tema nr 4 - studiul aliajelor din sistemul fe-c

Tema nr. 4 Studiul aliajelor din sistemul Fe - Fe3C

Cele mai importante aliaje tehnice, din punct de vedere al cantităţi produse, al varietăţii de utilizări şi al comportării în serviciu, sunt aliajele fierului cu carbonul (fontele şi mai ales oţelurile).

Fontele şi oţelurile sunt considerate aliaje Fe-C, deşi procesele tehnologice utilizate industrial pentru obţinerea lor introduc în compoziţie numeroase elemente chimice ca: S, P, Mn, Si, O2, N2, H2. Dintre acestea unele sunt impurităţi (conţinutul lor fiind limitat): S, P, O2, N2, H2, iar altele sunt introduse special în compoziţia chimică a oţelului (Si, Mn) şi poartă numele de elemente însoţitoare.

Cu toate acestea, influenţa acestor elemente (în afară de cazul oţelurilor şi fontelor aliate) este constantă şi relativ mică, asupra structurii şi constituţiei de echilibru a aliajelor Fe-C. Din acest motiv diagrama de echilibru binară Fe-C este utilizată pentru interpretarea constituţiei, structurii şi proprietăţilor oţelurilor şi fontelor nealiate şi totodată ca bază pentru interpretarea transformărilor structurale şi a comportării la operaţiile de tratament termic.

Carbonul ca elemnt de aliere poate apare, în sistemul Fe-C, în următoarele faze:- soluţii solide rezultate prin dizolvarea atomilor de carbon în interstiţiile reţelei cristaline

a fierului;- carbon liber sub formă de grafit;- compuşi definiţi (carburi).Carbonul liber, sub formă de grafit, apare în anumite condiţii în aliajele industriale ale

fierului relativ bogate în carbon (fonte) şi se găseşte în echilibru termodinamic stabil cu soluţiile solide ale carbonului în fier. Grafitul este o formă alotropică a corbonului, cu reţea cristalină hexagonală simplă şi punct de sublimare la 3450C, are proprietăţi lubrifiante bune şi caracteristici mecanice foarte scăzute (excepţie făcând grafitul pirolitic şi fibrele de carbon utilizate în materiale compozite; pentru fibrele de carbon rezistenţa la rupere este de 310 daN/mm2).

Dintre carburile de fier, singura care se poate găsi într-un echilibru termodinamic metastabil cu soluţiile solide ale carbonului în fier, este cementita - Fe3C. Ea are o reţea cristalină complexă, aparţinând sistemului ortorombic, cu celula elementară conţinând 12 atomi de fier şi 4 de carbon. Se caracterizează prin duritate foarte ridicată (800HV) şi caracteristici mecanice foarte scăzute (Rm 3,5 daN/mm2, As 0%). Cementita are punctul Curie la 215C (punctul critic A0), iar temperatura de topire de aproximativ 1250C. În prezenţa Si la viteze de răcire foarte mici (sau menţineri timp îndelungat la temperaturi ridicate) cementita din aliajele Fe-C, în special cele cu conţinuturi ridicate de carbon, se descompune în soluţie solidă de carbon în fierul stabil la acea temperatură şi grafit.

Având în vedere cele expuse mai sus, se justifică studiul sistemului în două variante:a) sistemul metastabil, în care componenţii sunt Fe şi Fe3C;b) sistemul stabil, în care componenţii sunt Fe şi C.

În figura 4.1 a, este prezentată diagrama de echilibru Fe-Fe3C. Notarea

punctelor prin litere este unanim acceptată în literatura de specialitate, în tabelul

4.1 prezentându-se coordonatele acestor puncte.

