TIINA I INGINERIA MATERIALELORCURS 5 AN I IA

CAP. 5 STRUCTURA SI PROPRIETATILE ALIAJELOR Fe-CSistemul fier-cementit este un sistem de echilibru metastabil, utilizat pentru studiul oelurilor carbon i fontelor albe.Sistemul fier-grafit este un sistem de echilibru stabil, utilizat pentru studiul fontelor cenuii. Caracteristicile fierului pur: Impuriti: C (0,001%), Si (0,003%), Mn, P (0,0005%), S (0,0025%), Cu, N, O2 (0,0004%) etc.Culoare: alb-argintiuProprieti mecanice: moale i foarte plastic (Rm =180-250 N/mm2; HB= 4555; A= 4550%Proprieti fizice: este feromagnetic pn la temperatura de 768C dup care devine paramagneticPrezint dou transformri alotropice Fe Fe la 910C i Fe Fe la 1392C

Caracteristicile carbonului:Proprieti mecanice: foarte dur (HV = 800)Are o reea cristalin complex i se topete la 1550C (carbura de fier Fe3C sau cementita) i conine 6,67%C.Este un compus metastabil care la temperaturi ridicate se descompune n fier i grafit.

5.1 DIAGRAMA DE ECHILIBRU A SISTEMULUI DE ALIAJE FIER-CARBONSistemul de aliaje Fe-Fe3C este un sistem binar, metastabil, cu solubilitatea nelimitat a componenilor n stare lichid dar cu solubilitate limitat n stare solid.Are dou reacii principale de transformare: eutectic i eutectoid.Fig. 5.1

Fig.5.2

CONSTITUENII STRUCTURALI A-I DIAGRAMEI Fe-Fe3cAustenita este o soluie solid interstiial obinut prin dizolvarea carbonului n Fe. Rezult direct din lichid n urma reaciei peritectice dintre Fe i lichid cu concentraia de 0,18%C sau direct din lichid prin cristalizare. Este stabil n domeniul GSEJN, la temperaturi ridicate i poate dizolva maxim 2,04%C la temperatura de 1147C. Are duritate sczut, este ductil i se deformeaz plastic uor.Ferita este o soluie solid interstiial obinut prin dizolvarea carbonului n Fe. Rezult direct din austenit datorit transformrii alotropice a Fe n Fe sau prin descompunerea n stare solid a austenitei cu concentraia de 0,77%C. Este stabil n domeniul GPQ, poate dizolva pn la 0,02%C la temperatura de 727C. Ferita poligonal este ductil, tenace i are rezisten mic la traciune (Rm=300N/mm2 ; HB=80; As=40%). Are rezisten ridicat la coroziune n medii acide ns n condiii de frecare determin fenomenul de gripare.Perlita este un agregat policristalin, eutectoid, format din lamele alternante de ferit (86,5%) i de cementit (13,5%), grosimea lamelelor fiind cuprins ntre 28-40 microni. Are o rezisten bun la traciune (Rm=750-850 N/mm2 ) i duritate ridicat (HB=220-240).

LEGEA FAZELORCONSTITUENII STRUCTURALI A-I DIAGRAMEI Fe-Fe3cCementita este un compus chimic metastabil care conine 6,67%C. Prezint o reea cristalin complex, densitate foarte ridicat, duritate mare (HV=800) i este foarte fragil. Metalografic, cementita se prezint n diferite forme:- cementita primar sub form de ace n fontele albe hipereutectice;- cementita secundar sub form de reea n oeluri hipereutectoide;- cementita eutectoid sub form de lamele fine de perlit;- cementita teriar sub form de pene la limita cristalelor de ferit.Forma structural n care apare cementita n aliajele Fe-C influeneaz accentuat proprietile acestora. Prezena cementitei libere (primar, secundar) face ca materialul sa devin dur i fragil.Ledeburita cristalizeaz direct din lichid la o concentraie de 4,33%C avnd o structur globular i este un amestec mecanic de austenit de concentraia punctului E i cementit la formare iar la temperatura ambiant fiind format din perlit i cementit. Aliajele care au un coninut foarte ridicat de ledeburit (fontele albe) vor fi foarte dure i fragile fiind, n general, inutilizabile n construcia de maini. Ledeburita este feromagnetic.

