Cristalizarea primara. Fierul si aliajele fier-carbon

1 Fierul pur Fierulesteun metal tranzitional de culoare alb-argintie. Numarul de ordine in tabelul periodic al elementeloresteZ= 26. Raza atomica este 1,27, iar masa atomica 55,85g/atom g. Fierul are densitatea 7,87g/cm3si punctul de topire la 1538C. Fierul prezinta doua puncte de transformare alotropica: la temperatura 912C notat A3, si la 1394C, notat A4, respectivunpunct de transformare magnetica (punct Curie) la 770C, notat A2. Intr-un interval de Intrtemperaturaestestabila forma alotropica cu energia libera Gibbs minima (fig. 1). La temperaturi sub 912C,estestabil Fe, cu energie libera mai mica, care cristalizeaza in structura cubica cu volum centrat (CVC). Sub 770 C, Feesteferomagnetic, peste 770C devine paramagnetic. Intre 912C si 1394C,estestabil Fe, care cristalizeaza in structura cubica cu fete centrate (CFC) si

este paramagnetic. Peste 1394C, energia libera minima corespunde Fe detemperatura inalta, notat Fe, care cristalizeaza in structura CVC siesteparamagnetic. Identitatea Fe de temperatura joasa cu Fe de la temperatura ridicataesterelevata de continuitatea in variatia cu temperatura a constantei reticulare a retelei cristaline pentru Fe si Fe (fig. 2).Transformarile care au loc la racirea sau incalzirea fierului pur, se pun in evidenta pe curbele de racire si incalzire, trasate prin metoda analizei termice (fig. 3). Sunt evidentiate trei paliere: la 1538C pentru cristalizare primara sau topire; 1394C transformarea alotropica Fe Fe; 912C transformarea alotropica Fe Fe. La 770C, apareunpunct de intoarcere corespunzator transformarii magnetice a Fe.Transformarea alotropica prezintahisterezis termic.Pe curba de racire apareungrad de subracire ca la cristalizarea primara, iar pe curba de incalzire, un grad de supraincalzire. Punctele de transformare alotropica la incalzire sunt notate Ac, iar cele determinate la racire sunt notate Ar. Diferenta Ac-Ar creste cu viteza de racire, respectiv viteza de incalzire.Fierul tehnic pur prezinta o serie de impuritati.Continutul de fier variaza de la 99,8la 99,9%. Gradul de puritate variaza in functie de metoda de obtinere (tabelul 1) Se cunosc urmatoarelevarietati de fier tehnic pur:-Fe Armco(abreviere de la denumirea producatorului initial American Rolling Mill Company).Se elaboreaza in general in cuptor Martin si contine C, Mn si Si in concentratii reduse.Este folosit in electrotehnica ca material cu permeabilitate magnetica mare (miezuri magnetice) si ca materie prima pentru elaborarea otelurilor speciale.Are structura alcatuita din graunti poligonali de ferita si separaridiscontinuede cementita tertiara la limita de graunte (fig. 4);-Fe carbonilareungrad de puritate mai avansat. Se obtine sub forma de pulbere prin descompunerea pentacarbonilului de fierFe(CO)5si se foloseste in metalurgia pulberilor;-Fe electroliticare o puritate mai inalta. Contine hidrogen in cantitati relativmarisi trebuie degazat prin retopire in vid.-Fe purificat prin topire zonarapermite reducerea impuritatilor la cateva procente per milion (ppm).Se foloseste pentru cercetari stiintifice.Tabel 1Compozitia chimica a varietatilor de Fe tehnic purDenumireContinut de impuritati [%]

CSiMnPSO

Fe Armco0,0150,010,020,010,020,15

Fe carbonil0,010Urme-Urme0,0040,5

Fe electrolitic0,0080,0070,0020,0060,003-

Fe retopit in vid0,0010,003-0,00050,00260,0004

Fe purificat prin topire zonaraSuma impuritatilor de ordinul ppm (0,0001%)

