¿Existen "aceros sin hierro"?

Existen numerosas aleaciones de acero, que contienen principalmente hierro, carbono y algunos otros metales. En términos generales, podemos pensar en ellos como si fueran algún tipo de acero.

Mi pregunta es: ¿existen "aceros no ferrosos"? Estoy pensando en metales puros, sin hierro, que contienen un poco de carbono, tal como se agrega al hierro para convertirlo en acero. O preguntado de otra manera, ¿hay otros metales además del hierro que se dopan con carbono para formar una aleación como el acero?

En general, ¿cómo afecta la adición de carbono a las propiedades de estos metales?

El hierro y el carbono tienen una interacción que los hace diferentes de la mayoría de las aleaciones de ingeniería. Esto tiene que ver con el tamaño relativo de los átomos de C y Fe y su química.

Los átomos de carbono tienen el tamaño justo para insertarse en la red cristalina de hierro, esto filtra la red lo suficiente como para que sea algo más duro y más fuerte que el hierro puro. Sin embargo, la parte realmente importante es que la presencia de carbono permite que el acero sea tratado térmicamente. Aquí se calienta por encima de una temperatura crítica a la que cambia la estructura cristalina y si se enfría rápidamente, el contenido de carbono evita que regrese a su estructura 'normal' a temperatura ambiente y en su lugar forma una estructura multifásica que está muy estresada pero químicamente estable y como tal es muy duro con una alta resistencia a la tracción. Esto se puede modificar aún más mediante el recalentamiento controlado para revertir parcialmente esta transformación y producir un material con resistencia y dureza controlables.

Tenga en cuenta que lo anterior es una descripción general rápida y hay libros completos sobre el comportamiento detallado de los aceros, ya que el sistema hierro-carbono puede existir en varios estados diferentes con diferentes estructuras de cristal y varias combinaciones microestructurales de ellos.

Este tipo de tratamiento térmico es bastante exclusivo del acero y ciertamente muy diferente de la forma en que se comportan la mayoría de las aleaciones y es el resultado de la interacción específica entre el hierro y el carbono y depende del hecho de que el hierro puede existir tanto centrado en el cuerpo como en la cara cristales cúbicos

También se logra con concentraciones muy bajas de carbono, generalmente menos del 1.2% más o menos. De hecho, solo aproximadamente el 0,7% de carbono en masa es soluble en hierro y cualquier exceso tenderá a formar carburos o precipitarse como grafito (como en el hierro fundido).

Hay varios carburos metálicos en uso (como el carburo de tungsteno), pero estos son realmente cerámicas en lugar de aleaciones de solución sólida.

También hay al menos un tipo de acero inoxidable (H1) que está endurecido por precipitación y contiene nitrógeno en lugar de carbono. Este es un mecanismo de endurecimiento diferente al del acero al carbono. El propósito de eliminar el carbono es mejorar la resistencia a la corrosión, especialmente en agua salada. Solo me he encontrado con una cuchilla de acero en cuchillos. También hay aceros inoxidables bajos en carbono, pero estos no son endurecibles por tratamiento térmico y están diseñados para mejorar la soldabilidad.

El acero se define como una aleación de hierro y carbono; no existe tal cosa como un acero no ferroso. Si alea algún otro metal con carbono, se convierte en algo diferente al acero. Buscar un acero sin hierro sería como buscar el latón o el bronce sin cobre. Puede alear otras cosas que no sean cobre con zinc, estaño o aluminio, pero no serían tipos de latón o bronce.

En cuanto a otras aleaciones que contienen carbono, este artículo de Wikipedia tiene una buena lista de varios tipos de aleaciones (como puede ver, hay muchas), y al buscarlo, verá que no hay muchas otras cosas que son aleadas con carbono además del hierro. En cuanto a por qué es esto, no tengo una buena respuesta.

