Diagrama fier-carbon
Această intrare sau secțiune despre metalurgie nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Diagrama stării fier-carbon este o diagramă de fază specială care descrie structurile de echilibru ale principalelor aliaje fier - carbon ( oțel și fontă ).
În forma în care este prezentată de obicei, diagrama fier-carbon prezintă un compus interstițial cu formula Fe 3 C (carbură de fier) denumită în mod obișnuit cementită . Porțiunea diagramei luată în considerare este cea cu un conținut de carbon corespunzător compoziției stoichiometrice a cementitei (6,67% în greutate) (din acest motiv ar fi mai potrivit să vorbim despre o diagramă fier-cementită ). De fapt, porțiunea care prezintă interes din punct de vedere tehnologic (referitoare la oțel și fontă ) implică procente de carbon mult sub această limită (în general nu depășește 4%). În diagramă se presupune, de asemenea, pentru simplitate, că grafitul este complet solubil în fierul topit, chiar dacă, de fapt, această solubilitate este limitată la 5%.
Cementita este de fapt un compus metastabil , care prezintă o tendință de descompunere în funcție de reacție:
- Fe 3 C → 3Fe + C
Adevărata diagramă de echilibru termodinamic este deci diagrama fero-grafit (ale cărei linii de transformare sunt reprezentate în albastru în Figura 1). Cu toate acestea, reacția de descompunere se desfășoară într-un mod extrem de lent, astfel încât să nu aibă nicio relevanță practică în condiții normale de mediu. Chiar dacă diagrama fero-grafit reprezintă, prin urmare, diagrama stabilă din punct de vedere termodinamic, respectarea acesteia ar necesita rate de răcire foarte lente, departe de cele adoptate în procesele tehnologice comune. Acesta este motivul pentru care diagrama fier-cementită este întotdeauna luată ca diagramă de referință (și la aceasta ne referim când vorbim despre diagrama fier-carbon). Prezența grafitului se găsește numai în aliaje cu un conținut ridicat de carbon (2-4% fontă ) datorită, de asemenea, prezenței elementelor care promovează formarea acestuia, cum ar fi siliciu .
Fazele aliajelor fier-carbon
Fierul pur (care nu există în natură), în stare solidă are trei forme alotrope :
- fier α: structură cristalină cubică centrată pe corp (CCC sau bcc) cu constantă de celulă 2,86 Å, stabilă până la 912 ° C.
- fier γ: structură cristalină cubică centrată pe față (CFC sau fcc) cu constantă de celulă 3,65 Å, stabilă între 912 ° C și 1394 ° C.
- fier δ: structură cristalină cubică centrată pe corp (CCC sau bcc) cu constantă de celulă 2,93 Å, stabilă între 1394 ° C și 1538 ° C (temperatura de topire).
Aceste trei forme alotrope de fier sunt capabile, în diferite grade, să dea naștere la soluții solide cu carbon , precum și să se combine cu acesta pentru a forma cementită . Prin urmare, fazele prezente în diagramă sunt următoarele:
- Faza α: ferită . Este soluția interstițială formată din cantități mici de carbon în rețeaua CCC a fierului α. Prezența atomilor de carbon în rețeaua CCC a fierului α produce distorsiuni considerabile, motiv pentru care solubilitatea carbonului în fierul α este foarte limitată (așa cum se poate vedea din diagramă) și poate atinge o valoare maximă de 0,022% (la 723 ° C).
- Faza γ: Austenita . Este soluția solidă interstițială de carbon în fierul γ (CFC). Structura cristalină a fierului γ favorizează o solubilitate mai mare a carbonului, de fapt din diagramă este posibil să se observe un câmp de stabilitate mult mai larg al austenitei
- Faza δ: Este soluția interstițială de carbon în fier δ (CCC). Considerații similare cu cele făcute pe ferita α sunt valabile pentru această fază. Cu toate acestea, constanta celulară mai mare permite o ușoară creștere a solubilității carbonului.
- Faza Fe 3 C: Cementit . Este compusul intermetalic menționat mai sus.
