Diagrama de stare a aliajelor fier-carbon

Diagrama de echilibru de fază (diagrama de stare) fier-carbon (uneori această diagramă este numită „ diagrama fier - cementită ”) este o afișare grafică a stării de fază a aliajelor fier - carbon în funcție de compoziția lor chimică și de temperatură.

Diagrama de stare

Fierul formează cu carbonul compusul chimic Fe 3 C cementită . Deoarece în practică sunt utilizate aliaje metalice pe bază de fier cu un conținut de carbon de până la 5%, partea diagramei de fază de la fier pur la cementită prezintă un interes practic [1] . Deoarece cementitul este o fază metastabilă , diagrama corespunzătoare se mai numește și metastabilă (linii continue în figură).

Pentru fontele cenușii și oțelurile grafitizate , se ia în considerare partea stabilă a diagramei fier-grafit (Fe-Gr), deoarece grafitul este faza stabilă în acest caz. Cementitul este eliberat din topitură mult mai repede decât grafitul și în multe oțeluri și fonte albe poate exista mult timp, în ciuda metastabilității. În fontele cenușii, grafitul este o necesitate.

În figură, liniile punctate subțiri arată liniile de echilibru stabil (adică, cu participarea grafitului), unde diferă de liniile de echilibru metastabil (cu participarea cementitului), iar punctele corespunzătoare sunt marcate cu o liniuță. . Denumirile fazelor și punctelor din această diagramă sunt date conform unui acord internațional neoficial.

Fazele diagramei fier-carbon

În sistemul fier-carbon există următoarele faze : fază lichidă, ferită , austenită , cementită, grafit .

faza lichida . În stare lichidă, fierul dizolvă ușor carbonul în orice proporție. cu formarea unei faze lichide omogene.

Ferita  este o soluție solidă de încorporare a carbonului în α-fier cu o rețea cubică centrată pe corp .

Ferita are o solubilitate limitatoare variabilă, dependentă de temperatură a carbonului: minim este de 0,006% la temperatura camerei (punctul Q), maximul este de 0,02% la o temperatură de 700 ° C (punctul P). Atomii de carbon sunt localizați în centrul feței sau (care este echivalent geometric din cristal) în mijlocul marginilor cubului, precum și în defecte de rețea [2] .

Peste 1392°C există ferită de temperatură ridicată cu o solubilitate limită a carbonului de aproximativ 0,1% la aproximativ 1500°C (punct H).

Proprietățile feritei sunt apropiate de cele ale fierului pur. Este moale ( duritate Brinell  - 130 HB) și ductil, feromagnetic (în absența carbonului) până la punctul Curie  - 770 ° C.

Austenita (γ) este o soluție solidă de intercalare a carbonului în γ-fier cu o rețea cubică centrată pe față.

Atomii de carbon ocupă un loc în centrul unei celule cubice centrate pe față . Solubilitatea limită a carbonului în austenită este de 2,14% la o temperatură de 1147 ° C (punctul E). Austenita are o duritate de 200-250 HB, este ductilă și paramagnetică . Când alte elemente sunt dizolvate în austenită sau în ferită, proprietățile și limitele de temperatură ale existenței lor se modifică [3] .

Cementitul (Fe 3 C) este un compus chimic al fierului cu carbon ( carbură de fier ), cu o rețea rombică complexă, conține 6,67% carbon. Este dur (peste 1000 HB) si foarte fragil. Cementitul este o fază metastabilă și, la încălzire prelungită, se descompune spontan cu eliberarea de grafit .

În aliajele fier-carbon, cementitul ca fază poate precipita în diferite condiții:

• cementită primară (separată de lichid),
• cementită secundară (separată de austenită),
• cementită terțiară (din ferită),
• cementită eutectică și
• cementită eutectoid .

Cementitul primar este eliberat din faza lichidă sub formă de cristale lamelare mari. Cementitul secundar se separă de austenită și se află sub forma unei rețele în jurul boabelor de austenită (după transformarea eutectoidă, acestea vor deveni boabe de perlită ). Cementitul terțiar iese în evidență de ferită și se află sub formă de mici incluziuni la limitele granulelor de ferită [4] .