Resumen: El sistema Fe-C, y por lo tanto el acero, es único debido a una transformación eutectoide de una fase de alta solubilidad a una fase de baja solubilidad que permite una amplia variedad de microestructuras y propiedades que son altamente y relativamente fáciles de ajustar. Otros metales de transición de la primera fila tienen un comportamiento diferente y menos explotable cuando se alean con carbono.

Fe-C es el único sistema de transición metal-carbono de la primera fila que tiene una transformación eutectoide en su diagrama de fases. La transformación eutectoide cambia la austenita a ferrita y cemento al enfriarse. La austenita tiene una alta solubilidad en carbono y la ferrita tiene una baja solubilidad en carbono. Estoy escogiendo metales de transición de primera fila, ya que tienden a tener un comportamiento químico "cercano" al del acero, con un costo, densidad y otras propiedades "obvias" similares (con la excepción del escandio, que es extremadamente raro y costoso) , y examinar todos los más de 70 metales es una buena cantidad de trabajo para esta respuesta.

La naturaleza de la transformación eutectoide permite muchas microestructuras y, por lo tanto, un alto grado de propiedades sintonizables. Considere un acero eutectoide austenitizado y enfriado a velocidades variables:

• Si se enfría lentamente, se forma una microestructura de perlita moderadamente dúctil, moderadamente fuerte. La perlita es el resultado de un proceso cooperativo de crecimiento y nulización, ya que el carbono deja austenita durante su transformación en ferrita, formando láminas alternas de ferrita y cemento.
• Si se enfría moderadamente rápido y luego se mantiene isotérmicamente durante un período de tiempo, se forma una microestructura de bainita mucho más dura. La cinética de la formación de bainita no se comprende bien, pero la microestructura es una disposición menos organizada de cementita y ferrita, que nuevamente resulta del carbono que sale de la solución cuando la austenita se transforma en ferrita.
• Si se enfría extremadamente rápido, se forma una microestructura de martensita extremadamente fuerte y dura. La formación de martensita es un proceso sin difusión en el que el carbono queda atrapado en austenita mientras se transforma en una estructura BCC, distorsionando la red en una estructura BCT filtrada que es difícil de tensar aún más, de ahí su alta resistencia. Al alterar la cantidad de carbono y ser creativo con los programas de tratamiento térmico, hay disponible una amplia gama de combinaciones microestructurales.

Con la aleación adecuada y el tratamiento térmico, es posible tener un acero con austenita retenida, ferrita, perlita, bainita y martensita, todo en el mismo material. Tales microestructuras complejas son imposibles en otros sistemas de transición metal-carbono de la primera fila.

Toda la amplia capacidad de tratamiento térmico y la amplia gama de microestructuras y propiedades se deben enteramente a la presencia de una transformación eutectoide que lleva una fase de alta solubilidad a una fase de baja solubilidad. La transformación eutectoide en sí misma se debe a un cambio de fase de austenita (FCC) a ferrita (BCC) y la consiguiente pérdida significativa de solubilidad en carbono. La respuesta a su pregunta es efectivamente no , no hay otras aleaciones (que yo sepa) que se comporten como el acero durante el procesamiento. La respuesta a su pregunta alternativa es que el carbono tiene efectos menos útiles y menos explotables en otros metales de transición de primera fila.

A continuación se muestran los diagramas de fase de Fe-C, Ni-C y Mn-C para comparar. Tenga en cuenta que el diagrama de fase de Fe-C se detiene en 0.2 a / a C mientras que los otros van a 1.0 a / a C. Ni-C no tiene eutectoide, solo una transformación eutéctica, y por lo tanto solo puede endurecerse por precipitación. Cualquier otra formación de microestructura tendría que ocurrir durante la solidificación. El diagrama de fase Mn-C tiene un eutectoide, pero pasa de una fase de alta solubilidad a otra fase de alta solubilidad, lo que significa que cantidades extremadamente grandes de carbono estarían presentes en la fase de temperatura más baja (casi 10% a / a C en comparación con menos del 1% a / a C en acero), lo que resultaría en una fragilidad extrema.

Ver comentarios. Basado en el punto de inicio 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