1

4.1. Fazele sistemului

Fazele sistemului Fe - Fe3C sunt:

- FERITA : Fe(C) - soluţie solidă interstiţială de carbon în Fe. Fierul

dizolvă maxim 0,02%C la temperatura de 727C, solubilitate care scade cu

temperatura după linia PQ. (max. 0,0002 la temperatura ambiantă). Ca urmare,

această soluţie solidă este foarte apropiată de fier, proprietăţile fiind asemănătoare

(v. tabelul 4.2), iar aspectul la microscop fiind de grăunţi, aproximativ echiaxiali,

de culoare deschisă alb-gălbui cu nuanţe diferite (v. fig. 4.2 a).Tabelul 4.1.

Coordonatele punctelor diagramei de echilibru Fe - Fe3C

Punct TemperaturaC

Conţinut de C%

A 1535 0B 1495 0,54C 1148 4,30D 1250 6,67E 1148 2,11F 1148 6,67G 910 0H 1495 0,16K 727 6,67M 770 -N 1390 0O 770 -P 727 0,02Q 20 0,0002S 727 0,77

Faţă de proprietăţile fierului pur, proprietăţile feritei variază în funcţie de

prezenţa carbonului, a impurităţilor, a elementelor însoţitoare (unele dintre ele

fiind dizolvate în ferită, ca Mn, Si, P) şi de mărimea grăunţilor.

Din punct de vedere magnetic, ferita este feromagnetică până la temperatura

de 770C (linia MO, punctul critic A2 sau punctul Curie).

La temperatură ridicată, soluţia solidă de carbon în Fe() denumită FERITĂ

, poate dizolva maxim 0,1%C la temperatura de 1495C, solubilitatea fiind

variabilă cu temperatura după linia HN.

2

-AUSTENITA : Fe(C) - soluţie solidă interstiţială de C în Fe. Fierul

dizolvă maxim 2,11%C la temperatura de 1148C, solubilitate care scade cu

temperatura după linia ES (0,77%C la

temperatura de 727C). Austenita este faza cea mai plastică a sistemului Fe-C,

lucru exploatat în practică la deformarea plastică a oţelurilor (corelat şi cu scăderea

limitei de curgere cu creşterea temperaturii).

Din punct de vedere magenetic austenita este paramagnetică. Are greutatea

specifică cea mai mare dintre fazele şi constituenţii de echilibru ai aliajelor Fe-C.

Fe3C - CEMENTITA - compus chimic, respectiv o carbură de fier,

conţinând 6,67%C, limita maximă a sistemului Fe-C studiat, deoarece aliajele cu

concentraţii în carbon mai mari sunt în mod practic, greu de obţinut şi puţin

utilizate.

La microscop, cementita apare de culoare alb strălucitoare în cazul atacului

obişnuit cu Nital sau de culoare brun roşcată în cazul atacului cu picrat de sodiu în

soluţie alcalină la cald. Prin acest din urmă atac, cementita poate fi deosebită de

ferită (care rămâne tot de culoare albă).

În ceea ce priveşte forma sub care apare, se disting următoarele categorii de

cementită:

- cementită primară, sub formă aciculară (cristale primare separate din lichid

după linia DC, v. fig. 4.2 h);

- cementită secundară, sub formă de reţea (v. fig. 4.2 d), separată din

austenită după linia ES (şi cementită terţiară separată din ferită după linia PQ, dar

care este în cantitate foarte mică şi care de obicei se neglijează);

- cementită sub formă de câmp, în constituentul ledeburită (v. fig. 4.2 e);

- cementită sub formă lamelară, în constituentul perlită (v. fig. 4.2 f).

În anumite condiţii de prelucrare tehnologică (deformare plastică, tratament

termic) cementita lamelară şi cea sub formă de reţea poate fi transformată într-o

cementită cu aspect globular (v. fig. 4.2 g).