Cementitul eutectic se observă numai în fontele albe. Cementitul eutectoid are o formă lamelară și este o componentă a perlitei . Cementitul poate precipita sub formă de sfere mici în timpul recoacerii speciale cu sferoidizare sau întăririi cu revenire ridicată. Proprietățile mecanice ale aliajelor sunt influențate de forma, dimensiunea, numărul și locația incluziunilor de cementită, ceea ce face posibilă în practică pentru fiecare aplicare specifică a aliajului realizarea combinației optime de duritate, rezistență, rezistență la rupere fragilă etc. [5]

Grafitul  este o fază constând numai din carbon cu o rețea hexagonală stratificată. Densitatea grafitului (2,3 g/cm 3 ) este mult mai mică decât densitatea tuturor celorlalte faze (aproximativ 7,5–7,8 g/cm 3 ) și acest lucru îngreunează și încetinește formarea acestuia, ceea ce duce la eliberarea de cementită în timpul răcire mai rapidă. Formarea grafitului reduce contracția în timpul cristalizării, grafitul acționează ca un lubrifiant în timpul frecării, reducând uzura și promovează disiparea energiei de vibrație.

Grafitul are forma unor incluziuni mari în formă de crab (lamelare curbate) ( fier cenușiu obișnuit ) sau sfere ( fontă ductilă ).

Grafitul este prezent în mod necesar în fontele cenușii și în varietățile acestora - fonte de înaltă rezistență. Grafitul este prezent și în unele tipuri de oțel - în așa-numitele oțeluri grafitizate.

Tranziții de fază

Linia ACD este o linie liquidus care arată temperaturile de la începutul solidificării (sfârșitul topirii) oțelurilor și fontelor albe. La temperaturi peste linia ACD, este un aliaj lichid. Linia AECF este o linie solidus care arată temperaturile la sfârșitul solidificării (începutul topirii).

Austenita cristalizează din aliajul lichid de-a lungul liniei lichidus AC (la temperaturi corespunzătoare liniei AC) , iar cementita , numită cementită primară, cristalizează de-a lungul liniei liquidus CD . La punctul C la 1147 ° C și un conținut de carbon de 4,3%, austenita și cementitul primar cristalizează simultan din aliajul lichid, formând un eutectic numit ledeburit . La temperaturi corespunzătoare liniei de solidus AE, aliajele cu un conținut de carbon de până la 2,14% se solidifică în final cu formarea unei structuri de austenită. Pe linia solidus EC (1147°C), aliajele cu un conținut de carbon de 2,14 până la 4,3% se solidifică în final cu formarea eutecticului de ledeburit . Deoarece austenita a precipitat din aliajul lichid la temperaturi mai ridicate, astfel de aliaje vor avea o structură austenită + ledeburită după solidificare.

Pe linia solidus CF (1147 °C), aliajele cu un conținut de carbon de la 4,3 la 6,67% se solidifică în cele din urmă cu formarea eutecticului de ledeburit. Deoarece la temperaturi mai ridicate cementitul (primar) a fost eliberat din aliajul lichid, prin urmare, după solidificare, astfel de aliaje vor avea o structură - cementită primară + ledeburită [6] .

În regiunea ACEA, între linia AC liquidus și linia AEC solidus, va exista un aliaj lichid + cristale de austenită. În regiunea CDF, între linia liquidus CD și solidus CF, va exista un aliaj lichid + cristale de cementită (primare). Transformările care apar în timpul solidificării aliajelor se numesc cristalizare primară. Ca urmare a cristalizării primare, în toate aliajele cu un conținut de carbon de până la 2,14%, se formează o structură monofazată - austenită. Aliajele de fier cu carbon, în care, ca urmare a cristalizării primare în condiții de echilibru, se obține o structură austenitică, se numesc oțeluri.

Aliajele cu un conținut de carbon de peste 2,14%, în care se formează ledeburit eutectic în timpul cristalizării, se numesc fontă. În sistemul luat în considerare, aproape tot carbonul este în stare legată, sub formă de cementită. Ruptura unor astfel de fonte este ușoară, strălucitoare (fractură albă), de aceea astfel de fonte se numesc albe [4] .

