Diagrama de echilibru metastabila fier-carbon

Diagrama de echilibru metastabila fier-carbon

Aliajele fierului cu carbonul (oteluri si fonte) se studiaza pe diagrama de echilibru stabila a sistemului numita si diagrama fier-grafit (este cazul fontelor cenusii) sau pe diagrama de echilibru metastabila (figura 4.75) numita si diagrama fier-cementita (cazul otelurilor si a fontelor albe

Figura 4.75 Diagrama de echilibru fier - cementita

Pe diagrama apar urmatoarele faze

Ferita F = Fe_a(C), stabila de la temperatura ambianta pana la 912⁰ C, cristalizeaza in sistemul cubic cu volum centrat, are un continut maxim de C de 0,02 %C la 727⁰ C si 0,06 %C la temperatura ambianta. Ferita este un constituent moale, cu tenacitate buna (plasticitate si alungire ridicata). Apare la microscop sub forma unor graunti poliedrici de culoare deschisa.

Ferita (d F_d=Fe_d (C), stabila intre temperaturile de 1394⁰C si 1543⁰C, care cristalizeaza tot in sistemul cubic cu volum centrat si are un continut maxim de carbon de 0,1%C la 1495 C.

Austenita A=Fe_g (C), stabila de la temperatura de 727⁰C pana la 1495 C, care cristalizeaza in sistemul cubic cu fete centrate si are un continut de C de 0,77% la 727 C si de 2,11%C la 1148 C.

Cementita Ce=Fe₃C, care contine 6,67%C este un constituent dur si fragil care cristalizeaza intr-un sistem complex cu 8 atomi de Fe si 4 atomi de C. Cementita se descompune in jurul temperaturii de 1300 C.

Constituentii eterogeni care apar in aliajele fier-carbon sunt :

Perlita P=F_p+Ce_p amestec mecanic, este eutectoidul aliajelor Fe-C, contine 0,77%C si se formeaza prin descompunerea austenitei la 727⁰C.

Ledeburita Le este eutecticul aliajelor Fe-C si se formeaza prin descompunerea lichidului care contine 4,3%C la temperatura de 1148⁰C. La temperatura ambianta este un amestec mecanic de P_Le+Ce_Le notat Le_I, iar la temperaturi mai mari de 727⁰C este formata din A_Le+Ce_Le (Le_II).

Fata de diagramele de echilibru simple studiate anterior, diagrama Fe-Fe₃C prezinta o serie de particularitati:

1) este o diagrama care are drept componenti un metal (Fe) si un nemetal (C) (in mod obisnuit ambele componente sunt metale);

2) diagrama acopera doar o portiune din concentratia sistemului (06,67 C

3) punctele si liniile de echilibru se noteaza totdeauna in acelasi mod;

4) diagrama se bazeaza pe presupunerea falsa, conform careia cementita este un constituent stabil desi, in realitate, ea se descompune chiar si la temperaturi joase (incepand de la 540 C);

5) anumite portiuni ale diagramei nu sunt cunoscute cu precizie (ramura CD a diagramei este foarte abrupta si nu pot fi atinse concentratii mai mari de 5%C);

6) temperaturile si concentratiile unor puncte pot sa difere de la o sursa bibliografica la alta;

7) diagrama se foloseste uneori si pentru a studia transformarile in afara de echilibru (transformari care au loc la racirea cu viteze mai mari decat cele de echilibru, utilizate la trasarea diagramei).

Aliajele care contin pana la 2,11%C si pot fi aduse prin incalzire in stare de solutie solida cu cementita complet descompusa, putand fi deformate plastic, se numesc oteluri.

Aliajele de pe aceasta diagrama care contin peste 2,11%C, nu pot fi aduse prin incalzire in stare de solutie solida (pastreaza in structura cementita sub diferite forme pana la temperatura solidus), nu pot fi deformate plastic, se utilizeaza in stare turnata si se numesc fonte albe.

Practic, se utilizeaza oteluri pana la 1,2 %C si fonte peste 2,25%C.

Diagramele de faze si de constituenti structurali pentru aliajele fier-carbon sunt prezentate in figura 5.45.

Figura 4.76 Diagramele de faze si de constituenti structurali pentru aliajele fier-carbon (oteluri si fonte albe)

Cristalizarea otelurilor

In functie de pozitia lor in raport cu concentratia punctului eutectoid S, otelurile se clasifica in:

- oteluri hipoeutectoide care au continuturi in carbon mai mici de 0,77% si au structura formata din ferita si perlita (la continuturi mai mici de 0,4%C) sau din perlita si ferita (la continuturi de 0,4 0,77%C);

- oteluri eutectoide care au continuturi de 0,77%C, avand structura formata numai din perlita;

- oteluri hipereutectoide care au continuturi de 0,77%2,11%C, avand structura formata din perlita si cementita secundara.

