„Oțelul” nu vă duce instantaneu mintea la căi ferate, auto, platforme petroliere, cisterne și zgârie-nori, echipamente de spălătorie, echipamente de procesare chimică, piese de motoare cu reacție, instrumente chirurgicale, componente de cuptor și cazan etc. (Askeland et al. 2011) )? Principalul punct de separare dintre oțeluri și fontă este nivelul de carbon, care este pentru oțeluri sub 2,1% carbon. Pe lângă ferită, care este fier pur la temperatura camerei, combinația și aranjamentele constituenților microstructurii, inclusiv tratamentul termic, permit aliajelor de oțel să ofere o combinație largă de proprietăți pentru a satisface cerințele de configurare pentru anumite aplicații. Acestea fiind spuse, nu este de mirare de ce nimic altceva nu poate oferi în același timp atribute excelente de proiectare, cum ar fi rezistența, ușurința de formare și a fi atât de ieftin. Unii dintre cei mai importanți microconstituenți prezintă microstructura (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011):
Does not “steel” instantly bring your mind to railroads, automotive, oilrigs, tankers, and skyscrapers, laundry equipment, chemical-processing equipment, jet-engine parts, surgical tools, furnace and boiler components, etc. (Askeland et al. 2011)? The main separating point between steels and cast irons is the carbon level which is for steels below 2.1 % carbon. Besides ferrite, which is pure iron at room temperature, the combination and arrangements of microstructure constituents, including heat treatment, allow steel alloys to offer a wide combination of properties to meet setup demands on the particular applications. With this said, it is no wonder why nothing else may at the same time offer excellent design attributes such as strength, ease of formability, and being so inexpensive. Some of the most important micro constituents present the microstructure (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011):

• Cementita, Fe3C, care conține 6,67% în greutate C, poate prezenta un HV de până la 1.100 și apare ca lamele încorporate în perlită în microstructură.
• Perlita are un total de 0,8% C, constând din ferită și Fe3C într-o structură lamelară. Duritatea perlitei poate fi de până la 400 HV.
• Prin transformarea austenitei la o subrăcire mare se obţine bainita formată dintr-o cementită rotunjită şi mai fină, comparativ cu perlita, într-o matrice feritică. HV în acest caz poate fi de până la 650.
• O duritate de 900 HV poate fi obținută prin călirea austenitei care formează martensită, proces fără difuzie care are ca rezultat o fază metastabilă de fier.
• Martensita temperată, un amestec de cementită foarte fină și aproape rotundă în ferită, se formează când martensita este reîncălzită după formarea acesteia.
• Cementite, Fe3C, that contains 6.67 wt% C, may exhibit a HV up to 1,100 and appears as lamellae embedded in the pearlite in the microstructure. • Pearlite has a total of 0.8 % C, consisting of ferrite and Fe3C in a lamellar structure. The hardness of the pearlite may be as high as 400 HV. • By transformation of austenite at a large undercooling, bainite is obtained consisting of a rounded and finer cementite, compared to pearlite, in a ferritic matrix. The HV in this case can be up to 650. • A hardness of 900 HV can be achieved by quenching of the austenite forming martensite, diffusionless process that results in a metastable iron phase. • Tempered martensite, a mixture of very fine and nearly round cementite in ferrite, forms when martensite is reheated following its formation.

Tipuri de aliaje de oțel

Diferitele tipuri de oțel pot fi grupate în următoarele categorii: oțel carbon, numit și oțel carbon simplu și oțeluri aliate. Oțelurile carbon sunt oțeluri în care principalul constituent de aliere este carbonul. Însă, oțelul carbon conține și cantități mici (nu este specificat un conținut minim) de, de exemplu, Cr, Co, Mo, Ni, Ti etc., dar este permis un maxim de 1,65 % Mn și 0,6 % Si (ASM Handbook 1992).
The different steel types can be grouped in the following categories: carbon steel, also called plain carbon steel, and alloyed steels. Carbon steels are steels where the main alloying constituent is carbon. Nevertheless, carbon steel contains also small quantities (no minimum content is specified) of, for instance, Cr, Co, Mo, Ni, Ti, etc., but a maximum of 1.65 %Mn and 0.6 % Si is allowed (ASM Handbook 1992).