3

a. b.

c. d.

e. f.

g. hFig. 4.2

5

Fig. 4.3 Transformarea peritectică

4.2 Transformări invariante în sistemul Fe-Fe3C

Aşa cum s-a arătat, liniile diagramelor de echilibru reprezintă linii de

transformare fazică, cele orizontale fiind liniile corespunzătoare unor transformări

invariante (V0).

a) Transformarea peritectică :

H Br

JL acire

Reacţia peritectică decurge astfel, figura 4.3. b : cristale de se formează pe suprafaţa de separaţie dintre şi L; germenle de se dizolvă datorită difuziei carbonului dinspre L spre prin . De aici vine şi numele reacţiei: de perete sau peritectică.

Procentul fazelor care participă la reacţie (pentru aliajele care intersectează orizontala HJB) se determină aplicând legea fazelor la temperatura 1495t. Este evident că pentru t0,

6

H'H şi B'B, rezultând de exemplu, procentul de ferită separată înaintea transformării peritectice, figura 4.3 c :

% ,, ,

,73 ,27

mm

BXBH

x x100 100 0 540 54 0 10

100 122 227 ,

unde x(0,10; 0,54) este concentraţia aliajului considerat.Pentru x 0,10 % 100%, iar pentru x 0,54 % 0 %, rezultând că aceste

aliaje nu suferă transformarea peritectică (în general orizontalele, reprezentând transformările invariante, sunt segmente deschise).

Reacţia peritectică durează atâta timp cât există ambele faze participante la reacţie. Pentru a stabili procentul fazelor rezultate în urma reacţiei peritectice se aplică regula pârghiei la temperatura 1495-t , figura 4.3 d şi e. Rezultă că pentru x (0,16; 0,54) se consumă ferita (lichid în exces), iar pentru x (0,10; 0,16) se consumă lichidul (ferită în exces).

b) Transformarea EUTECTICĂ:

L Fe CCracire

E 3 (amestec mecanic denumit ledeburită)

c) Transformare EUTECTOIDĂ:

Sracire

P Fe C 3 (amestec mecanic denumit perlită )

Observaţie

Ledeburita în care austenita a suferit transformarea eutectoidă poartă

numele de ledeburită transformată şi aspectul ei la microscop este prezentat în

figura 4.2 e, remarcându-se aspectul globular al amestecului mecanic rezultat în

urma reacţiei eutectice. Este important de remarcat în această figură că, datorită

temperaturii sale înalte de formare din topitură, ledeburita are o microstructură

grobă şi cu puternică tendinţă de disociere a fazelor eutecticului.

Perlita, amestecul mecanic de ferită şi cementită rezultat în urma reacţiei

eutectoide, are în mod obişnuit un aspect lamelar (v. fig. 4.2 f ), iar în cazul

examinării cu putere de mărire mai mică, la microscop, apare de culoare închisă

(nu se distinge spectul lamelar v. fig. 4.2 b,c,d).

7

4.3 Structura la temperatura ambiantă şi clasificarea aliajelor

din sistemul Fe-Fe3C

Aşa după cum este cunoscut, structura la temperatura ambiantă se poate

cunoaşte prin analiza transformărilor la răcire şi trasarea curbei respective de

răcire. De exemplu se consideră aliajul cu 3 %C, care inersectează liniile diagramei

în punctele de coordonate t1, t2 şi t3. Transformările la răcire şi structurile

corespunzătoare sunt prezentate schematic în figura 4.1 d, rezultând la temperatura

ambiantă o structură având constituenţii: perlită, cementită secundară şi ledeburită

transformată, iar faze: ferită şi cementită. În mod similar se poate stabili structura

la temperatura ambiantă pentru toate aliajele aparţinând sistemului Fe-Fe3C

clasificate astfel:

a) Fierul tehnic cuprinde toate aliajele cu conţinutul de carbon mai mic de

0,02%, care nu suferă la răcire nici transformarea eutectică, nici transformarea

eutectoidă. Structura la temperatura ambiantă va fi feritică. La aliajele cu

conţinuturi de carbon între 0,0002% şi 0,02% cementita teţiară se separă la limita

grăunţilor de ferită.Primele obiecte din fier au fost produse din fier meteoritic, prelucrat prin forjare. Având

rezistenţă şi duritate mai mare decât bronzul, interesul pentru producerea fierului a crescut destul de repede, cunoscute fiind lamele de cuţit şi săbii executate pe timpul împăratului roman Diocleţian în oraşul Damasc, din aceaşi perioadă datând celebra coloană Kutub din Delhi, cu înălţimea de 7,5 m şi diametrul de 0,4 m, care s-a păstrat aproape intactă până în zilele noastre.