. Cristalizarea unui otel hipoeutectoid cu 0,4%C

Curba de racire si reactia de cristalizare a aliajului sunt cele prezentate in figura 4.77.

Figura 4.77 Curba de racire si reactia de cristalizare pentru un otel cu 0,4%C

De pe diagrama de echilibru si din reactia de cristalizare se constata ca, la temperatura ambianta, structura acestui otel este formata din ferita si perlita. O asemenea microstructura este prezentata in figura 4.78 a (ferita apare la microscop de culoare deschisa, iar perlita (amestec eutectoid de ferita si cementita lamelare) apare de culoare inchisa atunci cand marirea utilizata nu permite evidentierea lamelelor de ferita si cementita. In figura 4.78b se indica reprezentarea simbolica a acestei structuri.

a) b)

Figura 4.78 Structura unui otel cu 0,45%C: a) Structura microscopica (M.O.100x); b) Simbolizarea structurii

Calculul fazelor si constituentilor structurali:

Otelurile care contin 0,77%C (oteluri eutectoide) au la temperatura ambianta structura formata numai din perlita (figura 4.79).

a) b)

Figura 4.79 Structura de echilibru a unui otel eutectoid: a) Structura microscopica (M.O. 500x): b) Reprezentarea simbolizata

. Cristalizarea unui otel hipereutectoid cu 1%C

Curba de racire si reactia de cristalizare sunt cele din figura 4.80.

Figura 4.80 Curba de racire si reactia de cristalizare pentru un otel hipereutectoid cu 1%C

Calculul proportiei de faze:

La o temperatura situata imediat sub linia PSK constituentii aflati in structura sunt perlita si cementita secundara:

Proportiile de ferita perlitica si de cementita perlitica se determina cu regula compusa:

a) b)

Figura 4.81 Structura de echilibru a unui otel hipereutectoid: a) Structura microscopica (M.O. 500x);

b) Reprezentarea simbolizata

Cementita secundara, separata din austenita in timpul racirii, datorita modificarii solubilitatii carbonului in fierul g, apare in structura la temperatura ambianta fie sub forma de retea situata la limita grauntilor de perlita, fie sub forma aciculara (figura 4.81).

Cristalizarea fontelor albe

In functie de continutul in carbon, fontele albe se clasifica in:

- fonte hipoeutectice care au un continut de carbon cuprins intre 2,11 si 4,3%;

- fonte eutectice care au un continut de carbon de 4,3%;

- fonte hipereutectice care contin peste 4,3% carbon.

Cristalizarea unei fonte hipoeutectice cu 3%C

Se utilizeaza curba de racire si reactia de cristalizare din figura 4.82.

Figura 4.82 Curba de racire si reactia de cristalizare pentru o fonta hipoeutectica cu 3%C

Pentru determinarea proportiei de constituenti se determina, mai intai, proportiile de austenita si de lichid rest deasupra temperaturii de transformare eutectica:

In urma transformarii eutectice, lichidul ramas se transforma integral in ledeburita(amestec mecanic de austenita ledeburitica si cementita ledeburitica). Proportiile fazelor din ledeburita se determina cu regula compusa:

Din austenita se separa cementita secundara a carei proportie se determina cu regula compusa. Cementita secundara separata din austenita proeutectica este:

Austenita ramasa este:

In mod similar se calculeaza cementita secundara si austenita ramasa pentru austenita ledeburitica:

La atingerea temperaturii eutectoide, austenita se transforma in perlita asa incat, imediat sub aceasta temperatura, structura va fi formata din: perlita (46%), ledeburita (16% + 20% = 36%), cementita secundara (13%+5%=18%).

Daca se calculeaza si fazele constitutive ale perlitei se obtine:

La temperatura ambianta, structura acestei fonte este formata din ledeburita, perlita si cementita secundara (figura 4.83).

Fontele eutectice au structura formata numai din ledeburita, iar fontele hipereutectice au in structura, alaturi de ledeburita si cementita primara sub forma de ace grosolane care s-au format direct din topitura (figura 4.84).

Existenta ledeburitei si a cementitei primare in structura aliajului solid la orice temperatura produce o fragilizare accentuata a materialului si face imposibila deformarea plastica. Din acest motiv, fontele albe se folosesc doar la elaborarea otelurilor si la turnarea unor piese care ulterior sunt supuse unor tratamente termice pentru imbunatatirea tenacitatii (recoaceri de maleabilizare).