Oțeluri carbon

Oțelurile carbon pot fi clasificate în funcție de conținutul lor de carbon în trei grupe mari (vezi Fig. 70):
Carbon steels can be classified according to their carbon content into three broad groups (see Fig. 70):

1. Oțelurile cu conținut scăzut de carbon sunt aliate cu (valori aproximative) până la 0,30% C, Mn (0,50–1,00%), Si (0,25–0,80%) și S și P până la 0,05%. Industria auto și cea feroviară sunt domenii tipice de aplicații în piese turnate. Aceste materiale se caracterizează prin faptul că sunt relativ rezistente, sunt ductile, nu au nici o întărire utilă prin tratament termic decât prin normalizare, fiind sudabile, temperatura lor de tranziție ductil-casabilă care este chiar sub temperatura camerei etc. (ASM Handbook 1992).
1. Low-carbon steels are alloyed with (approximate values) up to 0.30 % C, Mn (0.50–1.00 %), Si (0.25–0.80 %), and S and P up to 0.05 %. The automotive and the railroad industries are typical areas of applications in castings. These materials are characterized by being relatively strong, being ductile, having no useful hardening by heat treatment except by normalizing, being weldable, their ductile-brittle transition temperature that is just below room temperature, etc. (ASM Handbook 1992).

2. Dacă se dorește un echilibru mare între ductibilitate și rezistență împreună cu o rezistență apreciabilă la uzură, pot fi recomandate oțeluri cu carbon-mediu care prezintă 0,30–0,70% C. Acest tip de oțel reprezintă mai mult de jumătate din toate piesele majore ale turnării din oțel utilizate în mod obișnuit în sectoare precum automobile feroviare, mașini și unelte, echipamente pentru laminoare, echipamente pentru minerit și construcții etc. Oțelurile cu carbon-mediu se caracterizează prin a fi foarte rezistente, tratabile termic pentru a produce o gamă largă de proprietăți în condiții de călire și revenire, dar dificil de sudat și pot deveni fragile sub temperatura camerei (ASM Handbook 1992).
2. If a great balance between ductility and strength along with appreciable wear resistance are desired, medium-carbon steels exhibiting 0.30–0.70 % C can be recommended. This kind of steels represents more than half of all major parts of steel castings used typically in sectors such as railroad automotive, machinery and tools, equipment for rolling mills, mining and construction equipment, etc. Medium-carbon steels are characterized by being very strong, heat treatable to produce a wide range of properties in quenched and tempered conditions, but difficult to weld and can become brittle below room temperature (ASM Handbook 1992).

3. Oțeluri cu conținut-ridicat și -ultraînalt de carbon cu 0,70–2,0% C și aliate cu elemente precum Mn (0,50–1,0%), Si (0,30–0,80%), S și P. Domeniile de aplicare care necesită niveluri de rezistență relativ ridicate și rezistența la uzură sunt utilizatoare tipice ale acestor oțeluri. Unul dintre dezavantajele tipurilor de oțel este sudarea și ductibilitatea limitate; aceste aliaje nu pot fi sudate și tind să fie casante dacă structura nu este controlată cu atenție (ASM Handbook 1992).
3. High- and ultrahigh carbon steels with 0.70–2.0 % C and alloyed with elements such as Mn (0.50–1.0 %), Si (0.30–0.80 %), S, and P. Application fields that require relatively high strength levels and wear resistance are typical users of these steels. One of the disadvantages with kind of steels is the limited weldability and ductility; these alloys cannot be welded and tend to be brittle if the structure is not carefully controlled (ASM Handbook 1992).

Rezistența oțelurilor carbon este îmbunătățită remarcabil pe măsură ce nivelul C este crescut (creșterea fracției de cementită), ceea ce se face în detrimentul ductibilității, precum și al sudabilității reduse (vezi Tabelul 12). Îmbunătățiri suplimentare ale rezistenței sunt obținute prin aplicarea unui tratament termic adecvat. În general, adăugările de alte elemente de aliere decât C vor influența microstructura și, în consecință, dimensiunea zonelor de fază din diagrama de fază; de exemplu, aliarea cu Ni ar putea duce la austenită stabilă la temperatura camerei.
The strength of carbon steels is remarkably improved as the C level is increased (increasing cementite fraction) which is done on the expense of ductility as well as reduced weldability (see Table 12). Additional strength improvements are achieved by applying a proper heat treatment. Generally, additions of other alloying elements than C will influence the microstructure and accordingly the size of the phase areas in the phase diagram; for instance, alloying with Ni might lead to stable austenite at room temperature.