Din antichitate şi până în epoca renaşterii, fierul s-a obţinut prin reducerea directă a minereurilor de fier în cuptoare verticale scunde. În aceste cuptoare minereul se introducea în amestec cu un combustibil solid (mangal), aerul necesar arderii fiind aspirat prin tiraj natural. Din cauza temperaturii scăzute (maxim 1200C) fierul obţinut se afla în stare solidă, şi datorită aspectului său poros era denumit burete de fier. Înlocuind tirajul natural prin suflarea aerului cu ajutorul foalelor, temperatura în cuptor a crescut, ceea ce a permis bucăţilor de fier să se sudeze între ele, obţinându-se granule de fier şi zgură, numite lupe. Prin forjare zgura era eliminată din buretele de fier sau lupe.

În tabelul 4.1 se prezintă pricipalele verietăţi tehnice de fier.Fierul pudlat este un amestec intim de fier relativ pur şi zgură, obţinut prin operaţii de

afinare a fontei cu ajutorul oxigenului din gazele de ardere, rezultatul fiind lupe care apoi sunt prelucrate în blocuri prin forjere. În prezent nu mai prezintă decât un interes istoric.

Fierul Armco (American Rolling Mill Company) se utilizează în electrotehnică ca material cu permeabilitate magnetică mare şi pentru elaborarea unor oţeluri speciale.

Fierul carbonil obţinut în stare pulverulentă prin descompunerea termică a pentacarbonilului de fier-Fe(CO)5, fiind utilizat în metalurgia pulberilor; sinterizarea pieselor în

8

atmosferă de hidrogen sau în vid, operaţii care contribuie la micşorarea în continuare a conţinutului de carbon, sulf, oxigen, azot din particulele de fier.

Fierul electrolitic se obţine în cantităţi mici pentru utilizări în electrotehnică.Fierul purificat prin retopire zonară este destinat numai pentru cercetări ştiinţifice, nefiind

utilizat tehnic.

Tabelul 4.1Varietăţi tehnice de fier

Denumire Compoziţie chimică, %C şi Mn P S O2

Fier pudlat 0,02 0,15 0,03 0,12 0,02 zgură3,00

Fier Armco 0,015 0,01 0,02 0,01 0,02 0,15Fier Carbonil 0,010 urme - urme 0,004 0,5

Fier electrolitic 0,008 0,007 0,002 0,006 0,003 -Fier retopit sub vid 0,001 0,003 - 0,0005 0,0026 0,0004

Fier purificat prin topire zonară

Suma impurităţilor este de ordinul ppm(1ppmo parte per milion0,0001%)

b) Oţeluri carbon-aliaje Fe-C deformabile, cu conţinutul de C cuprins între

0,02% şi 2.11% deci care suferă numai transformarea eutectoidă. Funcţie de

concentraţia transformării eutectoide, oţelurile carbon sunt:

- oţeluri carbon hipoeutectoide (%C 0,77) având structura formată din�

(constituenţi) ferită şi perlită;

- oţeluri carbon eutectoide (%C 0,77) - structură perlitică;

- oţeluri carbon hipereutectoide (%C 0,77) - structură: perlită şi cementită

secundară.

