Gibt es „eisenfreie Stähle“?

Es gibt zahlreiche Stahllegierungen, die hauptsächlich Eisen, Kohlenstoff und einige andere Metalle enthalten. Im Allgemeinen können wir sie uns so vorstellen, als wären sie eine Art Stahl.

Meine Frage ist: Gibt es "Nichteisenstähle"? Ich denke an reine Nicht-Eisen-Metalle, die ein wenig Kohlenstoff enthalten, genau wie Eisen, um es in Stahl umzuwandeln. Oder anders gefragt: Gibt es neben Eisen noch andere Metalle, die mit Kohlenstoff dotiert sind, um eine Legierung wie Stahl zu bilden?

Wie wirkt sich die Zugabe von Kohlenstoff im Allgemeinen auf die Eigenschaften dieser Metalle aus?

Eisen und Kohlenstoff haben eine Wechselwirkung, die sie von den meisten technischen Legierungen unterscheidet. Dies hängt sowohl mit der relativen Größe der C- und Fe-Atome als auch mit ihrer Chemie zusammen.

Kohlenstoffatome haben genau die richtige Größe, um sich in das Kristallgitter von Eisen einzufügen. Dadurch wird das Gitter so stark belastet, dass es etwas härter und stärker als reines Eisen ist. Der wirklich wichtige Teil ist jedoch, dass das Vorhandensein von Kohlenstoff die Wärmebehandlung von Stahl ermöglicht. Hier wird es über eine kritische Temperatur erhitzt, bei der sich die Kristallstruktur ändert, und wenn es schnell abgekühlt wird, verhindert der Kohlenstoffgehalt, dass es bei Raumtemperatur zu seiner "normalen" Struktur zurückkehrt, und bildet stattdessen eine Mehrphasenstruktur, die stark beansprucht, aber chemisch ist stabil und als solche sehr hart mit einer hohen Zugfestigkeit. Dies kann durch kontrolliertes Wiedererhitzen weiter modifiziert werden, um diese Umwandlung teilweise umzukehren und ein Material mit kontrollierbarer Festigkeit, Härte und Zähigkeit zu erzeugen.

Beachten Sie, dass das Obige einen schnellen Überblick bietet und es ganze Bücher über das detaillierte Verhalten von Stählen gibt, da das Eisen-Kohlenstoff-System in mehreren verschiedenen Zuständen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen und verschiedenen mikrostrukturellen Kombinationen davon existieren kann.

Diese Art der Wärmebehandlung ist für Stahl ziemlich einzigartig und unterscheidet sich sicherlich stark von der Art und Weise, wie sich die meisten Legierungen verhalten. Sie ist ein Ergebnis der spezifischen Wechselwirkung zwischen Eisen und Kohlenstoff und hängt von der Tatsache ab, dass Eisen sowohl körperzentriert als auch flächenzentriert existieren kann kubische Kristalle.

Es wird auch durch sehr niedrige Kohlenstoffkonzentrationen erreicht, üblicherweise weniger als 1,2% oder so. Tatsächlich sind nur etwa 0,7 Massen-% Kohlenstoff in Eisen löslich, und jeder Überschuss neigt dazu, Carbide zu bilden oder als Graphit auszufallen (wie in Gusseisen).

Es werden verschiedene Metallcarbide verwendet (wie Wolframcarbid), aber dies sind wirklich Keramiken und keine Legierungen mit fester Lösung.

Es gibt auch mindestens eine Art von rostfreiem Stahl (H1), der ausscheidungsgehärtet ist und Stickstoff anstelle von Kohlenstoff enthält. Dies ist ein anderer Härtungsmechanismus als bei Kohlenstoffstahl. Der Zweck der Beseitigung von Kohlenstoff besteht darin, die Korrosionsbeständigkeit insbesondere in Salzwasser zu verbessern. Ich habe nur jemals festgestellt, dass dies ein Klingenstahl in Messern ist. Es gibt auch kohlenstoffarme rostfreie Stähle, die jedoch nicht durch Wärmebehandlung aushärtbar sind und auf eine verbesserte Schweißbarkeit ausgelegt sind.

Stahl ist definiert als eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff; Es gibt keinen Nichteisenstahl. Wenn Sie ein anderes Metall mit Kohlenstoff legieren, wird es zu etwas anderem als Stahl. Die Suche nach einem Stahl ohne Eisen wäre wie die Suche nach Messing oder Bronze ohne Kupfer. Sie können andere Dinge als Kupfer mit Zink, Zinn oder Aluminium legieren, aber dies wären keine Messing- oder Bronzearten.

In Bezug auf andere Legierungen, die Kohlenstoff enthalten, enthält dieser Wikipedia-Artikel eine gute Liste verschiedener Arten von Legierungen (wie Sie sehen können, gibt es viele davon). Wenn Sie sie durchsuchen, werden Sie feststellen, dass es keine gibt viele andere Dinge, die neben Eisen mit Kohlenstoff legiert sind. Warum das so ist, habe ich keine gute Antwort.

