Esistono "acciai non ferrosi"?

Esistono numerose leghe di acciaio, contenenti principalmente ferro, carbonio e altri metalli. In generale, possiamo pensarli come se fossero un tipo di acciaio.

La mia domanda è: esistono "acciai non ferrosi"? Sto pensando a metalli puri, non di ferro, contenenti un po 'di carbonio, così come viene aggiunto al ferro per trasformarlo in acciaio. O chiesto in altro modo, ci sono altri metalli oltre al ferro che sono drogati con carbonio per formare una lega come l'acciaio?

In generale, in che modo l'aggiunta di carbonio influisce sulle proprietà di questi metalli?

Ferro e carbonio hanno un'interazione che li rende diversi dalla maggior parte delle leghe ingegneristiche. Questo ha a che fare sia con la dimensione relativa degli atomi C e Fe che con la loro chimica.

Gli atomi di carbonio hanno le dimensioni giuste per inserirsi nel reticolo cristallino del ferro, ciò sollecita il reticolo abbastanza da renderlo un po 'più duro e più forte del ferro puro. Tuttavia la parte veramente importante è che la presenza di carbonio consente all'acciaio di essere trattato termicamente. Qui viene riscaldato al di sopra di una temperatura critica a cui cambia la struttura del cristallo e se viene raffreddato rapidamente il contenuto di carbonio gli impedisce di tornare alla sua struttura "normale" a temperatura ambiente e forma invece una struttura multifase che è altamente sollecitata ma chimicamente stabile e come tale è molto duro con un'alta resistenza alla trazione. Questo può essere ulteriormente modificato da un riscaldamento controllato per invertire parzialmente questa trasformazione e produrre un materiale con durezza e tenacità controllabili.

Si noti che quanto sopra è una rapida panoramica e ci sono interi libri sul comportamento dettagliato degli acciai poiché il sistema ferro-carbonio può esistere in diversi stati con diverse strutture cristalline e varie combinazioni microstrutturali di essi.

Questo tipo di trattamento termico è praticamente unico per l'acciaio e certamente molto diverso dal modo in cui si comportano la maggior parte delle leghe ed è il risultato dell'interazione specifica tra ferro e carbonio e dipende dal fatto che il ferro può esistere sia centrato sul corpo che centrato sulla faccia cristalli cubici.

Si ottiene anche da concentrazioni molto basse di carbonio, di solito meno dell'1,2% circa. In effetti, solo circa lo 0,7% di carbonio in massa è solubile in ferro e qualsiasi eccesso tende a formare carburi o precipitare come grafite (come nella ghisa).

Ci sono vari carburi metallici in uso (come il carburo di tungsteno) ma questi sono in realtà ceramiche piuttosto che leghe solide.

Esiste anche almeno un tipo di acciaio inossidabile (H1) che è indurito per precipitazione e contiene azoto anziché carbonio. Questo è un meccanismo di indurimento diverso da quello dell'acciaio al carbonio. Lo scopo di eliminare il carbonio è migliorare la resistenza alla corrosione, specialmente in acqua salata. Ho sempre incontrato questo è un acciaio con lama in coltelli. Esistono anche acciai inossidabili a basso tenore di carbonio, ma questi non sono induribili con il trattamento termico e sono progettati per una migliore saldabilità.

L'acciaio è definito come una lega di ferro e carbonio; non esiste un acciaio non ferroso. Se leghi qualche altro metallo con carbonio, diventa qualcosa di diverso dall'acciaio. Cercare un acciaio senza ferro sarebbe come cercare ottone o bronzo senza rame. Puoi legare oggetti diversi dal rame con zinco, stagno o alluminio, ma quelli non sarebbero tipi di ottone o bronzo.

Per quanto riguarda le altre leghe che contengono carbonio, questo articolo di Wikipedia ha un buon elenco di vari tipi di leghe (come puoi vedere, ce ne sono molte) e, cercando in esso, vedrai che non ci sono molte altre cose che sono legate con carbonio oltre al ferro. Per quanto riguarda il motivo per cui non ho una buona risposta.