ObservaţieAşa cum s-a mai arătat, definiţia corectă a oţelurilor carbon este: aliaje Fe-C,

deformabile, cu conţinut de C între 0,02% şi 2,11%, plus ELEMENTE ÎNSOŢITOARE (Mn,Si), plus IMPURITĂŢI (S, P, O2, H2,N2). Datorită importanţei deosebite a acestor materiale ele vor fi tratate pe larg în temele următoare.

c) Fonte albe -aliaje Fe-C, cu conţinut de C cuprins între 2,11% şi 6,67%,

deci care suferă atât transformarea eutectoidă cât şi transformarea eutectică.

Funcţie de concentraţia transformării eutectice, fontele albe sunt:

- fonte albe hipoeutectice (%C 4,3) cu structura, analizată în figura 4.2 d,�

formată din (constituenţi) : perlită, cementită secundară şi ledeburită transformată;

- fonte albe eutectice (%C 4,3) - structura: ledeburită transformată;

9

- fonte albe hipereutectice (%C 4,3) - structura: ledeburită transformată şi

cementită primară.

ObservaţieÎn cazul fontelor albe, carbonul se găseşte legat sub formă de Fe3C. Cementita este

constituentul preponderent al microstructurii şi dă aspectul alb strălucitor al suprafeţelor de rupere.

4.4 Proncentul fazelor şi constituenţilor metalografici; proprietăţile

aliajelor Fe-Fe3C

Structura la temperatura ambiantă a aliajelor din sistemul Fe-Fe3C este

formată din fazele: ferită şi cementită. Procentul lor se determină aplicând regula

pârghiei, la temperatura ambiantă rezultând:

% 100 15 x , unde:

x(0,0002; 6,67) este concentraţia în carbon a aliajului considerat.

Reprezentarea grafică (o dreaptă) este prezentată în diagrama Tammann

pentru faze, figura 4.4 a.

Pentru x 0,77 % 88,45 % şi Fe3C 11,55 % care sunt procentele

fazelor în perlită, iar pentru x 4,3 % 35,5 % şi Fe3C 64,5 % -

procentele fazelor în ledeburita transformată.

Se constată, analizând rezultatele anterioare şi datele prezentate în tabelul

4.2. că ledeburita are proprietăţi mecanice apropiate de ale cementitei, iar perlita, o

rezistenţă şi duritate mai ridicată decât a feritei ca urmare a durificării acesteia prin

prezenţa fazei dure care este cementita.

Aplicând regula pârghiei, având în vedere transformările structurale expuse,

se poate trasa, în mod similar, diagrama structurală pentru constituenţii

metalografici, prezentată în figura 4.4 b.

Comparând diagrama constituienţilor structurali cu variaţia caracteristicilor

mecanice funcţie de conţinutul de carbon, prezentată în figura 4.5 se constată că

pentru propreităţile mecanice sensibile la structură, proprietăţi care caracterizează

10

rezistenţa şi tenacitatea aliajelor, aditivitatea acţionează funcţie de valorile

caracteristicilor constituienţilor şi nu de cele ale fazelor. Anumite proprietăţi fizice

(densitate, capacitate calorică, coeficient de dilatare liniară) sunt rezultatul mediei

ponderate a proprietăţilor fazelor constitutive ( proprietăţile fazelor sunt aditive).

Tabelul 4.2Proprietăţile fazelor şi constituenţilor metalografici din sistemul Fe - Fe3C

Faza sau constituentul

Densitateag/cm3

DuritateaHB

(HV)

Rezistenţa la rupere, Rm

N/mm2

Alungirea la rupere, A5

%Ferita 7.86 80 300 35Cementita 7.62 (750) - -Perlita f. fină - 250 1100 10 normală - 205 850 15 grosolană - 185 550 25Ledeburita - (700) - -

Observaţie Proprietăţile perlitei prezentate în tabelul 4.2 sunt pentru cazul în care amestecul lamelar

de ferită şi cementită se obţine în condiţii de echilibru (răcire foarte lentă). Prin modificarea condiţiilor de răcire se pot obţine structuri lamelare mai fine (distanţa dintre lamelele de ferită şi cementită mai mică, adică grad de dispersie ridicat) şi prin aceasta, creşterea caracteristicilor de rezistenţă. De asemenea este posibilă modificarea (prin tratamente termice) a aspectului lamelar cu obţinerea unor structuri în care faza dură (cementita) este globulară, ceea ce conferă structurii obţinute cele mai bune proprietăţi de tenacitate.

