon, cu compoziia chimic definit prin %Cm = 0,45 %; %Sim = 0,3 %; %Mnm = 0,6 %. S se stabileasc i s se compare regimurile TT de mbuntire care asigur pieselor de tip arbore confecionate din cele dou oeluri un nivel al duritii finale de 280 HV. Rezolvare Aa cum este cunoscut din scap. 6.5, TT de mbuntire const dintr-un ciclu primar de clire martensitic i un ciclu final de revenire nalt. Conform indicaiilor din scap. 6.4, clirea martensitic a oelurilor (carbon sau aliate perlitice) hipoeutectoide trebuie realizat cu urmtorul regim: ti = A3 + 30 50 oC, vi < vad, m = 5 10 min i rcirea n ap sau ulei. Aplicnd relaia (6.4), rezult c pentru oelurile cu compoziiile chimice precizate n enun, valorile punctului critic A3 sunt: A3 823 oC, pentru oelul aliat i A3 810 oC, pentru oelul carbon i, ca urmare, regimurile TT de clire martensitic pentru piesele confecionate din cele dou sortimente de oel vor fi asemntoare: ti = 850870 oC, m = 510 min i rcirea n ap sau ulei; innd seama de influenele elementelor de aliere, la realizarea TT de clire la piesele din oel aliat se recomand utilizarea unor valori ale ti i m ctre limitele superioare ale intervalelor de valori prescrise (deoarece prezena elementelor de aliere frneaz procesele de obinere a austenitei omogene) i rcirea n ulei (deoarece elementele de aliere reduc vrc i mresc clibilitatea oelului), iar la aplicarea TT de clire la piesele din oel carbon se vor alege ti i m ctre limitele inferioare ale intervalelor de valori prescrise i se va face rcirea n ap (pentru a se asigura formarea unei structuri martensitice). Dup clire, duritatea pieselor confecionate din cele dou sortimente de oel va fi aproximativ identic (deoarece duritatea martensitei depinde esenial de concentraia carbonului n oel, v. scap. 5.2.2), apropiat de valoarea dat de relaia (6.8), HM 58 HRC (660 HV). Pentru proiectarea regimului de revenire nalt a pieselor din oel carbon, se stabilete valoarea necesar a parametrului PHJ = Ti[18 +lg(m)],42


folosind relaia (7.4), n care se consider HVrOC = 280 i %Cm = 0,45 %; rezult: PHJ = 21090 + 40500,45 (33,2 - 130,45)280 = 15255. Dac se adopt o durat de meninere la revenire m = 5 ore, rezult c temperatura la care trebuie efectuat revenirea pentru a se asigura nivelul calculat al PHJ este: Ti =15255 18 + lg 5

816 K sau ti 540 oC. Ca urmare, un regim de revenire care

confer pieselor din oel carbon nivelul impus al duritii finale are paremetrii: ti 540 oC; m = 5 ore i rcirea n aer (rcirea nu influeneaz calitatea pieselor din oel carbon supuse revenirii). Dac se folosete acelai regim la revenirea pieselor din oel aliat, va rezulta, n conformitate cu relaia (7.3), un nivel al duritii finale HVrOA = 280 + 551,2 + 1000,3 = 376. Interpretnd corespunztor relaiile (7.3) i (7.4), rezult c, pentru a realiza pe piesele din oel aliat un nivel al duritii dup revenire HVrOA = 280, este necesar s se utilizeze un regim de revenire care asigur la piesele din oel carbon un nivel al duritii HVrOC = 280 551,2 1000,3 = 184; utiliznd relaia (7.4), rezult c, pentru satisfacerea acestei condiii, trebuie ca valoarea parametrului PHJ s fie: PHJ = 21090 + 40500,45 (33,2 130,45)184 = 17880. Dac se adopt o durat de meninere la revenire m = 5 ore, rezult c temperatura la care trebuie efectuat revenirea pentru a asigurarea acestui nivel al PHJ 17880 este: Ti = 956 K sau ti 680 oC. Ca urmare, un regim de revenire care18 + lg 5