Oțel aliat

Pentru a obține proprietăți care nu se găsesc în oțelurile carbon simple, cum ar fi călibilitatea (abilitatea oțelului de a forma martensită în timpul tratamentului termic), prelucrabilitatea, rezistența prin tratamente termice, rezistența la coroziune și uzură, rezistența ridicată la temperatură mare etc., oțelurile aliate au fost dezvoltate de oțeluri cu unul sau mai multe elemente (vezi Tabelul 13). Oțelul aliat este împărțit în două grupe (Svensson 1980):
In order to obtain properties that are not found in plain carbon steels such as hardenability (the ability of the steel to form martensite during heat treatment), machinability, strength through heat treatments, corrosion and wear resistance, high strength at elevated temperature, etc., alloy steels have been developed by steels with one or more elements (see Table 13). Alloy steel is subdivided into two groups (Svensson 1980):

1. Oțelurile slab-aliate turnate care sunt în plus față de C pot conține elemente de aliere precum Mn, Si, Ni, Cu, Cr etc., cu o limită minimă specificată, dar ca elemente de aliere totale nu mai mult de 8%. Al, Ti și Zr pot fi găsite și pentru a controla conținutul de oxigen din aliaje. Un număr mare de oțeluri slab aliate turnate sunt dezvoltate pentru a îndeplini cerințele de utilizare finală, cum ar fi durabilitate, rezistența la coroziune, uzură și la căldură, etc. Oțeluri turnate carbon-mangan pentru clase de durabilitate ridicată (a se vedea tabelul 3), oțelurile turnate mangan-molibden pentru limită de curgere ridicată la temperatură ridicată și oțelurile turnate mangan-nichel-crom-molibden pentru cerințe ridicate de călibilitate sunt unele dintre aliajele găsite în această categorie.
1. Cast low-alloy steels that are in addition to C may contain alloying elements such as Mn, Si, Ni, Cu, Cr, etc. with a specified minimum limit but as a total alloying elements no more than 8 %. Al, Ti, and Zr might also be found in order to control the oxygen content in the alloys. A large number of cast low alloy steels are developed in order to meet end-use requirements such as strength, corrosion, wear and heat resistance, etc. Carbon-manganese cast steels for high-strength grades (see Table 3), manganese-molybdenum cast steels for high yield strength at high temperature, and manganese-nickel-chromium-molybdenum cast steels for high hardenability requirements are some of the alloys found in this category.

2. Oțeluri înalt-aliate turnate sunt caracterizate prin durabilitatea lor ridicată de aproximativ 1.200 MPa ca limită de curgere și aproximativ 1.500 MPa ca rezistență la tracțiune, rezistența la coroziune în medii apoase aproape de temperatura camerei și pentru a servi în aplicații expuse la gaze și lichide fierbinți la temperaturi ridicate etc. Aceste aliaje sunt în mod normal aliate cu elemente similare ca pentru oțelurile slab-aliate, dar cu concentrații mai mari de Cr și Ni, cu niveluri de până la 30% și, respectiv, 60%. Printre oțelurile înalt-aliate pentru rezistență la coroziune se numără cele denumite în mod normal oțeluri inoxidabile turnate, cu niveluri de Cr peste 12% Cr. Aceste oțeluri se găsesc în mod normal în aplicații ca materiale în echipamentele de prelucrare chimică și de generare a energiei, precum și în zonele în care se solicită cerințe ridicate de temperatură de serviciu, în jur de 650oC. Oțelurile inoxidabile, indiferent dacă sunt turnate sau forjate, sunt clasificate în mod normal pe baza elementelor sau microstructurilor lor de aliere și a tratamentului post-solidificare și pot fi desemnate ca martensitic, austenitic, feritic, austenitic-feritic sau duplex (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011).  
2. Cast high-alloy steels are characterized by their high strength approximately 1,200 MPa in yield strength and around 1,500 MPa in tensile strength, corrosion resistance in aqueous media near room temperature and to serve in applications exposed to hot gases and liquids at elevated and high temperatures, etc. These alloys are normally alloyed with similar elements as for the low-alloy steels but with higher concentrations of mainly Cr and Ni, with levels up to 30%and 60 %, respectively. Among the high-alloy steels for corrosion resistance are the ones normally referred to as cast stainless steels, with Cr levels above 12 % Cr. These steels are normally found in applications as materials in chemical processing and power generation equipment as well as in areas where high service temperature requirements, around 650 C, are requested. Stainless steels, whether cast or wrought, are normally classified based upon their alloying elements or microstructures and post-solidification treatment and can be denoted as martensitic, austenitic, ferritic, austenitic-ferritic, or duplex (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011).

