The effects of chemical composition and microstructure on the thermodynamic and transport properties of steel

Abstract

Steel is a broad category of alloys consisting of thousands of distinct compositions. The thermodynamic and transport properties of steel can have a significant impact on various manufacturing and modelling processes such as welding, casting, and the design and simulation of machines which are sensitive to temperature variations. The vastness of steel’s compositional space makes it infeasible to experimentally determine and tabulate the thermodynamic and transport properties of all varieties. It is therefore useful to understand how variations in chemical composition and thermal history affect these properties.

Towards that end, a broad literature review on the relationship between chemical composition, microstructure, and thermodynamic and transport properties of steel in the solid, liquid, and gaseous states was performed. The aim was to identify potential trends and relationships linking chemical composition and microstructure to thermodynamic and transport properties.

It was found that while the complexity of steel compositions and the high temperatures involved in steel research make it difficult to draw quantitative conclusions regarding the effects of specific elements on specific properties, some broad trends were identified in the literature. Such as Ni steels being typically denser, while Cr steels typically are less dense. Thermal and Electrical conductivity are most affected by elements with large size difference to atomic iron or which heavily affect primary lattice structure. Surface tension is most affected by surface active impurities rather than bulk composition. Viscosity only has minor variations with composition, and Specific heat capacity is heavily dependent on microstructure and thus thermal history.

Teräs on laaja seoskategoria, joka käsittää tuhansia erillisiä koostumuksia. Teräksen termodynaamisilla ja aineensiirto-ominaisuuksilla voi olla merkittävä vaikutus moniin valmistus- ja mallinnusprosesseihin, kuten hitsaukseen, valuun sekä lämpötilavaihteluille herkkien koneiden suunnitteluun ja simulointiin. Teräksen koostumusavaruuden laajuus tekee kaikkien lajikkeiden termodynaamisten ja aineensiirto-ominaisuuksien kokeellisesta määrittämisestä ja taulukoinnista mahdotonta. Siksi on hyödyllistä ymmärtää, miten kemiallisen koostumuksen ja lämpöhistorian vaihtelut vaikuttavat näihin ominaisuuksiin.

Tätä varten tehtiin laaja kirjallisuuskatsaus teräksen kemiallisen koostumuksen, mikrorakenteen sekä termodynaamisten ja aineensiirto-ominaisuuksien välisestä suhteesta kiinteässä, nestemäisessä ja kaasumaisessa tilassa. Tavoitteena oli tunnistaa mahdollisia trendejä ja yhteyksiä kemiallisen koostumuksen ja mikrorakenteen sekä ominaisuuksien välillä.

Havaittiin, että teräskoostumusten monimutkaisuuden ja korkeiden lämpötilojen vuoksi on vaikea tehdä määrällisiä johtopäätöksiä tiettyjen alkuaineiden vaikutuksista tiettyihin ominaisuuksiin, mutta kirjallisuudessa tunnistettiin joitakin laajoja trendejä. Ni-teräkset ovat tyypillisesti tiheämpiä, kun taas Cr-teräkset ovat tyypillisesti vähemmän tiheitä. Lämmön- ja sähkönjohtavuuteen vaikuttavat eniten alkuaineet, joilla on suuri kokoero atomiseen rautaan nähden tai jotka vaikuttavat voimakkaasti hilarakenteeseen. Pintajännitykseen vaikuttavat eniten pinta-aktiiviset epäpuhtaudet kokonaiskoostumuksen sijaan. Viskositeetilla on vain vähäisiä vaihteluita koostumuksen suhteen, ja ominaislämpökapasiteetti riippuu voimakkaasti mikrorakenteesta ja siten lämpöhistoriasta.