confer pieselor din oel aliat nivelul impus al duritii finale are parametrii: ti 680 oC; m = 5 ore i rcirea n aer (deoarece oelul este aliat cu Mo i nu exist pericolul de a se manifesta fragilitatea reversibil la revenire). Observaii Rezolvarea aplicaiei evideniaz efectele fenomenului de stabilitate la revenire, indus de prezena elementelor de aliere dintr-un oel. Aceste efecte pot fi mai sugestiv ilustrate, dac se construiesc, pentru oelul aliat i pentru oelul carbon echivalent, graficele dependenelor HVr = f(ti), corespunztoare unei durate de meninere la revenire m = ct; coordonatele punctelor acestor grafice se obin cu ajutorul relaiilor (7.3), (7.4) i (7.5). n figura 7.29 sunt prezentate graficele construite pentru oelurile precizate n enunul aplicaiei, considernd o durat de revenire m = 5 ore. Rezultatele aplicaiei nu trebuie s conduc la concluzia c, n general, TT de revenire a pieselor din oel aliat este mai costisitor dect cel aplicat pieselor diun oel carbon (datorit necesitii utilizrii unor temperaturi de nclzire i/sau unor durate de meninere mai mari). n mod43


obinuit, atunci nd se utilizeaz oeluri aliate se prescriu i niveluri mai ridicate ale rezistenei mecanice i duritii, pentru a valorifica corespunztor cheltuielile suplimentare datorit alierii i se pot utiliza regimuri de revenire asemntoare celor aplicabile la oelurile carbon echivalente. De exemplu, aa cum a rezultat la rezolvarea aplicaiei, dac la piesele din oel carbon se prescrie ca duritate dup mbuntire s fie HVrOC = 280 (corespunztoare unei rezistene la traciune Rm 900 N/mm 2 ), iar la piesele din oel aliat se prescrie ca duritatea dup mbuntire s fie HVrOA 370 (corespunztoare unei rezistene la traciune Rm 1200 N/mm 2 ), regimurile TT de revenire, impuse de realizarea acestor caracteristici vor fi identice.

Fig. 7.29. Graficele dependenelor HVr = f(ti) pentru un oel aliat de tip Cr-Mo i pentru oelul carbon echivalent

A.7.3. Stiind c viteza asigurat la rcirea n aer linitit a pieselor din oeluri este vr = 0,25 1 oC/s, s se analizeze dac oelul aliat, cu compoziia chimic definit prin: %Cm = 0,8 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Crm = 6 %; %Mom = 1 %, avnd diagrama de transformare termocinetic a austenitei prezentat n figura 7.30, poate fi ncadrat n clasa structural a oelurilor aliate martensitice. Rezolvare Folosind procedura descris la rezolvarea aplicaiei A.5.4, s-au stabilit coordonatele punctelor ce descriu curbele de rcire cu vitezele vr1 = 0,25 oC/s i vr2 = 1 oC/s i s-au trasat aceste curbe pe diagrama de transformare termocinetic a austenitei (v. fig. 7.30). Se observ astfel c rcirea n aer a austenitei conduce la obinerea unei structuri complet martensitice i, deci, oelul avnd compoziia chimic precizat n enunul aplicaiei aparine clasei structurale a oelurilor aliate martensitice.44


Fig. 7.30. Diagarma transformrii termocinetice a austenitei la un oel cu %Cm = 0,8 %, %Crm = 6 %; %Mom = 1 %

Observaie Otelul considerat n aceast aplicaie este aliat numai cu elemente alfagene, n concentraiile %Crm = 6 %; %Mom = 1 %. Dac se folosete relaia (7.6), se obine %Cre = 7 %. Poziionnd pe diagrama structural din figura 7.22 b punctul caracteristic nominal al oelului, avnd coordonatele (%Cm = 0,8 %; %Cre = 7 %), rezult i pe aceast cale c oelul analizat aparine clasei structurale a oelurilor aliate martensitice. A.7.4. Pentru elaborarea unei arje de 100 kg de oel aliat se topesc, ntr-un cuptor electric cu inducie, deeuri de oel, cu compoziiile chimice i n cantitile indicate n tabelul 7.5. S se estimeze compoziia chimic i clasa structural corespunztoare oelului elaborat, considernd c, la elaborarea oelului n cuptorul electric cu inducie, modificrile compoziiei chimice a materiilor prime sunt neglijabile. Rezolvare Pentru a da caracter general algoritmului de soluionare a problemei, se considr c sunt disponibile n sortimente de deeuri de oel, n cantitile mj, j = 1...n ( M = m j ) i avnd compoziiile chimice, exprimate prin concentraiilej =1 n

45


masice ale elementelor de aliere (inclusiv carbonul) %EAmj (%Cmj; %Simj; %Mnmj, %Crmj; %Nimj; %Momj), j = 1...n, cunoscute. Utiliznd relaiile (7.3) i (7.4), se calculeaz, pentru toate sortimentele de deeuri (materii prime), valorile parametrilor %Crej i %Niej, j = 1...n i ponderea fiecruia din ele n ncrctura utilizat la elaborarea arjei c j = M , j = 1...n. Folosind rezultatele obinute, se calculeaz valorile parametrilor %Cre i %Nie, corespunztoare arjei de oel aliat elaborate, cu relaiile: %Cre = c j %Crej ; % Niej = c j % Niej .j =1 j =1 n n mj