Proprietățile mecanice ale acestor aliaje pot fi modificate și printr-o aliere adecvată (vezi Tabelele 12 și 13) și un tratament termic suplimentar (Tabelul 14). Există excepții; totuși, oțelurile înalt-aliate turnate cu mai mult de 20–30% Cr + Ni, în comparație cu oțelurile carbon simple și slab-aliate, nu prezintă schimbări de fază similare în timpul încălzirii sau răcirii între temperatura camerei și punctul de topire. Datorită acestui fapt, sunt considerate, prin urmare, neîntăribile, iar proprietățile lor sunt controlate doar de compoziția lor chimică, mai degrabă decât de tratamentul termic. Având în vedere acest lucru, fiecărei clase de oțel turnat înalt-aliat trebuie să i se acorde o atenție specială în ceea ce privește proiectarea turnării, practica de turnare și tratamentul ulterior de postsolidificare (ASM Handbook 1992).
The mechanical properties of these alloys may also be changed by suitable alloying (see Tables 12 and 13) and further heat treatment (Table 14). There are exceptions; however, cast high-alloy steels with more than 20–30 % Cr + Ni, in comparison with plain carbon and low alloy steels, do not exhibit similar phase changes during heating or cooling between room temperature and the melting point. Due to this fact, they are therefore considered non-hardenable, and their properties are only controlled by their chemical composition rather than heat treatment. With this in mind, each grade of high-alloy cast steel has to be given a special consideration with regard to casting design, foundry practice, and subsequent postsolidification treatment (ASM Handbook 1992).

Un material de inginerie atractiv poate prezenta și unele dezavantaje. Temperatura de turnare a oțelului este mai mare decât pentru majoritatea celorlalte metale de turnare, 1.650oC, iar la aceste temperaturi, oțelul se oxidează ușor, astfel încât metalul topit trebuie izolat de aer. Pe lângă oxidare, aceste temperaturi ridicate duc la daune crescute legate de uzură la cuptor și la oala de turnare, la cerințe mai mari asupra materialului de matriță și la o afinitate crescută de a forma defecte. Oțelul topit are, de asemenea, o fluiditate relativ slabă; piesele turnate necesită o alimentare extinsă din cauza contracției și a tratamentului termic pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea, au o calitate mai scăzută de amortizare decât fontele și sunt, în mod normal, asociate cu costuri relativ mai mari. În plus, oxigenul și hidrogenul sunt probabil prezente în oțelurile care degradează proprietățile mecanice. Oxigenul, de exemplu, reduce energia de impact, fragilitatea etc., iar hidrogenul, ca și oxigenul, duce, de asemenea, la formarea porozității, atât legate de gaz și contracție, cât și de găuri. În plus, fiind în formă umedă la temperatură mai ridicată, hidrogenul acționează și ca agent de decarburare (Campbell 2002).
An attractive engineering material can also exhibit some disadvantages. The pouring temperature of steel is higher than for most other casting metals, 1,650 C, and at these temperatures, steel readily oxidizes, so molten metal must be isolated from air. Besides oxidation, these high temperatures lead to increased wear-related damages on furnace and ladle, higher demands on mold material, and increased affinity to form defects. Molten steel has also relatively poor fluidity; castings require extensive feeding because of shrinkage and heat treatment in order improve machinability, possess lower damping quality than cast irons, and are normally associated with relatively higher costs. Besides, oxygen and hydrogen are likely to be present in steels degrading the mechanical properties. Oxygen, for instance, reduces the impact energy, brittleness, etc., and hydrogen, like oxygen, also leads to the formation of porosity, both gas and shrinkage related as well as blowholes. Additionally, being in moist form at higher temperature, hydrogen also acts as a decarburizing agent (Campbell 2002).

