تبلیغات
یک و یک برابر نیست - نمودار فازی آهن-کربن

یک و یک برابر نیست

وبلاگ یک دانشجوی متالورژی - ریخته گری

نمودار فازی آهن-کربن


نمودار تعادلی آهن-کربن (Fe-C) راهنمایی است که به کمک آن می‌توان روش‌های مختلف عملیات حرارتی، فرآیندهای انجماد، ساختار فولادها و چدن‌ها و... را بررسی کرد.
قسمتی از این نمودار که در متالورژی اهمیت بیشتری دارد، قسمت آهن-کاربیدآهن (سمنتیت) است.
چون کاربید آهن یک ترکیب شبه‌پایدار است، بنابراین دیاگرام آهن-کربن را سیستم شبه‌پایدار می‌نامند. حالت پایدار کربن در فشار اتمسفر، کربن آزاد (گرافیت) است.
قسمت‌هایی که در نمودار با حروف یونانی مشخص شده‌اند، نشانگر محلول‌های جامد از نوع بین‌نشینی هستند.
تحولات هم‌دما (ایزوترم) در سیستم آهن-کربن شبه پایدار
خطوط افقی در نمودار، نشان دهندهٔ استحاله‌های هم‌دما هستند.
• استحالهٔ یوتکتیک : دما ۱۱۴۸ºC، غلظت کربن ۴٫۲۰ درصد
• استحالهٔ یوتکتوئید : دما ۷۲۷ºC، غلظت کربن ۰٫۸۰ درصد
• استحالهٔ پریتکتیک : دما ۱۴۹۵ºC، غلظت کربن ۰٫۱۸ درصد
البته باید توجه داشت که غلظت‌ها و دماهای ذکرشده برای آهن-کربن خالص بوده و با حضور عناصر آلیاژی دیگر، این ثابت‌ها تغییر می‌کنند.
آلوتروپ‌های آهن
• آهن آلفا
• آهن گاما
• آهن دلتا
آهن آلفا یکی از آلوتروپ‌های آهن است. این آلوتروپ از دمای ۲۷۳- درجه سانتیگراد تا ۹۱۰ درجه سانتیگراد پایدار است. این آلوتروپ دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر (bcc) است.
ثابت شبکهٔ آهن آلفای فرومغناطیس، ۲/۸۶ آنگستروم است.
آهن گاما یکی از آلوتروپ‌های آهن است که در محدودهٔ دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد پایدار بوده و ساختمان بلوری fcc (مکعبی مرکزپر) دارد.
آهن دلتا یکی از آلوتروپ‌های آهن است که از دمای ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تا ۱۵۳۹ درجه سانتیگراد (نقطهٔ ذوب آهن) پایدار است.
آهن دلتا دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر (bcc) است. آهن دلتا دارای خاصیت پارامغناطیس بوده و ثابت شبکه‌ی آن بزرگ‌تر از آهن آلفا است.
ثابت شبکهٔ آهن دلتا، ‎۲/۹۳ آنگستروم است.


yasserkarimi.ir

 


