Czy istnieją „stale nieżelazne”?

Istnieje wiele stopów stali, zawierających głównie żelazo, węgiel i niektóre inne metale. Ogólnie rzecz biorąc, możemy myśleć o nich jak o jakiejś stali.

Moje pytanie brzmi: czy istnieją „stale nieżelazne”? Mam na myśli czyste, nieżelazne metale, zawierające trochę węgla, tak jak dodaje się je do żelaza, aby przekształcić je w stal. Lub zapytano w inny sposób, czy istnieją inne metale oprócz żelaza domieszkowane węglem w celu utworzenia stopu takiego jak stal?

Ogólnie, w jaki sposób dodatek węgla wpływa na właściwości tych metali?

Żelazo i węgiel mają interakcje, które odróżniają je od większości stopów inżynieryjnych. Ma to związek zarówno z względną wielkością atomów C i Fe, jak i ich chemią.

Atomy węgla mają odpowiedni rozmiar, aby wprowadzić się do sieci krystalicznej żelaza, co powoduje, że sieć jest wystarczająco naprężona, aby była nieco twardsza i mocniejsza niż czyste żelazo. Jednak naprawdę ważną częścią jest to, że obecność węgla umożliwia obróbkę cieplną stali. Tutaj jest podgrzewany powyżej temperatury krytycznej, w której zmienia się struktura krystaliczna, a jeśli zostanie szybko schłodzony, zawartość węgla uniemożliwia mu powrót do swojej „normalnej” struktury w temperaturze pokojowej i zamiast tego tworzy strukturę wielofazową, która jest silnie obciążona, ale chemicznie stabilny i jako taki jest bardzo twardy o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie. Można to dalej modyfikować przez kontrolowane podgrzewanie, aby częściowo odwrócić tę transformację i wytworzyć materiał o kontrolowanej twardości i twardości.

Należy zauważyć, że powyższy przegląd jest szybki i istnieją całe książki na temat szczegółowego zachowania stali, ponieważ może istnieć układ żelazo-węgiel, kilka różnych stanów o różnych strukturach krystalicznych i różnych ich mikrostrukturalnych kombinacjach.

Ten rodzaj obróbki cieplnej jest dość wyjątkowy dla stali i na pewno bardzo różni się od zachowania większości stopów i jest wynikiem specyficznej interakcji żelaza i węgla i zależy od faktu, że żelazo może istnieć zarówno jako ciało, jak i twarz sześcienne kryształy.

Osiąga się to również dzięki bardzo niskim stężeniom węgla, zwykle mniejszym niż około 1,2%. W rzeczywistości tylko około 0,7% masowego węgla jest rozpuszczalne w żelazie i każda nadwyżka będzie miała tendencję do tworzenia węglików lub wytrącania się w postaci grafitu (jak w żeliwie).

W użyciu są różne węgliki metali (takie jak węglik wolframu), ale tak naprawdę są to ceramika, a nie stopy w roztworze stałym.

Istnieje również co najmniej jeden rodzaj stali nierdzewnej (H1), która jest utwardzana wydzieleniowo i zawiera azot zamiast węgla. Jest to inny mechanizm utwardzania niż w przypadku stali węglowej. Celem eliminacji węgla jest poprawa odporności na korozję, szczególnie w słonej wodzie. Zetknąłem się tylko ze stalą ostrza w nożach. Istnieją również stale nierdzewne o niskiej zawartości węgla, ale nie są one utwardzalne przez obróbkę cieplną i mają na celu poprawę spawalności.

Stal jest definiowana jako stop żelaza i węgla; nie ma czegoś takiego jak stal nieżelazna. Jeśli stopisz jakiś inny metal z węglem, stanie się on czymś innym niż stal. Szukanie stali bez żelaza byłoby jak szukanie mosiądzu lub brązu bez miedzi. Możesz stapiać przedmioty inne niż miedź z cynkiem, cyną lub aluminium, ale nie byłyby to rodzaje mosiądzu lub brązu.

Jeśli chodzi o inne stopy zawierające węgiel, ten artykuł w Wikipedii ma dobrą listę różnych rodzajów stopów (jak widać, jest ich wiele), a po przeszukaniu go zobaczysz, że nie ma wiele innych rzeczy, które oprócz żelaza zawierają stopy węgla. Co do tego, dlaczego tak jest, nie mam dobrej odpowiedzi.

Podsumowanie: System Fe-C, a zatem i stal, jest wyjątkowy ze względu na transformację eutektoidalną z fazy o wysokiej rozpuszczalności do fazy o niskiej rozpuszczalności, która pozwala na szeroki zakres mikrostruktur i właściwości, które są wysoce i stosunkowo łatwo dostrajalne. Inne metale przejściowe pierwszego rzędu mają różne i mniej użyteczne zachowanie, gdy są stopione z węglem.