Punctul O, avnd coordonatele (%Cre; %Nie), reprezint n diagrama structural A. Schaeffler punctul caracteristic nominal al arjei de oel aliat elaborate (O PCN), pozia sa permind precizarea clasei structurale a oelului. Evident, compoziia chimic a oelului elaborat se poate estima cu ajutorul unor relaii de forma: % EAm = c j % EAmj ,j =1 n

n care EA se consider, pe rnd, a fi C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo.Tabelul 7.5. Compoziiile chimice ale materiilor prime disponibile pentru elaborarea unei arje de oel aliat Materia prim, j= 1 2 3 n=4

Concentraiile masice ale componentelor de aliere %Cm0,02 0,02 0,03 0,18

%Sim0,6 0,4 0,6 0,8

%Mnm2,0 1,2 0,6 0,8

%Crm19,0 25,0 18,5 12,0

%Nim12,5 10,0 0,20 0,30

%Mom3,8 1,5 1,0

Cantitatea mj, kg 50 25 15 10

Aplicnd procedura descris anterior pentru datele precizate n enun, se obin rezultatele redate n tabelul 7.6. Compoziia chimic a arjei de oel aliat elaborate este: %Cm = 0,0375 %; %Sim = 0,570 %; %Mnm = 1,470 %; %Crm = 19,725 %; %Nim = 8,810 %; %Mom = 1,275 %, iar poziia punctului caracteristic nominal O(%Cre; %Nie) n diagrama din figura 7.31 indic apartenena acestui oel la clasa structural a oelurilor aliate austenito feritice. Observaie Pentru rezolvarea problemei se poate utiliza i o procedur grafic recursiv, care evideniaz modalitatea uzual de lucru pe diagrama structural A. Schaeffler la soluionarea aplicaiilor practice. Aceast procedur conine urmtoarea succesiune de etape: se determin, cu relaiile (7.2) i (7.3), pentru fiecare sortiment de deeuri valorile parametrilor %Crej i %Niej i se reprezint pe diagrama46


structural A. Schaeffler punctele caracteristice nominale corespunztoare acestora Oj(%Crej; %Niej), j = 1n;Tabelul 7.6. Rezultatele aplicaiei A.7.4.

Materia prim, j =1 2 3 n=4

%Cre19,9 29,4 20,9 14,2

%Nie14,1 11,2 1,4 6,1

Clasa structuralAustenitic Austenito feritic Feritic Ferito martensitic

cj0,50 0,25 0,15 0,10

OTELUL ELABORAT

21,855

10,670

Austenito feritic

se consider c arja de oel aliat rezult prin topirea succesiv a cte unei perechi de materii prime MP i rezult: * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1 i m2 de deeuri din primele dou sortimente, notat O1,2, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1O2 n dou pri proporionale cu ponderile participrii acestor dou sortimente de materie prim (c1 = 1 c2; c2 =m2

Fig. 7. 31. Reprezentarea pe diagrama structural A. Schaeffler a rezultatelor aplicaiei A.7.4

mjj =1

2

) i are coordonatele %Cre1,2 = c1%Cre1 + c2%Cre2

i %Nie1,2 = c1%Nie1 + c2%Nie2;47


* punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1,2 = m1 + m2 i m3 de deeuri din sortimentele (1,2) i 3, notat O1,3, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,2O3 n dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim (c1,2 = 1 c3; c3 =m3

mjj =1

3

) i are coordonatele %Cre1,3 = c1,2%Cre1,2 + c3%Cre3 i

%Nie1,3 = c1,2%Nie1,2 + c3%Nie3; * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1,k = m j i mk+1 de deeuri din sortimentele (1,k) i k+1,j =1 k

notat O1,k+1, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,kOk+1 n dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim (c1,k = 1 ck+1; ck +1 =m k +1k +1 j =1

) i are coordonatele

mj

%Cre1,k+1 = c1,k%Cre1,k + ck+1%Crek+1 i %Nie1,k+1 = c1,k%Nie1,k + ck+1%Niek+1; * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1,n1 = m j i mn de deeuri din sortimentelej =1 n 1