فازها و ساختارهای مخلتف نمودار فازی
• فریت 
• اوستنیت 
• سمنتیت 
• لدبوریت 
• پرلیت 
• بینیت
• مارتنزیت
فِریت:
به محلول جامد از نوع بین‌نشینی کربن در آهن آلفا α-Fe (آهن مکعبی مرکزپر) فِریت گفته می‌شود.
حداکثر غلظت کربن در فریت حدود ۲/. درصد وزنی و در دمای ۷۲۷ درجه سانتیگراد است.
مقاومت کششی فریت در حدود ۴۰۰۰۰ پسی (psi) است.
اوستنیت:
به محلول جامد از نوع بین نشینی کربن در آهن گاما (آهن مکعبی وجوه مرکزپر) اوستنیت گفته می‌شود.
حداکثر حلالیت کربن در آهن گاما، ۲ درصد در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتیگراد است. اوستنیت در دمای محیط پایدار نیست.
سِمِنتیت:
سِمِنتیت یا کاربید آهن یک ماده مرکب شیمیایی به فرمول شیمیایی Fe3C دارای ‎۶/۶۷ درصد کربن است. سمنتیت فازی بسیار سخت و شکننده است. 
حدس زدن این مورد شاید آسان باشد. این لغت برگرفته از کلمه Cement در زبان انگلیسی به معنای ماده ای است که مواد مختلف را به هم می چسباند، می باشد. 
در سال 1855 Osmond و Werth تئوری سلولی را ارائه دادند که در آن نه تنها وجود گونه های آلوتروپیک آهن( که امروزه به نام آستنیت و فریت معروف هستند) را پیشنهاد دادند، بلکه در این تئوری نگاه تازه ای به تشکیل کاربید ها شده بود. تحقیقات آنها در خصوص فولادهای پرکربن نشان داد که مخلوطی شامل سلولهای و دانه های آهن وجود دارد که توسط لایه ای از کاربید آهن محصور شده است.در حین انجماد ابتدا گلبولها یا سلولهای آهن تشکیل شده و رشد می کنند و باقیمانده مذاب به صورت کاربید آهن منجمد می شود. بدین ترتیب کاربید تشکیل شده با قرار گرفتن در اطراف سلولهای قبلی شکل گرفته، آنها را به هم می چسباند. از این شرح می توان دریافت چرا Osmond کاربید تشکیل شده را از لغت فرانسوی Ciment نامگذاری کرد. 
این فاز در زبان آلمانی با Zementit و در انگلیسی با Cementite نشان داده می شود.
لدبوریت:
به مخلوط یوتکتیکی اوستنیت و سمنتیت، لدبوریت گفته می‌شود که از مذابی با ۴/۳ درصد کربن در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتیگراد تحت یک واکنش یوتکتیکی حاصل می‌شود. از آنجایی که اوستنیت در دمای محیط پایدار نیست و بر اساس یک واکنش یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل می‌شود، لذا ساختمان لدبوریت در دمای محیط بصورت پرلیت و سمنتیت خواهد بود.
‌پرلیت:
به مخلوط یوتکتوئیدی فریت و سمنتیت، ‌پرلیت گفته می‌شود. پرلیت تحت یک تحول یوتکتوئیدی از آهن گاما با ۰/۸ درصد کربن در ۷۲۳ درجه سانتیگراد حاصل می‌شود.

بینیت:
این فاز به یادبود E.C. Bain شیمیدان آمریکایی نامگذاری شده است.

تاریخچه آستمپرینگ به سال 1930 بر می گردد، زمانی که Grossman و Bain در آزمایشگاه های فولاد ایالات متحده بر روی ارزیابی پاسخ متالورژیکی فولادهای سرد شده با سرعت زیاد از دمای 1450 درجه فارنهایت (788 درجه سانتیگراد) به دماهای متناوبا بالا و نگهداری در این دماها به مدت زمانهای مختلف های در حال کار بودند.

نتیجه تحقیقات آنها چیزی است که ما امروزه به عنوان دیاگرامهای استحاله همدما (Isothermal Transformation Diagram) می شناسیم. 

Grossman و Bain با ساختارهای معمول متالورژیکی فریت، پرلیت و مارتنزیت آشنا بودند. چیزی که آنها کشف کردند ساختار دیگری بود که در بالاتر از دمای آغاز تشکیل مارتنزیت (Ms) و پایین تر از دمای تشکیل پرلیت بود.

در فولادها این ساختار شکل ساختارهای سوزنی (بشقابی) با ظاهری پر مانند را داراست. تحقیقات X ray نشان داد که بینیت شامل فریت و کاربید فلزی است.
مارتنزیت:
اگر اوستنیت به قدری سریع سرد شود که هیچ یک از استحاله‌های بر پایهٔ نفوذ در آن اتفاق نیافتد و فوق سرمایش تا حدی ادامه یابد که ساختار fcc پایدار نباشد، این ساختار بصورت برشی به bcc تبدیل می‌شود که از کربن فوق اشباع شده است. فاز حاصل را مارتنزیت می‌نامند.

yasserkarimi.ir

 

 

در دیاگرام فازی آهن – کربن (آهن-سمانتیت) چندین فاز و مخلوط جامد وجود دارد:

  • فریت α
  • آستنیت γ
  • سمانتیت (سمنتیت) Fe3C
  • فریت δ
  • لدبوریت
  • پرلیت

1- فریت α

محلول جامد کربن درآهن α، فریت α یا فریت نامیده شده و ساختار بلوری آن BCC می باشد. نمودار فازی نشان می دهد که، کربن فقط اندکی در فریت حل شده و حداکثر حلالیت آن در 723 درجه سانتی گراد، 0.02% است. با کاهش دما، حلالیت  کربن در فریت α کاهش یافته و در صفر درجه سانتی گراد به 0.008 % می رسد. در فریت α، اتم های کربن به علت کوچک بودن در فضاهای بین نشین شبکه بلوری آهن قرار می گیرند.

