Elementele de aliere sunt elemente care sunt introduse special în oțel pentru a-i modifica structura și proprietățile. În consecință, oțelurile care conțin elemente de aliere se numesc oțeluri aliate. În cazul în care conținutul de siliciu depășește 0,4 % sau conținutul de mangan depășește 0,8 %, acestea sunt denumite și elemente de aliere.
Concentrația unor elemente de aliere poate fi foarte scăzută. Nb, Ti sunt introduse în cantități de până la 0,1 %, iar conținutul de bor nu depășește de obicei 0,005 % . Dacă concentrația elementului este de aproximativ 0,1 % sau mai mică, oțelul aliat se numește de obicei microaliat.
Apariția și utilizarea pe scară largă a oțelurilor aliate se datorează creșterii continue a cerințelor impuse materialelor pe măsură ce tehnologia avansează. Aliajul este efectuat pentru a modifica proprietățile mecanice (rezistență, ductilitate, tenacitate), fizice (conductivitate electrică, caracteristici magnetice, rezistență la radiații) și chimice (rezistență la coroziune în diferite medii).
Complexul necesar de proprietăți este de obicei asigurat nu numai prin aliere, ci și prin tratament termic, care permite obținerea celei mai optime structuri metalice. Oțelurile aliate sunt mai scumpe decât oțelurile cu carbon, astfel încât nu este rațional să le folosiți fără tratament termic.
Utilizarea elementelor de aliere afectează semnificativ costul oțelului. Atunci când se utilizează anumite elemente de aliere sunt ghidate nu numai de influența lor asupra proprietăților oțelului, ci și de considerente economice, în special costul de extracție și de obținere, precum și de raritate.
Principalele elemente de aliere sunt Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr, B. Adesea, oțelul este aliat nu cu unul, ci cu mai multe elemente, de exemplu Cr și Ni, care produc oțel crom-nichel, Cr și Mn — oțel crom-mangan, Cr, Ni, Mo, V — oțel crom-nichel-molibden-vanadiu.
Elementele de aliere, interacționând cu fierul și carbonul, pot participa la formarea diferitelor faze în oțelurile aliate:
- ferită aliată — soluție solidă a elementului de aliere în Feα;
- austenită aliată — soluție solidă a elementului de aliere în Feγ;
- cementită aliată — soluție solidă a elementului de aliere în cementită sau, atunci când conținutul de element de aliere crește peste o anumită limită, carburi speciale.
Dacă analizăm sistemul fier-elemente de aliere cu ajutorul diagramelor de stare dublă, vom vedea cum influențează elementele de aliere extinderea regiunii soluției solide γ a fierului (austenită aliată) și, invers, îngustarea regiunii soluției solide γ și, în consecință, extinderea regiunii soluției solide α, adică ferita aliată. În funcție de această influență, toate elementele de aliere pot fi împărțite în două grupe: cele care extind regiunea soluției solide γ — elemente de aliere formatoare de austenită și cele care îngustează zona γ (extind regiunea soluției solide α) — elemente de aliere formatoare de ferită.
Elementele de aliere formatoare de austenită includ Ni, Mn, Co, Cu, C, N. Elementele de aliere care formează ferita includ Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb, Zr.
Atunci când oțelurile sunt aliate cu elemente formatoare de austenită în cantități mari, se poate produce „wedging out” complet al regiunii α-Fe, caz în care oțelurile vor avea o structură austenitică la temperatura camerei — oțeluri austenitice.
Dimpotrivă, atunci când oțelurile sunt aliate cu elemente care formează ferită în cantități mari, regiunea γ-Fe poate fi „eliminată”, iar oțelurile vor avea o structură pur ferritică — oțeluri feritice.
Atunci când oțelurile sunt combinate cu elemente care formează austenită și ferită, structura oțelului va consta din austenită și ferită, iar oțelurile vor fi austenită-ferritice.
În majoritatea oțelurilor structurale, ferita este principala componentă structurală la temperatura de serviciu, ocupând cel puțin 90% din volumul metalului. Prin urmare, proprietățile feritei determină în mare măsură proprietățile oțelului în ansamblu. Cu cât este mai mare diferența dintre dimensiunile atomice ale fierului și ale elementului de aliere, cu atât este mai mare distorsiunea rețelei cristaline, cu atât este mai mare duritatea, rezistența, dar mai mică ductilitatea și mai ales tenacitatea feritei.
