Чи існують "не залізні сталі"?

Існують численні сталеві сплави, що містять переважно залізо, вуглець та деякі інші метали. Взагалі кажучи, ми можемо думати про них так, ніби вони стали певним типом сталі.

Моє запитання: чи існують "кольорові сталі"? Я думаю про чисті, не залізні метали, що містять трохи вуглецю, так само, як додається до заліза, щоб перетворити його на сталь. Або запитали іншим способом: чи є інші метали, крім заліза, які леговані вуглецем, щоб утворити сплав, як сталь?

Загалом, як додавання вуглецю впливає на властивості цих металів?

Залізо та вуглець мають взаємодію, яка відрізняє їх від більшості інженерних сплавів. Це стосується як відносного розміру атомів С і Fe, так і їх хімії.

Атоми вуглецю є саме потрібного розміру, щоб вставити себе в кристалічну решітку заліза, це напружує ґрати достатньо, щоб вона була дещо твердішою і міцнішою за чисте залізо. Однак дійсно важливою частиною є те, що наявність вуглецю дозволяє термічно обробляти сталь. Тут він нагрівається вище критичної температури, при якій змінюється структура кристала, і якщо він швидко охолоджується, вміст вуглецю заважає йому повернутися до «нормальної» структури при кімнатній температурі і натомість утворює багатофазну структуру, яка сильно напружена, але хімічно стабільний і як такий дуже важкий з високою міцністю на розрив. Це може бути додатково модифіковано за допомогою контрольованого повторного нагрівання для часткового зворотного перетворення та отримання матеріалу з керованою міцністю твердості та в'язкості.

Зауважимо, що вище - це короткий огляд і є цілі книги про детальну поведінку сталей, оскільки система залізо-вуглець може існувати декілька різних станів з різними кристалічними структурами та різними мікроструктурними комбінаціями їх.

Цей тип термічної обробки в значній мірі унікальний для сталі і, безумовно, сильно відрізняється від способу поведінки більшості сплавів і є результатом специфічної взаємодії заліза та вуглецю і залежить від того, що залізо може існувати як в центрі тіла, так і в центрі обличчя. кубічні кристали.

Це також досягається дуже низькими концентраціями вуглецю, як правило, менше 1,2% або близько того. Насправді лише близько 0,7% мас. Вуглецю розчиняється в залізі, і будь-який надлишок, як правило, утворює карбіди або осад у вигляді графіту (як у чавуні).

Використовуються різні карбіди металів (наприклад, карбід вольфраму), але це справді кераміка, а не тверді сплави розчину.

Існує також щонайменше один тип нержавіючої сталі (Н1), який твердне осадженням і містить азот замість вуглецю. Це інший механізм затвердіння, ніж у вуглецевої сталі. Мета усунення вуглецю - підвищити корозійну стійкість, особливо в солоній воді. Я тільки коли-небудь стикався з цією лезою в ножах. Існують також низьковуглецеві нержавіючі сталі, але вони не піддаються загартуванню термічною обробкою і розроблені для поліпшення зварюваності.

Сталь визначається як сплав заліза і вуглецю; немає такої речі, як кольорова сталь. Якщо ви сплавляєте якийсь інший метал з вуглецем, він стає чимось іншим, ніж сталь. Шукати сталь без заліза в ній було б як би шукати латунь чи бронзу без міді. Ви можете легувати речі, окрім міді, цинком, оловом чи алюмінієм, але це не будуть види латуні чи бронзи.

Що стосується інших сплавів, які містять вуглець, ця стаття у Вікіпедії має хороший перелік різних видів сплавів (як ви бачите, їх дуже багато), і, переглядаючи їх, ви побачите, що не існує багато іншого, що лежить з вуглецем, крім заліза. Щодо того, чому це так, я не маю гарної відповіді.