Ca proces de turnare, în mod normal turnarea în nisip sau matriță cu materiale refractare dă naștere, în general, la formarea unor micro- și macrostructuri de material neomogen, din cauza condițiilor de răcire, a varietății de complexitate geometrică și, prin urmare, a unei varietăți de proprietăți mecanice. În plus, componentele din oțel turnat pot fi tratate termic pentru omogenizare și performanță de adaptare. Tratamentele termice sunt efectuate pentru a îmbunătăți proprietăți precum rezistența, creșterea/scăderea durității, dizolvarea carburilor sau alte structuri nedorite, iar printre tratamentele termice comune efectuate asupra componentelor din oțel turnat se numără (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011):
As the casting process, normally sand casting or mold by refractory materials generally gives rise to the formation of an inhomogeneous material micro- and macrostructures due to the cooling conditions, variety of geometrical complexity, and hence a variety of mechanical properties. Additionally, cast steel components can be heat treated for homogenization and for tailoring performance. The heat treatments are done to improve properties such as strength, increase/decrease hardness, dissolve carbides or other unwanted structures, and among the common heat treatment done on cast steel components are (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011):

• Normalizarea incluzând încălzirea la 55–85oC peste temperatura A3 (o temperatură de tranziție când austenita se transformă în ferită) sau Acm (tranziție de la austenită la austenită + cementită) pentru a produce o distribuție de dimensiune uniformă și de dorit a granulelor și pentru a ajuta, de asemenea, la dizolvarea de carburi și rețea de carburi. Acest proces duce în mod normal la o rezistență îmbunătățită, tenacitate la impact și rezistență la oboseală.
• Recoacerea, cuprinzând încălzirea la 15–40oC peste temperatura A3 sau A1 (temperatura eutectoidă), pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea sau procesul de deformare plastică.
• Întărire cu încălzire în regiunea austenită și călire ulterioară în vederea obținerii unei structuri martensitice.
• Revenirea se efectuează de obicei după întărire, pentru a reduce o parte din excesul de duritate, și se realizează prin încălzirea metalului la o temperatură mult mai scăzută decât a fost folosită pentru întărire. Duritatea materialului și ductibilitatea sunt apoi îmbunătățite.
• Sferoidizarea, care necesită câteva ore la aproximativ 30oC sub A1 pentru a schimba morfologia Fe3C în particule sferice mari, are ca rezultat o moliciune și o ductibilitate crescute, făcând piesele turnate ușor de prelucrat și de deformat.
• Normalizing including heating to 55–85 C above the A3 (a transition temperature when austenite transforms to ferrite) or Acm (transition from austenite to austenite + cementite) temperature in order to produce a uniform and desirable grain size distribution and help also in dissolving carbides and carbide network. This process normally leads to improved strength, impact toughness, and fatigue resistance. • Annealing comprising heating to 15–40 C above A3 or A1 (the eutectoid temperature) temperature in order to improve machinability or plastic deformation process. • Hardening with heating to the austenite region and subsequent quenching in order to obtain a martensitic structure. • Tempering is usually performed after hardening, to reduce some of the excess hardness, and is done by heating the metal to a much lower temperature than was used for hardening. The material toughness and ductility are then improved. • Spheroidizing, requiring several hours at about 30 C below the A1 in order to change the morphology of Fe3C into large spherical particles, results in increased softness and ductility making castings easily machined and deformed.

Institutul American de Fier și Oțel (AISI) și Societatea Inginerilor Auto (SAE) clasifică oțelurile carbon și oțelurile slab-aliate cu un cod din 4 cifre. Prima cifră este elementul de aliere major, iar a doua cifră desemnează al doilea element de aliere. Ultimele două cifre aproximează cantitatea de carbon exprimată în sutimi de procent, de exemplu: 1.080 de oțel ar fi oțel carbon simplu cu 0,80% carbon și 4.340 de oțel ar fi aliaj Mo-Cr cu 0,40% carbon. Oțelurile turnate înalt-aliate sunt cel mai adesea clasificate folosind sistemul de desemnare al Grupului de produse High-Alloy al Societății Fondatorilor de Oțel din America (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011).
The American Iron and Steel Institute (AISI) and the Society of Automotive Engineers (SAE) classify the carbon and low-alloy steels with a 4-digit code. The first number is the major alloying element and the second number designates the second alloying element. The last two numbers approximate the amount of carbon expressed in hundredths of a percent, for instance: 1,080 steel would be plain carbon steel with 0.80 % carbon and 4,340 steel would be Mo-Cr alloy with 0.40 % carbon. High-alloy cast steels are most often classified using the designation system of the High Alloy Product Group of the Steel Founders’ Society of America (ASM Handbook 1992; Askeland et al. 2011).