INFLUENA CONINUTULUI DE CARBON ASUPRA STRUCTURII ALIAJELOR Fe-CFig. 5.3

5.2 OELURIOelurile sunt aliaje Fe-C deformabile, putnd dizolva pn la 2,11% C (limita soluiei solide saturate ) valoare care reprezint limita oelurilor i fontelor aliaje de turntorie. Clasificarea oelurilor i fontelor dup compoziie i structur, n funcie de punctele de eutectoid i eutectic ale diagramei Fe-c se prezint n figura 5.4 Fig. 5.4

VARIAIA PROPRIETILOR MECANICE ALE OELURILOR N FUNCIE DE CONINUTUL DE CPe msur ce crete coninutul de carbon din aliaj crete ponderea perlitei, aceasta fiind un constituent mai dur i mai rezistent dect ferita, crescnd totodat i proprietile de rezisten dar scznd proprietile de rezilien i plasticitate (Fig. 5.5). Dup limita de eutectoid (0,77%C), pe lng perlit apare n structur cementita secundar, la rndul ei un constituent dur i fragil care acioneaz tot n direcia creterii duritii. Diagrama prezint o mare importan n alegerea aliajelor Fe-C pentru diferite destinaii.Fig. 5.5

CLASIFICAREA I SIMBOLIZAREA OELURILOR CARBONUn prim criteriu de clasificare este cel cu privire la existenta unei transformri eutectoide in diagrama de echilibru, la coninuturi mai mici de 2 %C.Din acest punct de vedere otelurile vor fi hipoeutectoide cele cuprinse intre 0,0218 -0,77 % C, oteluri eutectoide cele cu 0,77 % C si hipereutectoide cele cu mai mult de 0,77 % C. Oelurile se mai pot clasifica si dup utilizare, dup cum urmeaz:a) oelurile hipoeutectoide sunt oeluri pentru construcii metalice sau construcii mecanice(piese in construcia de maini). Prezenta unei cantiti mari de ferit asigura tenacitate mare, rezistenta fiind asigurata de perlita. Otelurile pentru construcii sunt elaborate in cuptoare Martin-Bessemer sau in convertizoare cu insuflare de oxigen si se mpart in diverse nuane de duritate dup cum urmeaz:- oeluri moi (0,02....0,2 %C) utilizate pentru obinerea de semifabricate (table, srme trefilate etc.) pentru construcii sudate sau piese stanate. n aceasta categorie sunt incluse si otelurile pentru cementare (0,15 .... 0,25 %C) utilizate pentru construcia de piese danturate supuse imbogatirii cu C a straturilor si durificarea acestora;- oeluri semimoi (0,2...0,4 % C)se folosesc pentru obtinerea de profile mai rezistente, iar spre limita superioara de carbon in constructia de piese tratabile termic direct (se pot cali). telurile cu mai mult de 0,3 %C se numesc de imbunatatire, dupa tipul tratamentului termic aplicat;- oeluri semidure (0,4...0,6 % C ) sunt oteluri de imbunatatire, folosindu-se la constructia de profile grele netratabile;- oeluri dure ( 0,6...0,8 % C) utilizate in constructia pieselor tratabile termic.

CLASIFICAREA I SIMBOLIZAREA OELURILOR CARBONb) otelurile hipereutectoide caracterizate printr-o oarecare fragilitate sunt destinate fabricarii de scule si prezint dou nuane de duritate:- oteluri foarte dure ( 0,8 % C )- oteluri extradure (> 0,8 % C, dar nu mai mult de 1,3 % C ).Pe de alta parte otelurile nealiate pot fi clasificate in oteluri nealiate de uz general, prelucrabile prin deformare plastica la cald, rareori tratate termic, oteluri nealiate de calitate, utilizate pentru tratamente termice de cementare sau mbuntire, funcie de coninutul n carbon, oeluri pentru automate cu coninut ridicat in S si P, destinate prelucrrii prin achiere, oeluri pentru deformare plastic la rece cu coninut sczut n carbon i Si i oelurile nealiate turnate n piese, cu coninut in carbon 0,1...0,6%.Simbolizarea otelurilor nealiate se face innd cont de coninutul in carbon i de utilizare astfel :1. OL XX oeluri de uz general, XX reprezentnd rezistena minim la traciune in daN/mm2 (OL37), dar fr s se impun un anumit coninut n carbon;2. OLC XX oeluri de calitate crora li se asigur coninutul n C exprimat n sutimi de procente de cele doua cifre XX, dar nu li se impun proprieti la livrare (OLC 45);3. OSC XX oeluri pentru scule, cele doua cifre reprezentnd coninutul n zecimi de carbon (OSC 12 ).4. OT XX oeluri turnate, grupul de cifre de la 400...700 indicnd rezistenta minima la rupere