(1,n-1) i n, notat O, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,n-1On n dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim (c1,n-1 = 1 cn ; cn =mn

mjj =1

n

=

mn M

) i are coordonatele

%Cre = c1,n-1%Cre1,n-1 + cn%Cren i %Nie = c1,n-1%Nie1,n-1 + cn%Nien. Folosind aceast procedur n cazul precizat n enunul aplicaiei se obin rezultatele redate n tabelul 7.7 i pe diagrama din figura 7.31. Rezolvarea aplicaiei prin procedura grafic recursiv arat c (datorit sumrii erorilor din ntreaga succesiune de etape parcurs) aceasta asigur o precizie a rezultatelor mai mic dect procedura utilizat anterior, dar este mai sugestiv i permite evidenierea unor concluzii cu caracter general; astfel, din reprezentrile grafice corespunztoare parcurgerii etapelor acestei proceduri, rezult (v. fig. 7.31): punctul caracteristic nominal al oelului elaborat prin topirea a dou48


sortimente de deeuri de oel se afl pe segmentul O1O2, care unete punctele caracteristice nominale O1 i O2 ale celor dou materii prime utilizate; punctul caracteristic nominal al oelului elaborat prin topirea a n sortimente de deeuri de oel se afl n interiorul poligonului O1O2OkOnO1, avnd vrfurile n punctele caracteristice nominale O1, O2,,Ok,,On ale celor n materii prime utilizate.Tabelul 7.7. Datele obinute la rezolvarea aplicaiei A.7.4 prin procedeul grafic MP1 m1 = 50 kg c1 = 0,667 %Cre1 = 19,9 % %Nie1 = 14,1 % PCN O1 MP2 m2 = 25 kg c2 = 0,333 %Cre2 = 19,9 % %Nie2 = 11,2 % PCN O2

MP1,2 MP3 m1,2 = 75 kg m3 = 15 kg c1,2 = 0,833 c3 = 0,167 %Cre1,2 = 23,067 % %Cre3 = 20,9 % %Nie1,2 = 13,133 % %Nie3 = 1,4 % PCN O1,2 PCN O3 MP1,3 m1,3 = 90 kg c1,3 = 0,900 %Cre1,3 = 22,705 % %Nie1,2 = 11,174 % PCN O1,2 MP1,4 OTELUL ELABORAT m1,4 = M = 90 kg c1,4 = 1,000 %Cre1,4 = 21,855 % %Nie1,4 = 10,670 % PCN O

MP4 m4 = 15 kg c4 = 0,167 %Cre4 = 14,2 % %Nie4 = 6,1 % PCN O4

A.7.5. Pentru elaborarea unei arje de oel aliat, cu masa M = 100 kg, se topesc, ntr-un cuptor electric cu inducie, patru sortimente de deeuri de oel, cu compoziiile chimice indicate n tabelul 7.5. Considernd c, la elaborarea oelului n cuptorul electric cu inducie, modificrile compoziiei chimice a materiilor prime sunt neglijabile, s se determine ce cantiti (mase) din aceste materii prime trebuie utilizate pentru obinerea unui oel aliat austenito feritic, cu un coninut procentual de ferit n structura % = 50 %. Rezolvare Se consider notaiile i principiile utilizate n cele dou proceduri concepute pentru rezolvarea aplicaiei A.7.4, necunoscutele problemei fiind participrile (ponderile) materiilor prime folosite pentru elaborarea arjei de oel49


aliat c1 =

m1 M

; c2 =

m2 M

; c3 =

m3 M

; c4 =

m4 M

, care, evident, trebuie s respecte4 j =1

condiiile 0c11; 0c21; 0c3 1; 0c41 i c j = 1. n aceste circumstane, coordonatele punctului O (punctul caracteristic nominal al oelului elaborat) sunt: %Cre = c j %Crej i % Nie = c j % Niej .j =1 j =1 4 4

Pentru ca oelul elaborat s corespund clasei structurale a oelurilor austenito feritice (duplex) cu coninuturile procentuale de faze din structura de echilibru % = 50 % i % = 50 %, este necesar ca punctul O(%Cre; %Nie) s fie situat, n domeniul austenito feritic al diagramei structurale A. Schaeffler, pe dreapta corespunztoare unui coninut procentual % = 50 %; aa cum se observ pe diagrama din figura 7.32, respectarea acestor condiii impune ca punctul O s se afle pe segmentul AB, delimitat, pe dreapta corespunztoare coninutului procentual % = 50 %, de dreapta O1O2 i dreapta PQ, ce delimiteaz pe diagram domeniul bifazic + . n sistemul de coordonate al diagramei din figura 7.32, ecuaia dreptei AB, care conine punctele cu coordonatele (26,0 %; 9,9 %) i (32,0 %; 13,6 %), este %Nie = 0,617%Cre 6,133, ecuaia dreptei O1O2, care conine punctele cu coordoantele (19,9 %; 14,1 %) i (29,4 %; 11,2 %), este %Nie = -0,305%Cre + 20,175, iar ecuaia dreptei PQ, care conine punctele cu coordonatele (0 %; 25,5 %) i (26,0 %; 4,5 %), este %Nie = -0,792%Cre + 25,5 i, ca urmare, condiiile anterior formulate se transcriu matematic sub forma urmtorului sistem:

Fig. 7. 32. Reprezentarea pe diagrama structural A. Schaeffler a rezultatelor aplicaiei A.7.5 50


%Nie 0,617%Cre + 6,133 = 0; %Nie + 0,305%Cre + 20,175 0; %Nie + 0,792%Cre 25,500 0; nlocuind expresiile scrise anterior ale parametrilor %Cre i %Nie, sistemul devine: c1 0,954c2 1,971c3 + 0,774 = 0; c1 + c2 + 0,595c3 1 0; c1 + 1,369c2 + 0,049c3 0,652 0; 0 c1 1; 0 c2 1; 0 c3 1; 0 c4 1 i c4 = 1 c1 c2 c3. Pentru gsirea soluiilor acestui sistem, se procedeaz la descompunerea acestuia n dou grupri de condiii: a) c1 = 0,954c2 + 1,971c3 0,774 [0; 1]; c4 = -1,954c2 2,971c3 + 1,774 [0; 1]; 1,954c2 + 2,566c3 1,744 0 c2 + 1,313c3 0,908 0; b) 2,323c2 + 2,020c3 1,423 0 c2 +0,870c3 0,613 0; 0 c1 1; 0 c2 1. Sistemul de inegaliti din gruparea b) se poate rezolva uor prin metoda grafic, aa cum se arat n figura 7.33 i are ca soluii coordonatele (c2; c3) ale punctelor situate n domeniul haurat pe aceast figur.

Fig. 7. 33. Determinarea grafic a ponderilor c2, c3 ale materiilor prime folosite la elaborarea unei arje de oel aliat

n aceste circumstane, rezult urmtoarea strategie de cutare a soluiilor problemei: se alege o valoare a ponderii c3 n intervalul [0; 0,666];51

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabelul 7.8. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.7.5 c3 Domeniul ponderii c2 c2 0,700 0 [0,61;0,91] 0,800 0,850 0,900 0,500 0,100 [0,53; 0,78] 0,600 0,700 0,750 0,450 0,200 [0,44; 0,64] 0,500 0,550 0,600 0,400 0,300 [0,35; 0,51] 0,450 0,500 0,270 0,400 [0,27; 0,38] 0,300 0,350 0,500 0,600 0,650 [0,18; 0,25] [0,09; 0,12] 0,05 0,200 0,250 0,100 0,050 c4 0,406 0,211 0,113 0,015 0,500 0,305 0,109 0,011 0,300 0,203 0,105 0,007 0,101 0,003 -0,094 0,058 -0,001 -0,098 -0,102 -0,200 -0,204 -0,255 c1 -0,106 -0,011 0,037 0,085 -0,100 -0,005 0,091 0,139 0,050 0,097 0,145 0,193 0,199 0,247 0,294 0,272 0,301 0,348 0,402 0,450 0,504 0,555 Concluzia Incorect Incorect SOLUTIE SOLUTIE Incorect Incorect SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE Incorect SOLUTIE Incorect Incorect Incorect Incorect Incorect Incorect Masele materiilor prime, kg m1 3,7 8,5 9,1 13,9 5,0 9,7 14,5 19,3 19,9 24,7 27,2 m2 85,0 90.0 70,0 75,0 45,0 50,0 55,0 60,0 40,0 45,0 27,0 m3 0 0 10 10,0 20,0 20,0 20,0 20,0 30,0 30,0 40,0 m4 11,3 1,5 10,9 1,1 30,0 20,3 10,5 0,7 10,1 0,3 5,8 -

se alege o valoare a ponderii c2 n intervalul [-0,870c3 + 0,613; -1,313c3 + 0,908]; se stabilete dac ponderile c1 i c4, date de expresiile din gruparea de condiii a) satisfac condiiile 0 c1 1; 0 c4 1. Cteva din soluiile posibile ale problemei analizate, obinute prin aplicarea acestei strategii de cutare, sunt prezentate n tabelul 7.8.52

otelurile si fontele aliate

Documents