Proprietatile mecaniceale fierului tehnic pur sunt determinate de structura cristalina, gradul de puritate si procesul de deformare plastica.Monocristalele de Fe sunt puternic anizotrope.Astfel, modulul de elasticitate longitudinala E variaza dupa directia de masurare conform tabelului 2.Se observa ca, la temperatura ambianta, valoarea maxima apare dupa directia [111] de densitate atomica maxima a structurii CVC.Fierul policristalinestecvasiizotrop.Deformabilitatea plastica la receesteridicata, fiind determinata de structura CVC a Fe. Deformabilitatea la caldestesuperioara, datorandu-se structurii CFC a Fe.Valorile caracteristicilor mecanice prezinta o anumita dispersie, in functie de gradul de puritate.La temperatura ambianta, proprietatile mecanice ale Fe tehnic pur recopt variaza astfel:-rezistentala tractiune, Rm = 180-290 N/mm2;-limitade curgere, Rp0,2= 100-170 N/mm2;-alungireala rupere, A = 40-50%-strictiunea, Z = 80-93%-duritatea, HB = 45-55 daN/mm2-modululde elasticitate, E = 210 GPaProprietatile fizico-chimiceale fierului tehnic pur:1.proprietatilemagnetice.Fierulesteun material magnetic moale, cu permeabilitate magnetica ridicata si pierderi reduse la un ciclu de magnetizare.Proprietatile magnetice cresc prin micsorarea obstacolelor in miscarea domeniilor magnetice.De aceea, pierderile launciclu de magnetizare scad prin cresterea puritatii, a marimii de graunte si in absenta ecruisarii.2.proprietatiletermice:-calduraspecifica Cpdepinde putin de impuritati.Creste cu temperatura, cu variatii bruste in punctele de transformare alotropica si maxim la punctul Curie A2.In intervalul 20-700C, Fe are Cp= 0,107 - 0,23cal/g C, iar in intervalul 730-1500C, Fe are Cp= 0,122-0,171 cal/g C.-coeficientulde dilatare termica, variaza cu temperatura si forma alotropica, avand un minim la A2. Valorile perntru Fe se obtin prin extrapolarea la temperaturi ridicate a valorilor Fe. In intervalul 20-100-600C, Fe are = (10 la 12,6la 16)10-6C-1; Fe are, in intervalul 900-1000C, = (21-23,5)10-6C-1; la 1400C, Fe are = 1610-6C-1.-conductivitateatermicascade cu temperatura; in intervalul 0-800C, Fe are = 0,74-0,20 W/cmC. Valorile conductivitatii termice sunt mai reduse decat ale cuprului, ceeacescade interesul in industrie pentru aceasta proprietate.3.proprietatielectrice.Rezistivitatea electrica a fierului pur creste cu temperatura si cantitatea de impuritati.Efectul impuritatilor creste cudistantaacestora fata de Fe in tabelul periodic. In intervalul 0-900C, Fe are = 9,811410-3cm.4.proprietatichimice.Fierul areunpotential anodic fata de electrodul de hidrogen (+0,42V). Este mai putin nobil decat cuprul, care are potential catodic(-0,34V) fata de electrodul de hidrogen, dar mai nobil decat zincul, care are potential anodic mai mare (+0,76V). Fierulesteatacat de apa si acizi.Rezistenta la coroziune creste cu marirea puritatii.Intr-un mediu puternic oxidant, Fe poate fi pasivat.In acidul azotic concentrat, Fe se pasiveaza prin formarea unei pelicule protectoare de oxid.Prin aliere cu anumite elemente, cumestecromul, apare o pasivare durabila si in medii slab oxidante.Pe aceasta proprietate se bazeaza aplicatiile otelurilor inoxidabile. 