În utilizarea datelor prezentate în figura 4.5 trebuie avute în vedere două

aspecte importante:

- datele sunt valabile numai în cazul structurilor de echilibru;

- influenţă asupra proprietăţilor au elementele însoţitoare şi impurităţile al

căror conţinut este dependent de condiţiile de elaborare.

Aceste aspecte sunt deosebit de importante, mai ales în cazul oţelurilor,

motiv pentru care proprietăţile şi domeniile de utilizare ale acestor aliaje vor fi

tratate în mod special în paragrafe separate. Se face acum observaţia că oţelurile

pentru construcţii mecanice sunt oţeluri hipoeutectoide. La aceste aliaje o dată cu

creşterea conţinutului de carbon creşte cantitatea de perlită (în cazul structurilor de

echilibru) şi deci, cresc caracteristicile de rezistenţă, scăzând cele de plasticitate.

Oţelurile eutectoide şi hipereutectoide sunt dure fiind utilizate, de exemplu pentru

scule aşchietoare. Creşterea conţinutului de carbon are efecte nefavorabile atât

11

asupra caracteristicilor de rezistenţă cât şi asupra celor de plasticitate care, la valori

de peste 1,4 %C sunt practic nule.

Fig. 4.4 Procentul fazelor şi al constituienţilor metalografici în aliajele Fe - Fe3Ca - Diagrama structurală Tamman pentru faze; b - Idem, pentru constituienţi

În cazul fontelor albe se constată durităţi foarte ridicate, valori care

recomandă aceste aliaje ca materiale rezistente la uzură prin abraziune, aplicaţie

care constituie una din puţinele utilizări tehnice ale lor. Din examinarea celorlalte

proprietăţi mecanice (Rm120 ... 150 N/mm2, rezistenţa la compresiune de 2500

N/mm2, alungire la rupere nulă) rezultă că, din cauza fragilităţii, utilizarea fontelor

albe este posibilă numai la aplicaţii în care solicitarea la uzură nu este însoţită de

şocuri (de exemplu corpuri de măcinare la morile de ciment). Analizând însă,

diagrama de echilibru Fe - Fe3C se constată că fontele au temperatura de topire

mult mai mică decât a oţelurilor şi, corelat cu fluiditatea ridicată şi contracţia la

solidificare mică, conferă acestor aliaje o proprietate tehnologică forate

importantă : turnabilitate (aptitudinea de a se preta la realizarea semifabricatelor

turnate)

12

Addenda

sistemul metastabil Fe-Fe3C;

ferita;

austenita;

cementita;

ledeburita;

perlita;

ledeburita transformată;

fier tehnic;

oţel carbon (hipoeutectoid, eutectoid, hipereutectoid);

fonta albă (hipoeutectică, eutectică, hipereutectică);

diagrama structurală Tammann (pentru faze şi constituenţi).

Teme de casă

13

1. Pentru aliajul cu 0,4 % C, considerând transformările din stare lichidă până la

temperatura ambiantă după sistemul metastabil, se cere:

a) Să se studieze transformările la răcire şi să se traseze curba de răcire

b) Să se stabilească structura la temperatura ambiantă şi procentul fazelor şi al

constituenţilor metalografici.

c) Să se evalueze principalele proprietăţi (prin caracteristicile mecanice) ale

aliajului.







aliajului.







aliajului.

4. Pentru aliajul cu 3 % C, considerând transformările din stare lichidă până la






aliajului.

14

tema nr 4 - studiul aliajelor din sistemul fe-c

Documents