Короткий зміст: Система Fe-C і, таким чином, сталь, є унікальною завдяки евтектоїдному перетворенню з фази високої розчинності в фазу низької розчинності, що дозволяє отримати широкий спектр мікроструктур і властивостей, які легко і відносно легко змінюються. Інші перехідні метали першого ряду мають різну та менш експлуатаційну поведінку при сплаві вуглецем.

Fe-C - єдина перехідна метало-вуглецева система першого ряду, яка має евтектоїдну трансформацію у своїй фазовій діаграмі. Евтектоїдна трансформація змінює аустеніт на ферит та цементит при охолодженні. Аустеніт має високу розчинність вуглецю, а ферит - низьку розчинність вуглецю. Я підбираю перехідні метали першого ряду, оскільки вони, як правило, мають хімічну поведінку, "близьку" до сталі, з подібною вартістю, щільністю та іншими "очевидними" властивостями (за винятком скандію, який надзвичайно рідкісний і дорогий) , а вивчення всіх 70+ металів - це велика робота для цієї відповіді.

Характер евтектоїдної трансформації дозволяє отримати безліч мікроструктур і, таким чином, високий ступінь налаштування властивостей. Розглянемо аустенітизовану та охолоджену евтектоїдну сталь із різною швидкістю:

• Якщо повільно охолонути, утворюється помірно пластична, помірно сильна перлітова мікроструктура. Перліт є результатом кооперативного нульцеації та росту, коли вуглець залишає аустеніт під час його перетворення у ферит, утворюючи чергуються ламелі фериту та цементиту.
• Якщо охолонути помірно швидко і потім тримати ізотермічно протягом певного часу, утворюється набагато твердіша байнітова мікроструктура. Кінетика утворення бейніту недостатньо вивчена, але мікроструктура - це менш організована композиція цементиту та фериту, що в результаті вуглецю виходить із розчину, коли аустеніт перетворюється на ферит.
• Якщо охолонути надзвичайно швидко, утворюється надзвичайно сильна і жорстка мартенситна мікроструктура. Мартенітоутворення - це бездифузійний процес, при якому вуглець потрапляє в аустеніт, в той час як він перетворюється на структуру ОЦК, перекручуючи решітку в напружену структуру BCT, яку важко напружити далі, отже, її висока міцність. Змінюючи кількість вуглецю та сприймаючи графіки термічної обробки, доступний широкий набір мікроструктурних комбінацій.

При відповідному легуванні та термічній обробці можна мати сталь із утримуваним аустенітом, феритом, перлітом, бейнітом та мартенситом у одному матеріалі. Такі складні мікроструктури неможливі в інших перехідних системах метал-вуглець першого ряду.

Вся широка термообробка та широкий масив мікроструктур та властивостей цілком обумовлені наявністю евтектоїдної трансформації, яка переходить у фазу високої розчинності до фази низької розчинності. Сама евтектоїдна трансформація обумовлена ​​зміною фази від аустеніту (FCC) до фериту (BCC) і внаслідок цього значної втрати розчинності вуглецю. Відповідь на ваше запитання фактично ні , немає інших сплавів (про які я знаю), які поводяться як сталь під час обробки. Відповідь на ваше альтернативне запитання полягає в тому, що вуглець має менш корисний і менш експлуатаційний вплив на інші перехідні метали першого ряду.

Нижче наведені фазові діаграми Fe-C, Ni-C та Mn-C для порівняння. Зауважимо, що фазова діаграма Fe-C зупиняється на рівні 0,2 а / а С, тоді як інші переходять на 1,0 а / а С. Ні-С не має евтектоїду, лише евтектичну трансформацію, і таким чином може бути лише загартоване осад. Будь-яка інша мікроструктура повинна відбуватися під час затвердіння. Фазова діаграма Mn-C має евтектоїд, але вона переходить від фази підвищеної розчинності до іншої фази високої розчинності, що означає, що в фазі нижчої температури буде присутній надзвичайно велика кількість вуглецю (майже 10% а / а С порівняно з менш ніж 1% а / а С у сталі), що призведе до надзвичайної крихкості.

Дивіться коментарі. На основі початкової точки:

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