Sommario: Il sistema Fe-C, e quindi l'acciaio, è unico per una trasformazione eutettoide da una fase ad alta solubilità a una fase a bassa solubilità che consente un'ampia varietà di microstrutture e proprietà che sono facilmente e facilmente regolabili. Altri metalli di transizione di prima fila hanno un comportamento diverso e meno sfruttabile se legati con carbonio.

Fe-C è l'unico sistema metallo-carbonio di transizione di prima fila che ha una trasformazione eutettoide nel suo diagramma di fase. La trasformazione eutettoide cambia l'austenite in ferrite e cementite durante il raffreddamento. L'austenite ha un'alta solubilità in carbonio e la ferrite ha una bassa solubilità in carbonio. Sto scegliendo i metalli di transizione di prima fila poiché tendono ad avere un comportamento chimico "vicino" a quello dell'acciaio, con costi, densità e altre proprietà "ovvie" simili (ad eccezione dello scandio, che è estremamente raro e costoso) e esaminare tutti i 70+ metalli è una buona dose di lavoro per questa risposta.

La natura della trasformazione eutettoide consente molte microstrutture e quindi un alto grado di proprietà sintonizzabili. Considera un acciaio eutettoide austenitizzato e raffreddato a velocità variabili:

• Se raffreddato lentamente, si forma una microstruttura moderatamente duttile, moderatamente forte. La perlite deriva da un processo di nulceazione e crescita cooperativa quando il carbonio lascia l'austenite durante la sua trasformazione in ferrite, formando lamelle alternate di ferrite e cementite.
• Se raffreddato moderatamente rapidamente e poi tenuto isotermicamente per un periodo di tempo, si forma una microstruttura di bainite molto più dura. La cinetica della formazione della bainite non è ben compresa, ma la microstruttura è una disposizione meno organizzata di cementite e ferrite, sempre risultante dal carbonio che fuoriesce dalla soluzione mentre l'austenite si trasforma in ferrite.
• Se raffreddato molto rapidamente, si forma una microstruttura martensite estremamente forte e dura. La formazione di martensite è un processo privo di diffusione in cui il carbonio viene intrappolato nell'austenite mentre si trasforma in una struttura BCC, distorcendo il reticolo in una struttura BCT deformata che è difficile da sollecitare ulteriormente, quindi la sua elevata resistenza. Modificando la quantità di carbonio ed essendo creativi con i programmi di trattamento termico, è disponibile una vasta gamma di combinazioni microstrutturali.

Con un'adeguata lega e trattamento termico, è possibile avere un acciaio con austenite, ferrite, perlite, bainite e martensite trattenuti tutti nello stesso materiale. Tali microstrutture complesse sono impossibili in altri sistemi metallo-carbonio di transizione di prima fila.

Tutta l'ampia trattabilità al calore e l'ampia gamma di microstrutture e proprietà sono interamente dovute alla presenza di una trasformazione eutettoide che porta una fase di alta solubilità in una fase di bassa solubilità. La stessa trasformazione eutettoide è dovuta a un cambiamento di fase dall'austenite (FCC) alla ferrite (BCC) e alla conseguente significativa perdita di solubilità del carbonio. La risposta alla tua domanda è effettivamente no , ci sono altre leghe (di cui sono a conoscenza) che si comportano come l'acciaio durante la lavorazione. La risposta alla tua domanda alternativa è che il carbonio ha effetti meno utili e meno sfruttabili su altri metalli di transizione di prima fila.

Di seguito sono riportati i diagrammi di fase Fe-C, Ni-C e Mn-C per il confronto. Si noti che il diagramma di fase Fe-C si ferma a 0,2 a / a C mentre gli altri vanno a 1,0 a / a C. Ni-C non ha eutettoidi, solo una trasformazione eutettica e quindi può essere solo indurito per precipitazione. Qualsiasi altra formazione di microstrutture dovrebbe avvenire durante la solidificazione. Il diagramma di fase Mn-C ha un eutettoide, ma passa da una fase di alta solubilità a un'altra fase di alta solubilità, il che significa che sarebbero presenti quantità estremamente elevate di carbonio nella fase a temperatura più bassa (quasi il 10% a / a C rispetto con meno dell'1% di a / a C in acciaio), con conseguente fragilità estrema.

Vedi commenti Basato sul punto iniziale di:

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