Fe-C to jedyny układ metal-węgiel przejściowy w pierwszym rzędzie, który na schemacie fazowym ma transformację eutektoidalną. Transformacja eutektoidy zmienia chłodzenie w austenit w ferryt i cementyt. Austenit ma wysoką rozpuszczalność węgla, a ferryt ma niską rozpuszczalność węgla. Wybieram metale przejściowe pierwszego rzędu, ponieważ mają one właściwości chemiczne „zbliżone” do stali, o podobnym koszcie, gęstości i innych „oczywistych” właściwościach (z wyjątkiem skandu, który jest niezwykle rzadki i drogi) , a zbadanie wszystkich metali ponad 70 to sporo pracy dla tej odpowiedzi.

Charakter transformacji eutektoidy pozwala na wiele mikrostruktur, a zatem na wysoki stopień dostrajalnych właściwości. Rozważ stal eutektoidalną austenityzowaną i chłodzoną w różnym tempie:

• Po powolnym schłodzeniu powstaje umiarkowanie plastyczna, umiarkowanie silna mikrostruktura perlitu. Pearlit powstaje w wyniku kooperacyjnego procesu nulceacji i wzrostu, gdy węgiel opuszcza austenit podczas jego przemiany w ferryt, tworząc naprzemienne płytki ferrytu i cementytu.
• W przypadku umiarkowanego szybkiego schłodzenia, a następnie przetrzymywania izotermicznego przez pewien czas, powstaje znacznie twardsza mikrostruktura bainityczna. Kinetyka powstawania bainitu nie jest dobrze poznana, ale mikrostruktura jest mniej uporządkowanym układem cementytu i ferrytu, ponownie wynikającym z węgla wychodzącego z roztworu, gdy austenit przekształca się w ferryt.
• W przypadku bardzo szybkiego schłodzenia powstaje niezwykle silna i twarda mikrostruktura martenzytu. Tworzenie martenzytu jest procesem bezdyfuzyjnym, w którym węgiel jest uwięziony w austenicie, podczas gdy przekształca się w strukturę BCC, zniekształcając sieć w napiętą strukturę BCT, która jest trudna do dalszego odkształcania, stąd jej wysoka wytrzymałość. Zmieniając ilość węgla i zachowując kreatywność dzięki harmonogramom obróbki cieplnej, dostępna jest szeroka gama kombinacji mikrostrukturalnych.

Przy odpowiednim stopie i obróbce cieplnej możliwe jest posiadanie stali z zatrzymanym austenitem, ferrytem, ​​perlitem, bainitem i martenzytem z tego samego materiału. Tak złożone mikrostruktury są niemożliwe w innych układach metal-węgiel przejściowych pierwszego rzędu.

Cała szeroka podatność na obróbkę cieplną oraz szeroki wachlarz mikrostruktur i właściwości są całkowicie spowodowane obecnością transformacji eutektoidalnej, która przenosi fazę wysokiej rozpuszczalności do fazy niskiej rozpuszczalności. Sama transformacja eutektoidalna jest spowodowana zmianą fazy z austenitu (FCC) na ferryt (BCC) i wynikającą z tego znaczną utratą rozpuszczalności węgla. Odpowiedź na twoje pytanie brzmi: nie , nie ma innych stopów (o których wiem), które zachowują się jak stal podczas przetwarzania. Odpowiedź na twoje alternatywne pytanie brzmi: węgiel ma mniej użyteczny i mniej użyteczny wpływ na inne metale przejściowe pierwszego rzędu.

Poniżej przedstawiono wykresy faz Fe-C, Ni-C i Mn-C dla porównania. Należy zauważyć, że wykres fazowy Fe-C zatrzymuje się na poziomie 0,2 a / a C, podczas gdy pozostałe przechodzą do 1,0 a / a C. Ni-C nie ma eutektoidy, a jedynie transformację eutektyczną, a zatem może być tylko utwardzany przez wytrącanie. Wszelkie inne mikrostruktury musiałyby wystąpić podczas krzepnięcia. Schemat faz Mn-C ma eutektoidę, ale przechodzi z fazy o wysokiej rozpuszczalności do innej fazy o wysokiej rozpuszczalności, co oznacza, że ​​ekstremalnie duże ilości węgla byłyby obecne w fazie o niższej temperaturze (prawie 10% a / a C w porównaniu z mniej niż 1% A / A C w stali), co spowodowałoby ekstremalną kruchość.

Zobacz komentarze. Na podstawie punktu początkowego:

Super 13cr is defined as a low-carbon stainless steel. The chemical composition specified from suppliers such as Sumitomo specifies Fe min 0%- Max 0%, C is to be below 0,03.
    Commonly used in oil and gass applications to resist sour environments and some H2S. But it's expensive as... 4 chickens, in solid gold.

http://www.howcogroup.com/materials/mechanical-tubing-octg/grade-super-13-cr-13-5-2-tube.html