2- آستنیت γ

محلول جامد کربن در آهن γ را آستنیت نامند. این فاز دارای ساختار بلوری FCC بوده و حلالیت کربن در آن خیلی بیشتر از فریت α است. حلالیت کربن در آستنیت در 1148 درجه سانتیگراد به حداکثر مقدار خود یعنی 2.08% رسیده و سپس در 723 درجه سانتیگراد به 0.8% کاهش می یابد. مشابه فریت، اتمهای کربن به صورت بین نشینی اما به میزان بیشتری درشبکه FCC حل می شوند.

3- سمانتیت Fe3C

ترکیب بین فلزی آهن و کربن، سمانتیت نامیده می شود. حلالیت کاربید آهن ناچیز بوده و 6.67% کربن و 93.3% آهن دارد. سمانتیت یا سمنتیت ترکیبی سخت و شکننده است که دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی بوده و هر سلول آن 12 اتم آهن و چهار اتم کربن دارد.

4- فریت δ

محلول جامد کربن در آهن دلتا را فریت δ می نامند. فریت آلفا دارای ساختار بلوری BCC بوده اما ثابت شبکه آن با ثابت شبکه فریت آلفا متفاوت است. حداکثر حلالیت کربن در  فریت آلفا، در دمای 1495 درجه سانتی گراد و برابر با 0.09% است.

5- لدبوریت

مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمانتیت را، لدبوریت می نامند. این ترکیب در اثر  واکنش یوتکتویتی که روی مذاب حاوی 4.3% کربن در دمای 1147 درجه سانتی گراد رخ می دهد، حاصل می شود. نکته قابل ذکر این است که آستنیت در دمای محیط پایدار نمی باشد و در اثر  واکنش یوتکتوییدی که در دمای 723 درجه سانتیگراد رخ می دهد، تبدیل به  پرلیت  شده و در نتیجه ساختمان لدبوریت در دمای محیط به شکل پرلیت و سمانتیت می باشد.

6- پرلیت

در اثر واکنش یوتکتوئیدی در دمای 723 درجه سانتی گراد مخلوطی از فریت و سمانتیت به دست می آید که به آن پرلیت گفته شده و ساختاری لایه لایه دارد.

 

واکنش های ثابت دیاگرام فازی آهن-کربن

نمودار فازی آهن- کربن دارای سه واکنش ثابت بوده که هر کدام شامل سه فاز بوده و در دمای ثابت رخ می دهند. این واکنشها عبارتند از :

  1.  پری تکتیک
  2. یو تکتیک
  3. یوتکتوئید

1- واکنش پری تکتیک

درنقطه پری تکتیک، مذاب (%0.53C) با  فریت  δ (%0.09C) در دمای 1493 درجه سانتی گراد ترکیب و آستنیت γ (%0.17C) به وجود می آید. این واکنش به صورت زیر نوشته می شود:

γ (%0.17C)δ (%0.095C)+(%0.53) مذاب

2- واکنش یوتکتیک

در نقطه یوتکتیک، مذاب با %4.3C در دمای 1147 درجه سانتی گراد، به  آستنیت γ با %2.08C ترکیب بین فلزی Fe3C (سمانتیت) با %6.67Cتجزیه می شود. این واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

Fe3C (%6.67C)+γ (%2.08C)مذاب (4.3C %)

3- واکنش یوتکوتئید

در نقطه یوتکتوئید، آستنیت جامد با %0.8C در دمای 723 درجه سانتیگراد به آهن α با %0.02C سمانتیت با %6.67C تجزیه می شود. واکنش آن به شرح زیر است:

Fe3C (%6.67C)+α فریت(%0.8C) γ

 

 

منابع :

  • ویکی پی جی
  • مرکز انجمنهای تخصصی
  • ماهنامه الکترونیکی مهندسی مواد و متالورژی
  • ASM Handbook:Heat Treatment, Vol. 4, 1991

نوشته شده در تاریخ سه شنبه 3 آذر 1394 توسط ََAdmin