نمودار فازي آهن-کربن

[EN-EZEL 13,039]

نمودار تعادلی آهن-کربن (Fe-C) راهنمایی است که به کمک آن می*توان روش*های مختلف عملیات حرارتی، فرآیندهای انجماد، ساختار فولادها و چدن*ها و... را بررسی کرد.

قسمتی از این نمودار که در متالورژی اهمیت بیشتری دارد، قسمت آهن-کاربیدآهن (سمنتیت) است.

چون کاربید آهن یک ترکیب شبه*پایدار است، بنابراین دیاگرام آهن-کربن را سیستم شبه*پایدار می*نامند. حالت پایدار کربن در فشار اتمسفر، کربن آزاد (گرافیت) است.

قسمت*هایی که در نمودار با حروف یونانی مشخص شده*اند، نشانگر محلول*های جامد از نوع بین*نشینی هستند.

تحولات هم*دما (ایزوترم) در سیستم آهن-کربن شبه پایدار

خطوط افقی در نمودار، نشان دهندهٔ استحاله*های هم*دما 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 غلظت*ها و دماهای ذکرشده برای آهن-کربن خالص بوده و با حضور عناصر آلیاژی دیگر، این ثابت*ها تغییر می*کنند.

آلوتروپ*های آهن

• آهن آلفا

• آهن گاما

• آهن دلتا

آهن آلفا یکی از آلوتروپ*های 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 آلوتروپ*های آهن است که در محدودهٔ دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد پایدار بوده و ساختمان بلوری fcc (مکعبی مرکزپر) دارد.

آهن دلتا یکی از آلوتروپ*های 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 شبکه*ی آن بزرگ*تر از آهن آلفا است.

ثابت شبکهٔ آهن دلتا، ‎۲/۹۳ آنگستروم است.

 

 

فازها و ساختارهای مخلتف نمودار فازی

• فریت

• اوستنیت

• سمنتیت

• لدبوریت

• پرلیت

• بینیت

• مارتنزیت

فِریت:

به محلول جامد از نوع بین*نشینی کربن در آهن آلفا α-Fe (آهن مکعبی مرکزپر) فِریت گفته می*شود.

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 می*شود.

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 می*شود که از مذابی با ۴/۳ درصد کربن در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتیگراد تحت یک واکنش یوتکتیکی حاصل می*شود. از آنجایی که اوستنیت در دمای محیط پایدار نیست و بر اساس یک واکنش یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل می*شود، لذا ساختمان لدبوریت در دمای محیط بصورت پرلیت و سمنتیت خواهد بود.

*پرلیت:

به مخلوط یوتکتوئیدی فریت و سمنتیت، *پرلیت گفته می*شود. پرلیت تحت یک تحول یوتکتوئیدی از آهن گاما با ۰/۸ درصد کربن در ۷۲۳ درجه سانتیگراد حاصل می*شود.

 

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 استحاله*های 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 می*شود که از کربن فوق اشباع شده است. فاز حاصل را مارتنزیت می*نامند.