Existem "aços não ferro"?

Existem inúmeras ligas de aço, contendo principalmente ferro, carbono e alguns outros metais. De um modo geral, podemos pensar neles como se fossem algum tipo de aço.

Minha pergunta é: existem "aços não ferrosos"? Estou pensando em metais puros, não de ferro, contendo um pouco de carbono, assim como é adicionado ao ferro para transformá-lo em aço. Ou perguntado de outra forma, existem outros metais além do ferro que são dopados com carbono para formar uma liga como o aço?

Em geral, como a adição de carbono afeta as propriedades desses metais?

Ferro e carbono têm uma interação que os diferencia da maioria das ligas de engenharia. Isso tem a ver com o tamanho relativo dos átomos de C e Fe e sua química.

Os átomos de carbono têm o tamanho certo para se inserirem na treliça de cristal do ferro; isso tensiona a treliça o suficiente para ser um pouco mais forte e mais forte que o ferro puro. No entanto, a parte realmente importante é que a presença de carbono permite que o aço seja tratado termicamente. Aqui é aquecido acima de uma temperatura crítica na qual a estrutura do cristal muda e se for resfriado rapidamente, o teor de carbono impede que ele retorne à sua estrutura 'normal' à temperatura ambiente e, em vez disso, forma uma estrutura multifásica altamente estressada, mas quimicamente estável e, como tal, é muito difícil com uma alta resistência à tração. Isso pode ser modificado ainda mais através do reaquecimento controlado para reverter parcialmente essa transformação e produzir um material com dureza e tenacidade controláveis.

Observe que o exposto acima é uma visão geral rápida e existem livros inteiros sobre o comportamento detalhado dos aços, pois o sistema ferro-carbono pode existir em vários estados diferentes, com estruturas cristalinas diferentes e várias combinações microestruturais deles.

Esse tipo de tratamento térmico é praticamente único do aço e certamente muito diferente da maneira como a maioria das ligas se comporta e é resultado da interação específica entre ferro e carbono e depende do fato de que o ferro pode existir tanto no corpo quanto no rosto. cristais cúbicos.

Também é alcançado por concentrações muito baixas de carbono, geralmente inferiores a 1,2%. De fato, apenas cerca de 0,7% de carbono em massa é solúvel em ferro e qualquer excedente tenderá a formar carbonetos ou precipitar como grafite (como em ferro fundido).

Existem vários carbonetos metálicos em uso (como o carboneto de tungstênio), mas estes são realmente cerâmicos, em vez de ligas de solução sólida.

Há também pelo menos um tipo de aço inoxidável (H1) que é endurecido por precipitação e contém nitrogênio em vez de carbono. Esse é um mecanismo de endurecimento diferente daquele do aço carbono. O objetivo de eliminar o carbono é melhorar a resistência à corrosão, especialmente em água salgada. Eu só encontrei este é um aço de lâmina em facas. Também existem aços inoxidáveis ​​de baixo carbono, mas estes não são endurecíveis por tratamento térmico e foram projetados para melhorar a soldabilidade.

O aço é definido como uma liga de ferro e carbono; não existe aço não ferroso. Se você liga outro metal com carbono, ele se torna algo diferente de aço. Procurar um aço sem ferro seria como procurar latão ou bronze sem cobre. Você pode ligar outras coisas que não cobre com zinco, estanho ou alumínio, mas essas não seriam tipos de latão ou bronze.

Quanto a outras ligas que contêm carbono, este artigo da Wikipedia tem uma boa lista de vários tipos de ligas (como você pode ver, existem muitas) e, pesquisando por elas, verá que não há uma muitas outras coisas que são ligadas com carbono além de ferro. Quanto a isso, não tenho uma boa resposta.

