Materiale din oțel este un material aliaj cu fier și carbon ca componente principale. Este unul dintre cele mai utilizate și mai importante materiale de bază în industria și infrastructura modernă. Proprietățile sale pot fi controlate pe scară largă prin ajustarea conținutului de carbon și adăugarea de elemente de aliere.

I. Definiția de bază și clasificarea fundamentală

Oțelul este în esență un material pe bază de fier (Fe) cu carbon (C) ca element de aliere principal. Variațiile subtile ale conținutului de carbon conferă caracteristici foarte diferite:

1. Oțel cu conținut scăzut de carbon (C ≤ 0,25%):

   • Proprietăți: Plasticitate, tenacitate și sudabilitate excelente; ușor de format (de exemplu, ștanțare, îndoire); rezistență relativ scăzută.

   • Aplicatii: Panouri de caroserie pentru automobile, bare de armare pentru construcții (de exemplu, Q235), fire, nituri, foi și secțiuni structurale.

2. Oțel cu carbon mediu (0,25% < C ≤ 0,60%):

   • Proprietăți: Rezistență și duritate mai mari decât oțelul cu conținut scăzut de carbon, cu plasticitate și duritate păstrate. Performanța poate fi îmbunătățită prin tratament termic (de exemplu, călire și revenire).

   • Aplicatii: Componente de mașini (dintate, arbori, biele), elemente de fixare de înaltă rezistență, șine, roți, forjate.

3. Oțel cu conținut ridicat de carbon (C > 0,60%):

   • Proprietăți: Duritate mare, rezistență și rezistență la uzură; plasticitate și duritate limitate; sudabilitate slabă.

   • Aplicatii: Scule de tăiere (pile, burghie), arcuri, fire de mare rezistență, matrițe, role.

II. Oțel aliat: extinderea și creșterea performanței

Adăugarea unor elemente de aliere specifice (de exemplu, crom (Cr), nichel (Ni), molibden (Mo), vanadiu (V), mangan (Mn), siliciu (Si)) la oțelul carbon îmbunătățește semnificativ sau conferă proprietăți specializate:

• Forță și tenacitate sporite: Mo, V, Mn rafinează structura granulelor sau formează faze de întărire.

• Rezistență sporită la uzură: Înalt carbon combinat cu Cr, Mo.

• Rezistență îmbunătățită la coroziune: Cr este cheia oțelului inoxidabil (de obicei ≥10,5%); Ni crește rezistența la coroziune și duritatea.

• Performanță superioară la temperatură înaltă: Mo, V, W mențin rezistența și rezistența la oxidare la temperaturi ridicate.

• Întărire optimizată: Cr, Mn, Mo, B influențează adâncimea de întărire în timpul călirii.

III. Domenii cheie ale oțelurilor de specialitate

1. Oțel inoxidabil: Conținutul critic de Cr (≥10,5%) formează un strat pasiv de oxid de crom. Clasificat după microstructură:

   • Austenitic (de exemplu, 304/316: nemagnetic, rezistență excelentă la coroziune).

   • martensitic (de exemplu, 410/420: tratabil termic pentru duritate).

   • feritic (de exemplu, 430: magnetic).

   • Duplex (structură mixtă).
     Aplicatii: Tacâmuri, dispozitive medicale, echipamente chimice, placari arhitecturale.

2. Oțel pentru scule: Conținut ridicat de carbon/aliaj pentru duritate extremă, rezistență la uzură, duritate la cald (reține duritatea la temperaturi ridicate) și duritate echilibrată.
   Aplicatii: Scule de tăiere, matrițe (ștanțare, injecție), calibre.

3. Oțel structural de înaltă rezistență: Compoziția optimizată și procesele avansate (de exemplu, procesare controlată termo-mecanică - TMCP) oferă o rezistență ridicată (rezistență la curgere ≥550MPa), asigurând în același timp sudabilitate și tenacitate.
   Aplicatii: Poduri, zgârie-nori, mașini grele, nave, vase sub presiune.

IV. Nașterea oțelului: de la minereu la material

Fabricarea oțelului este un proces industrial complex:

1. Fabricarea fierului: Minereul de fier (oxizi de fier) este redus de cocs într-un furnal, producând fontă topită (cu conținut ridicat de carbon: ~3-4%, plus impurități precum Si, Mn, P, S).

2. Fabricarea oțelului: Sarcini cheie: reducerea carbonului și îndepărtarea impurităților. Metode primare:

   • Cuptor de bază cu oxigen (BOF): Oxigenul suflat în fierul topit oxidează carbonul/impuritățile; randament ridicat.

   • Cuptor cu arc electric (EAF): Topește deșeurile de oțel folosind electricitate; flexibil, ideal pentru reciclare.

   • Rafinare secundară: Degazare suplimentară, eliminarea incluziunii, ajustarea compoziției în afara cuptorului pentru o puritate superioară.

3. Casting: Solidificat în lingouri sau turnat continuu în plăci, țagle sau flori.

4. Formare: Formele turnate sunt supuse laminare la cald/rece (plăci, foi, secțiuni, fire), forjare etc., pentru a obține dimensiunile și proprietățile finale.

V. Aplicații omniprezente: O lume construită pe oțel

Oțelul pătrunde în fiecare fațetă a vieții moderne:

• Construcție și infrastructură: Schelete de zgârie-nori, cadre de poduri, bare de armare din beton (bara de armare), suporturi de tunel, conducte (apă, gaz, petrol).

• transport: Caroserii auto, șasiu, piese de motor; carene, punți de nave; vagoane de tren, şine; tren de aterizare a aeronavei, componente ale motorului (oțel aliat).

• Industria energetică: Platforme de petrol/gaz, conducte; echipamente centrale (cazane, turbine, recipiente sub presiune); turnuri de turbine eoliene, cutii de viteze; turnuri de transmisie.

• Fabricarea de utilaje: Mașini-unelte, roți dințate, rulmenți, arbori, biele, elemente de fixare, arcuri.

• Viața de zi cu zi: Cadre pentru aparate, vase de gătit (oțel inoxidabil), feronerie pentru mobilier, instrumente/implanturi medicale.

• Unelte și matrițe: Scule de tăiere, calibre, matrițe.

VI. Avantajele de performanță de bază

Dominanța de durată a oțelului provine din combinația sa unică de proprietăți:

• Rezistență ridicată: Suportă sarcini masive; permite structuri robuste.

• Plasticitate și duritate bune: Formabil în forme complexe; rezistă la impact.

• Lucrabilitate excelentă: Turnat, forjat, laminat, sudat, prelucrat cu ușurință.

• Durabilitate și longevitate: Durată de viață extinsă cu utilizare/întreținere adecvată.

• Diverse grade și proprietăți reglabile: Ajustările de compoziție și proces generează game largi de performanță.

• Producție matură și economii de scară: Tehnologie consacrată, cost-eficientă, aprovizionare abundentă.

• Reciclabilitate: Separat usor magnetic; 100% reciclabil la infinit – un material durabil.

Oțelul a devenit un material de bază cheie pentru susținerea societății industriale moderne datorită performanței sale excelente și cuprinzătoare și reglabilității largi. Prin optimizarea continuă a compoziției și inovarea proceselor, oțelul continuă să satisfacă noile nevoi de inginerie și are avantaje semnificative în materie de durabilitate.