2 Aliaje fier carbonCele mai folosite aliaje in constructia de masini sunt aliajele fierului cu carbonul, cunoscute sub numele deotelurisi fonte.Aliajele tehnice sunt polinare, continand pe langa Fe si C o serie de elemente insotitoare permanente in proportii reduse, asa cum sunt: Si, Mn, S, P, etc. Actiunea lorestelimitata si cunoscuta, asa ca structura si proprietatile aliajelor Fe-C pot fi evaluate pe baza sistemului binar Fe-C.In aliajele cu baza Fe, carbonul se poate gasi sub trei forme:-dizolvat interstitial in Fe, alcatuind solutii solide ca ferita si austenita;-legat chimic in carbura de fier Fe3C, numita cementita;-liber, sub forma de grafit.Cementitaesteconsiderata o stare metastabila, iar grafitul starea stabila a carbonului, deoarece la mentinerea indelungata la temperaturi ridicate si la viteze mici de racire, cementita se descompune formand grafit:Fe3C3Fe + CDe aceea, in functie de compozitia chimica si viteza de racire, aliajele Fe-C prezinta doua diagrame de echilibru fazic:-sistemulmetastabil Fe - Fe3C, dupa care cristalizeaza otelurile si fontele albe. Cristalizarea otelurilor are loc in conditii de echilibru, la viteze lente de racire. Pentru mentinerea stabilitatii cementitei in fontele albe, sunt necesare vitezemaride racire sau prezenta in compozitia chimica a elementelor antigrafitizante.-sistemulstabil Fe - grafit, dupa care cristalizeaza fontele cenusii feritice, la viteze mici de racire sau in prezenta elementelor grafitizante.Fontele cenusii ferito-perlitice, perlitice sau pestrite cristalizeaza dupa ambele diagrame de echilibru fazic.2.1 Diagrama de echilibru metastabil fier cementitaSistemul metastabil Fe-Fe3C (fig. 5) reprezinta domeniul hipocementitic al diagramei de echilibru Fe-C, limitat de concentratia 6,67%C, care corespunde verticalei cementitei, Fe3C. Aliajele care se formeaza la concentratii maimariin carbon, sunt dure si fragile, fara interes practic. Transformarile alotropice ale Fe determina o diagrama de echilibru fazic complexa, cu trei reactii invariante: peritectica, eutectica si eutectoida.Componentiidiagramei sunt fierul si cementita.In concordanta cu cele prezentate anterior, pe verticala fierului se evidentiaza punctul de topireA(1538C), punctele de transformare alotropica N (1394C) si G (912C), respectiv punctul Curie M (770C).Cementitaesteun compus electrochimic, cu o structura cristalina complexa din sistemul ortorombic. Temperaturasade topire nu se cunoaste cu exactitate, deoarece la incalzire, cementita are tendinta sa se descompuna.Temperatura de topire a cementitei se considera in jur de 1227C (punct D).Pana la 210C, punctul Curie A0,esteferomagnetica, iar peste aceasta temperatura devine paramagnetica. Datorita structurii sale complexe, cementitaestefoarte dura si fragila: HB=800daN/mm2; Rm=40N/mm2; A=0%.Componentii sunt total solubili in stare lichida. In stare solida, carbonul prezinta solubilitate limitata si variabila cu temperatura in formele alotropice ale fierului.Fazelecare se formeaza sunt:-solutia lichida L, omogena si nelimitata de fier si carbon;--feritaalfa,notata F sau , este solutie solida interstitiala de carbon pe baza de Fe. Ferita cristalizeaza in structura CVC a Fe si pana la 770C (linia MO)esteferomagnetica. Carbonul ocupa pozitii in interstitiile tetraedrice, lacune, dislocatii etc. Solubilitatea carbonului in ferita este maxima de 0,0218%C la 727C (punctul P) si scade cu temperatura dupa curba PQ, astfel incat la temperatura de 400C ajunge la 0,002%C (punctul Q). Caracteristicile mecanice ale feritei cu 0,06%C sunt: Rm=250-280N/mm2; A=50%; Z=80%; HB=80-90daN/mm2.-austenita, notata A sau ,este o solutie solida interstitiala de carbon in Fe. Cristalizeaza in structura CFC a Fe siesteparamagnetica.Carbonul ocupa pozitii in interstitiile octaedrice si in defectele structurale.Solubilitatea carbonului in austenita este maxima de 2,11% la 1148C (punctul E) si scade cu temperatura dupa curba ES, pana la 0,77%C la 727C (punctul S). Solubitatea carbonuluiestemai mare decat in Fe, deoarece interstitiile in structura CFC sunt mai mari. In conditii de echilibru,