Resumo: O sistema Fe-C e, portanto, o aço são únicos devido a uma transformação eutectoide de uma fase de alta solubilidade para uma fase de baixa solubilidade que permite uma ampla variedade de microestruturas e propriedades que são altamente e relativamente facilmente ajustáveis. Outros metais de transição de primeira linha têm comportamento diferente e menos explorável quando ligados ao carbono.

O Fe-C é o único sistema de metal-carbono de transição de primeira linha que possui uma transformação eutetóide em seu diagrama de fases. A transformação eutetóide altera austenita em ferrita e cementita no resfriamento. Austenita tem alta solubilidade em carbono e ferrita tem baixa solubilidade em carbono. Estou escolhendo metais de transição de primeira linha, pois eles tendem a ter um comportamento químico "próximo" ao do aço, com custo, densidade e outras propriedades "óbvias" semelhantes (com exceção do escândio, que é extremamente raro e caro) , e examinar todos os mais de 70 metais é uma quantidade considerável de trabalho para esta resposta.

A natureza da transformação eutetóide permite muitas microestruturas e, portanto, um alto grau de propriedades ajustáveis. Considere um aço eutectoide austenitizado e resfriado a taxas variáveis:

• Se resfriada lentamente, forma-se uma microestrutura perlita moderadamente dúctil e moderadamente forte. A pearlita resulta de um processo cooperativo de nuleação e crescimento, pois o carbono deixa a austenita durante sua transformação em ferrita, formando lamelas alternadas de ferrita e cementita.
• Se resfriado moderadamente rápido e depois mantido isotérmico por um período de tempo, forma-se uma microestrutura de bainita muito mais difícil. A cinética da formação de bainita não é bem conhecida, mas a microestrutura é um arranjo menos organizado de cementita e ferrita, resultante novamente do carbono saindo da solução à medida que a austenita se transforma em ferrita.
• Se resfriado extremamente rapidamente, forma-se uma microestrutura de martensita extremamente forte e dura. A formação de martensita é um processo sem difusão, no qual o carbono fica retido na austenita enquanto se transforma em uma estrutura BCC, distorcendo a treliça em uma estrutura BCT estirada que é difícil de esticar mais, daí sua alta resistência. Alterando a quantidade de carbono e sendo criativo com os cronogramas de tratamento térmico, está disponível uma ampla variedade de combinações microestruturais.

Com ligas e tratamento térmico adequados, é possível ter um aço com austenita retida, ferrita, perlita, bainita e martensita, todos no mesmo material. Tais microestruturas complexas são impossíveis em outros sistemas de metal-carbono de transição da primeira linha.

Toda a grande capacidade de tratamento térmico e grande variedade de microestruturas e propriedades são inteiramente devidas à presença de uma transformação eutetóide que leva uma fase de alta solubilidade a uma fase de baixa solubilidade. A própria transformação eutectoide é devida a uma mudança de fase de austenita (FCC) para ferrita (BCC) e a resultante perda significativa de solubilidade do carbono. A resposta para sua pergunta é efetivamente não , não há outras ligas (das quais eu saiba) que se comportam como aço durante o processamento. A resposta para sua pergunta alternativa é que o carbono tem efeitos menos úteis e menos exploráveis ​​em outros metais de transição da primeira linha.

Abaixo estão os diagramas de fases Fe-C, Ni-C e Mn-C para comparação. Observe que o diagrama de fases Fe-C para 0,2 a / a C enquanto os outros vão para 1,0 a / a C. O Ni-C não possui eutectoide, apenas uma transformação eutética e, portanto, só pode ser endurecido por precipitação. Qualquer outra formação de microestrutura teria que ocorrer durante a solidificação. O diagrama de fases Mn-C tem um eutectoide, mas passa de uma fase de alta solubilidade para outra fase de alta solubilidade, o que significa que quantidades extremamente grandes de carbono estariam presentes na fase de temperatura mais baixa (quase 10% a / a C comparada com menos de 1% a / a C de aço), o que resultaria em extrema fragilidade.

Ver comentários. Com base no ponto de partida de:

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