Zusammenfassung: Das Fe-C-System und damit Stahl ist einzigartig aufgrund einer eutektoiden Umwandlung von einer Phase mit hoher Löslichkeit in eine Phase mit niedriger Löslichkeit, die eine Vielzahl von Mikrostrukturen und Eigenschaften ermöglicht, die sehr und relativ leicht einstellbar sind. Andere Übergangsmetalle der ersten Reihe zeigen ein anderes und weniger ausnutzbares Verhalten, wenn sie mit Kohlenstoff legiert werden.

Fe-C ist das einzige Übergangsmetall-Kohlenstoff-System in der ersten Reihe, dessen Phasendiagramm eine eutektoide Umwandlung aufweist. Die eutektoide Umwandlung wandelt Austenit beim Abkühlen in Ferrit und Zementit um. Austenit hat eine hohe Kohlenstofflöslichkeit und Ferrit hat eine niedrige Kohlenstofflöslichkeit. Ich wähle Übergangsmetalle der ersten Reihe aus, da sie ein chemisches Verhalten aufweisen, das dem von Stahl "nahe" kommt, mit ähnlichen Kosten, einer ähnlichen Dichte und anderen "offensichtlichen" Eigenschaften (mit Ausnahme von Scandium, das äußerst selten und teuer ist). Die Untersuchung aller über 70 Metalle ist eine Menge Arbeit für diese Antwort.

Die Art der eutektoiden Transformation ermöglicht viele Mikrostrukturen und damit einen hohen Grad an einstellbaren Eigenschaften. Betrachten Sie einen eutektoiden Stahl, der mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten austenitisiert und gekühlt wird:

• Bei langsamer Abkühlung bildet sich eine mäßig duktile, mäßig starke Perlit-Mikrostruktur. Pearlit resultiert aus einem kooperativen Nulceations- und Wachstumsprozess, bei dem Kohlenstoff während seiner Umwandlung in Ferrit Austenit verlässt und abwechselnd Lamellen aus Ferrit und Zementit bildet.
• Wenn es mäßig schnell abgekühlt und dann eine Zeit lang isotherm gehalten wird, bildet sich eine viel härtere Bainit-Mikrostruktur. Die Kinetik der Bainitbildung ist nicht gut verstanden, aber die Mikrostruktur ist eine weniger organisierte Anordnung von Zementit und Ferrit, die wiederum aus Kohlenstoff resultiert, der aus der Lösung austritt, wenn sich Austenit in Ferrit umwandelt.
• Bei extrem schneller Abkühlung bildet sich eine extrem starke und harte Martensit-Mikrostruktur. Die Martensitbildung ist ein diffusionsloser Prozess, bei dem Kohlenstoff in Austenit eingeschlossen wird, während er sich in eine BCC-Struktur umwandelt, wodurch das Gitter in eine gespannte BCT-Struktur verzerrt wird, die schwer weiter zu spannen ist, daher seine hohe Festigkeit. Durch die Änderung der Kohlenstoffmenge und die kreative Umsetzung von Wärmebehandlungsplänen steht eine Vielzahl von Mikrostrukturkombinationen zur Verfügung.

Bei entsprechender Legierung und Wärmebehandlung ist es möglich, einen Stahl mit Restaustenit, Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit im selben Material zu haben. Solche komplexen Mikrostrukturen sind in anderen Übergangsmetall-Kohlenstoff-Systemen der ersten Reihe nicht möglich.

Die gesamte breite Wärmebehandlungsfähigkeit und das breite Spektrum an Mikrostrukturen und Eigenschaften sind vollständig auf das Vorhandensein einer eutektoiden Umwandlung zurückzuführen, die eine Phase mit hoher Löslichkeit in eine Phase mit niedriger Löslichkeit überführt. Die eutektoide Umwandlung selbst ist auf einen Phasenwechsel von Austenit (FCC) zu Ferrit (BCC) und den daraus resultierenden signifikanten Verlust der Kohlenstofflöslichkeit zurückzuführen. Die Antwort auf Ihre Frage lautet effektiv nein . Es gibt keine anderen Legierungen (von denen ich weiß), die sich während der Verarbeitung wie Stahl verhalten. Die Antwort auf Ihre alternative Frage lautet, dass Kohlenstoff weniger nützliche und weniger ausnutzbare Auswirkungen auf andere Übergangsmetalle der ersten Reihe hat.

Nachfolgend sind die Fe-C-, Ni-C- und Mn-C-Phasendiagramme zum Vergleich aufgeführt. Es ist zu beachten, dass das Fe-C-Phasendiagramm bei 0,2 a / a C stoppt, während die anderen auf 1,0 a / a C gehen. Ni-C hat kein Eutektoid, nur eine eutektische Umwandlung und kann daher nur ausscheidungsgehärtet werden. Jede andere Mikrostrukturbildung müsste während der Verfestigung auftreten. Das Mn-C-Phasendiagramm weist ein Eutektoid auf, geht jedoch von einer Phase mit hoher Löslichkeit zu einer anderen Phase mit hoher Löslichkeit über, was bedeutet, dass in der Phase mit niedrigerer Temperatur extrem große Mengen an Kohlenstoff vorhanden wären (fast 10% a / a C im Vergleich) mit weniger als 1% a / a C in Stahl), was zu extremer Sprödigkeit führen würde.

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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