austenitaeste o faza stabila pana la 727C, cand se descompune eutectoid.Elemente de aliere, ca Ni si Mn, o pot stabiliza pana la temperatura ambianta.Austenitaesteo faza foarte plastica.-ferita, notata F sau , este o solutie solida interstitiala de carbon in Fe. Cristalizeaza in structura CVC siesteparamagnetica. Solubilitatea maxima a carbonului este de 0,09%C la 1495C, mai mare decat in Fe, deoarece dilatatia termica la temperaturi inalte mareste dimensiunea interstitiilor tetraedrice.-cementitaFe3C,component pur, fierul fiind insolubil in cementita.Liniile diagrameiau urmatoarea semnificatie fizica:- AB (lichidus) limita de solubilitate a Fe in lichid; la care incepe cristalizarea feritei din lichid;- BC (lichidus) - limita de solubilitate a Fe in lichid; la care incepe cristalizarea din lichidaaustenitei;- CD (lichidus) - limita de solubilitate a C in L; la care incepe cristalizarea cementitei primare Fe3CIdin lichid;- SE (vant Hoff) - limita de solubilitate a C in A; la care incepe separarea cementitei secundare Fe3CIIdin austenita;- PQ (vant Hoff) - limita de solubilitate a C in F; la care incepe separarea cementitei tertiare Fe3CIIIdin ferita ;- NH, NJ linii de inceput si de sfarsit de transformare alotropica FeFe, respectiv de transformare fazica FA;- GS, GP linii de inceput si de sfarsit de transformare alotropica FeFe, respectiv de transformare fazicaA F;- HJB izoterma peritectica la 1495C, cu reactia peritectica:FH+ LB AJ- ECF izoterma eutectica la 1148C, cu reactia eutectica:LC E (AE+Fe3CEF)undeE este simbolul eutecticului, iar Fe3CEeste cementita eutectica;- PSK izoterma eutectoida la 727C, cu reactia eutectoida:AS P (FP+ Fe3CeK),undeP este simbolul eutectoidului perlita, iar Fe3Ceal cementitei eutectoide; o consecinta a reactiei eutectoide este recristalizarea eutecticului E in ledeburita Led:E (A +Fe3C) Led (P + Fe3C)- MO izoterma transformarii magnetice a feritei.Puncteleremarcabile din diagrama sunt: P limita de solubilitate a C in F; E limita de solubilitate a C in A; H limita de solubilitate a C in F; J punct peritectic; C punct eutectic; S punct eutectoid;Constituentii structurali,care se formeaza la temperatura ambianta, sunt:-ferita - solutie solida interstitiala de carbon in Fe;-perlita - amestec mecanic eutectoid alcatuit din ferita si cementita;-ledeburita amestec mecanic eutectic alcatuit din perlita si cementita;-cementitaprimara, secundara si tertiara - compus electrochimic.Dupa provenienta, se pot distinge cinci tipuri de cementita:-primara Fe3CIseparata din lichid, dupa curba CD;-secundara Fe3CIIseparata din austenita, dupa curba ES;-tertiara Fe3CIIIseparata din ferita, dupa curba PQ;-eutectica Fe3CEseparata in reactia eutectica-eutectoida Fe3Ceseparata in reactia eutectoida;Notatiile punctelor din diagrama cu literele alfabetului permit indicarea liniilor de transformare fazica si magnetica, cat si compozitia fazelor in timpul reactiilor invariante. Datele numerice, referitoare la temperatura si continutul de carbon, variaza dupa diferiti autori, fiind influentate de puritatea aliajelor si metoda de determinare. In tabelul 3 se prezinta valorile care vor fi utilizate in lucrare, indicate in Metals Handbook ASM vol 8 / 1973 si STAS 2500-80.Tabelul 3Coordonatele punctelor din diagrama Fe-Fe3CPunctulTemperatura [C]Continut de C [%]PunctulTemperatura [C]Continut de C [%]

ASMSTASASMSTASASMSTASASMSTAS

A1538153800J149514950,160,17

B149514950,50,53K7277276,676,67

C114811484,34,3L4004006,676,67

D--6,676,67M, O770770--

E114811482,112,11N1394139400

F114811486,676,67P7277270,02180,0218

G91291200Q4004000,0020,002

H149514950,100,09S7277270,770,77