Transformările invariante
În diagrama stării fier-carbon există trei transformări invariante (adică la temperatura constantă și compoziții procentuale):
- eutectic , care apare la 1147 ° C și 4,30% carbon schematizat după cum urmează:
- Lichid → austenită + cementită (amestec care ia numele de ledeburit )
- peritectic , care apare la 1495 ° C și 0,16% carbon schematizat după cum urmează:
- Lichid + fier δ → austenită
- eutectoid , care apare la 727 ° C și cu 0,76% carbon schematizat după cum urmează:
- Austenita → ferită α + cementită. (amestec care ia numele de perlit )
Solidificare
Are loc în 2 etape: prima se numește nucleație , în care se generează primii germeni de solidificare, în timp ce a doua este creșterea , când germenii cresc în boabe cristaline. În funcție de viteza de răcire, se pot obține structuri mai mult sau mai puțin cu granulație fină. Cu cât viteza de răcire este mai mare, cu atât nucleația predomină asupra creșterii și, prin urmare, germenii, neavând timp să crească, rămân de dimensiuni mici, creând structuri cu granulație fină; invers, cu cât viteza de răcire este mai mică, cu atât germenii au mai mult timp să crească, dând astfel naștere unei structuri mai mari a cerealelor. Structurile cu granulație fină favorizează proprietățile mecanice la temperaturi scăzute, deoarece limitele granulelor sunt un obstacol în mișcarea dislocărilor, în timp ce structurile cu granule grosiere sau, cel puțin, monocristale îmbunătățesc rezistența materialului la fluaj la temperaturi ridicate.
Solidificarea este momentul în care o substanță atinge starea solidă la o anumită temperatură. În acest timp, materialul se solidifică conform unei rețele de cristal care, totuși, poate prezenta defecte precum:
- sărbători - lipsa mai multor atomi în structura cristalină;
- atom de înlocuire : un atom înlocuiește altul care are aproximativ aceeași dimensiune;
- atom interstițial : atomii cu o dimensiune mai mică se interpun între ceilalți în rețea, creând tensiuni interne și, prin urmare, distorsiuni (de exemplu la oțel carbonul dintre atomii de fier este prezent sub formă interstițială);
- luxații : lipsesc unul sau mai multe rânduri de atomi din interiorul rețelei, provocând deformări.
Aceste defecte provoacă distorsiuni și cresc rezistența la tracțiune și duritatea materialului.
Părțile diagramei fier-carbon
Diagrama Fe \ C este împărțită în 3 părți:
- PARTEA SUPERIOARA este partea metalului in stare lichida
- PARTEA INTERMEDIARĂ este partea metalului lichid în echilibru cu solidul
- PARTEA INFERIOARA reprezinta comportamentul metalului solid pe masura ce procentul de carbon variaza
Structuri neprevăzute în diagrama Fe \ C
Diagrama fier-carbon nu include toate structurile cristaline care se pot forma într-un oțel. Structurile neprevăzute sunt:
- Troostit - structură obținută cu răcire destul de rapidă, compusă din perlit alternând cu lamele de ferită și cementită și care este similar cu perlitul în sine.
- Superioară și inferioară bainita - ambele compuse din particule care conțin cementită mai mult sau mai puțin puternic divizate de ferita. Partea superioară se formează la o temperatură mai mare decât cea inferioară. Partea superioară are o structură rotunjită, are o duritate foarte mare, mai mare decât perlitul, dar mai mică decât bainita inferioară, este dificil de lucrat cu mașinile-unelte. Partea inferioară are o structură aciculară, particulele de cementită sunt atât de mici încât uneori nu sunt vizibile chiar și la microscop, de cele mai multe ori se găsește împreună cu martensita și este, de asemenea, dificil de prelucrat.
- Martensita - martensita este o structură cristalină care se formează pornind de la austenita aliajelor fier-carbon după răcirea rapidă. Își datorează duritatea prezenței particulelor de carbon care, după prăbușirea temperaturii scăzute a solubilității C în ferită devin acum martensită, nu reușește să difuzeze pentru a forma alte faze rămase prinse în rețeaua tetragonală a martensitei. Această configurație produce tensiuni elastice în rețeaua cristalină provocând întărirea tipică a fazei martensitice.
- Sorbitul - sorbitul este o structură cristalină care se obține prin aducerea martensitei la aproximativ 500 ° C și răcirea lentă din nou. Această structură are o duritate bună, dar și o bună rezistență, în plus are o rezistență bună la tracțiune. Această structură este cea mai comună în oțelurile de reconstrucție.
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Diagrama Fier-Carbon