CLASIFICAREA I SIMBOLIZAREA OELURILOR CARBON

SIMBOLIZAREA OELURILOR ALIATEOelurile aliate conin pe lng fier i carbon i alte elemente introduse n mod intenionat n vederea mbuntirii proprietilor mecanice i tehnologice.Procentul de elemente de aliere variaz n funcie de caracteristicile care trebuie realizate. Principalele elemente de aliere ale oelurilor sunt: Cr, Mn, Ni, Mo, V, Si, Ti etc.n funcie de cantitatea total de elemente de aliere (EA - exprimat procentual) oelurile aliate se clasific n: - oeluri slab aliate cu EA < 5%- oeluri mediu aliate cu 5%

5.3 FONTEPentru studiul fontelor cu utilizare larg n industria constructoare se utilizeaz diagrama fier-carbon stabil sau diagrama fier-grafit. Grafitul apare datorit rcirii lente a topiturii i a prezenei elementelor grafitizante n topitur (Si, Al, Cu etc.) dar i a unui coninut mai ridicat de carbon. Diagrama Fe-grafit se traseaz cu linii discontinue i se utilizeaz la studiul fontelor cenuii. Fazele care apar n diagram sunt: soluia lichid (L), ferita (), austenita () i grafitul (carbonul liber).Fontele pot fi:- Fonte albe Fonte cenuii perlitice Fonte cenuii ferito-perlitice Fonte cenuii feritice Fonte pestrie Fig. 5.6

FONTE CENUII. FONTE CU GRAFIT NODULAR. FONTE MALEABILE.Fontele cenuii, simbolizate Fc urmate de un grup de cifre care reprezint rezistena la rupere n N/mm2 (Fc200-font cenuie cu Rm=200 N/mm2 ) au urmtoarele proprieti:Capacitate mare de amortizare a vibraiilor;Prelucrabilitate foarte bun prin achiere;Rezisten la coroziune;Durificare prin tratament termic (fontele cenuii perlitice).Fontele cu grafit nodular, simbolizate Fgn urmate de un grup de cifre reprezentnd Rm pot fi: Fgn perlitice, Fgn perlito-feritice i Fgn feritice. Fontele cu grafit nodular prezint proprieti de rezisten i tenacitate deosebite. Fontele cu grafit nodular perlitice pot fi clite i revenite obinndu-se proprieti asemntoare celor ale oelurilor.Fontele maleabile, simbolizate Fma cele albe i Fmn cele negre, urmate de grupul de cifre care reprezint Rm . Pentru maleabilizare (nmuiere) fontelor albe hipoeutectice li se aplic un tratament termic de maleabilizare n urma cruia cementita se descompune n ferit sau perlit i grafit, grafitul prezentndu-se n cuiburi, mai mult sau mai puin rotunjite. Tratamentul de maleabilizare se poate aplica n mediu oxidant sau neutru.Fonta este materialul de turnare cel mai ieftin, proporia acestuia la piesele turnate din construcia de maini fiind de circa 70% din greutatea mainilor. Au proprietatea de a amortiza vibraiile n cazul sarcinilor alternante sau oscilante., proprietate numit tenacitate ciclic

STRUCTURI DE FONTEPrincipalele structuri de fonte sunt: perlito-cementitic (fig. 5. 7a) caracteristic fontei albe; perlito-cementitic-grafitic (fig. 5.7b) caracteristic fontelor pestrie; perlito-grafitic (fig. 5.7c) sau perlitic, caracterisitc fontelor cenuii; perlito-feritic-grafitic (fig. 5.7d) caracterisitic fontelor cenuii parial grafitizate; feritic-grafitic (fig. 5.7e) caracteristic fontelor cenuii total grafitizate; feritic-grafitic (fig. 5.7f) cu grafit de recoacere sub form de cuiburi, caracteristic fontei maleabile negre; perlitic-feritic-grafitic (fig. 5.7g) cu grafit de recoacere n form de cuiburi, caracteristic fontei maleabile albe; perlito-grafitic (fig. 5.7h) cu grafit nodular, caracteristic fontei modificate prin tratarea fontei cenuii cu modificatori ce mresc numrul centrelor de grafitizare ale carbonului.Fig. 5.7