În aliajele fier-carbon au loc transformări și în stare solidă, numite cristalizare secundară și caracterizate prin liniile GSE, PSK, PQ. Linia GS arată începutul transformării austenitei în ferită (la răcire). Prin urmare, va exista o structură austenită + ferită în regiunea GSP.

Linia SE arată că solubilitatea carbonului în austenită scade odată cu scăderea temperaturii. Deci, la 1147 °C, 2,14% carbon se poate dizolva în austenită, iar la 727 °C - 0,8%. Odată cu scăderea temperaturii în oțelurile cu conținut de carbon de 0,8 până la 2,14%, excesul de carbon este eliberat din austenită sub formă de cementită, numită secundară. Prin urmare, sub linia SE (până la o temperatură de 727 °C), oțelul are următoarea structură: austenită + cementită (secundar). În fontele cu un conținut de carbon de la 2,14 până la 4,3% la 1147 ° C, pe lângă ledeburit, există austenită, din care se va elibera și cementitul secundar atunci când temperatura scade. Prin urmare, sub linia EC (până la o temperatură de 727 ° C), fonta albă are structura: ledeburit + austenită + cementită secundară.

Linia PSK (727°C) este linia transformării eutectoide. Pe această linie, în toate aliajele fier-carbon, austenita se descompune, formând o structură care este un amestec mecanic de ferită și cementită și se numește perlit . Sub 727 °C, aliajele fier-carbon au următoarele structuri.

• Otelurile care contin mai putin de 0,8% carbon au structura ferita + perlita si se numesc oteluri hipoeutectoide.
• Oțelul cu un conținut de carbon de 0,8% are o structură perlită și se numește oțel eutectoid.
• Otelurile cu un continut de carbon de 0,8 pana la 2,14% au structura cementita + perlita si se numesc oteluri hipereutectoide.
• Fontele albe cu un continut de carbon de 2,14 pana la 4,3% au structura perlita + cementita secundara + ledeburita si se numesc fonte hipoeutectice.
• Fonta albă cu un conținut de carbon de 4,3% are o structură de ledeburit și se numește fontă eutectică.
• Fontele albe cu un conținut de carbon de 4,3 până la 6,67% au structura cementită primară + ledeburită și se numesc fonte hipereutectice [5] .

Linia PQ arată că, pe măsură ce temperatura scade, solubilitatea carbonului în ferită scade de la 0,02% la 727°C la 0,006% la temperatura camerei. Când este răcit sub o temperatură de 727 ° C, excesul de carbon este eliberat din ferită sub formă de cementită, numită terțiar. În majoritatea aliajelor de fier cu carbon, cementitul terțiar din structură poate fi ignorat datorită cantităților sale foarte mici. Cu toate acestea, în oțelurile cu conținut scăzut de carbon în condiții de răcire lentă, cementitul terțiar precipită de-a lungul limitelor granulelor de ferită (Fig. 76). Aceste precipitate reduc proprietățile plastice ale oțelului, în special capacitatea de a forja la rece [5] .

Note

1. ↑ Kuzmin, 1971 , p. 91.
2. ↑ Zimmerman, Günther, 1982 , p. 31.
3. ↑ Zimmerman, Günther, 1982 , p. 33.
4. ↑ 1 2 Kuzmin, 1971 , p. 93.
5. ↑ 1 2 3 Kuzmin, 1971 , p. 95.
6. ↑ Kuzmin, 1971 , p. 92.

Literatură

• Kuzmin B. A., Samokhotsky A. I., Kuznetsova T. N. Metalurgie, metalurgie și materiale de construcție. - Moscova: Şcoala superioară, 1971. - 352 p.
• Zimmermann R. , Günter K. Metalurgie și știința materialelor: Ediție de referință = Metallurgie und Werkstofftechnil: ein Wissensspeicher / Per. cu el. B. I. Levin și G. M. Ashmarin , ed. P. I. Polukhin , M. L. Bernshtein . - M .: Metalurgie , 1982. - 480 p. - 16.000 de exemplare.

Dicționare și enciclopedii	in jurul lumii