Aliaje fier carbon

ALIAJE FIER CARBON

In prezent aliajele cele mai utilizate in industria mondiala sunt aliajele fierului cu carbonul, adica fontele si otelurile. Aceste aliaje sunt cuprinse in diagrama Fe-C, diagrama care arata starile in care se afla acestea la diferite temperaturi, precum si punctele critice la care in aceste aliaje se vor produce transformari. La stabilirea aspectului acestei diagrame pe care o folosim astazi au lucrat un mare numar de cercetatori timp de mai multe decenii.

TRADD1. DIAGRAMA DE ECHILIBRU Fe-C. ASPECTUL SI PARTICULARITATILE DIAGRAMEI Fe-C

Aspectul diagramei Fe-C prezentat in figura TRADD1 este dupa STAS 2500.

Figura TRADD1. Diagrama de echilibru Fe-C: -- sistemul nestabil (Fe-Fe₃C), - - - - sistemul stabil (Fe-grafit).

Analizand diagrama Fe-C constatam ca ea prezinta o serie de particularitati si anume:

a) diagrama este aparent complicata;

b) diagrama este incompleta, in ea fiind reprezentate numai aliajele cu continut de carbon de pana la 6,67 %;

c) diagrama prezinta doua feluri de linii: linii continue si linii intrerupte.

Studiind amanuntit particularitatile diagramei vom observa urmatoarele:

a) Intr-adevar, diagrama este doar aparent complicata. Ea prezinta transformari in stare solida care se datoreaza:

- transformarilor alotropice ale fierului si

- variatiei cu temperatura a solubilitatii carbonului in solutiile solide alfa si gama.

b) Diagrama este incompleta, adica este construita doar pana la 6,67 % C si nu pana la 100 % C, deoarece aliajele continand mai mult de 6,67 % C sunt greu de obtinut si sunt putin utilizate.

c) Existenta a doua feluri de linii in diagrama este determinata de viteza de racire la solidificare si de prezenta in topitura a unor anumite elemente. Astfel, transformarile pot avea loc dupa liniile continue (sistemul Fe-C nestabil) sau dupa liniile intrerupte (sistemul Fe-C stabil).

Sistemul reprezentat prin linii continue, adica sistemul Fe-C nestabil sau metastabil, numit si sistemul Fe-Fe₃C, este valabil in cazul cand topitura este racita cu o viteza mai. mare sau cand in lichid se gasesc in cantitati ceva mai mari de elemente carburigene (Mn, Cr, V, Mo etc.), iar carbonul se afla in cantitati mai reduse, separarea facandu-se sub forma de carbura de fier (Fe₃C) numita si cementita.

Sistemul reprezentat prin linii intrerupte, adica sistemul Fe-C stabil, numit si sistemul Fe-grafit, este valabil in cazul cand topitura este racita cu o viteza mai mica si cand in lichid sunt prezente in cantitati mai mari elemente grafitizante (Si, Ni, Al etc.), iar carbonul se afla in cantitati mai mari, separarea facandu-se sub forma de grafit.

TRADD2. SISTEMUL Fe-Fe₃C

TRADD2.1. Aspectul diagramei Fe-Fe₃C. Mecanismul formarii structurilor in diagrama Fe-Fe₃C

Aspectul diagramei Fe-Fe₃C este prezentat in figura TRADD2.

Figura TRADD2. Diagrama Fe-Fe₃C.

Linia ABCD este linia lichidus, deasupra careia toate aliajele se vor afla in stare lichida, iar linia AHJECFD este linia solidus, dedesubtul careia toate aliajele vor fi complet solidificate. Intre cele doua linii se vor afla, in echilibru, solutie lichida si cristale. Natura cristalelor care se vor separa din lichid va fi diferita la diferite grupe de aliaje.

Conform regulii orizontalei:

- dupa linia AB se separa din topitura cristale de solutie solida delta;

- dupa linia BC, cristale de solutie solida gama (austenita), iar

- dupa linia CD, cristale de cementita primara.

In figura TRADD3. este reprezentat la scara marita coltul din stanga sus al diagramei Fe-Fe₃C, pentru a putea studia mai bine solidificarea si transformarile care au Ioc la aliajele din partea stanga a diagramei. Astfel, conform regulii orizontalei, la solidificarea aliajelor cu un continut de carbon sub 0,53 %, pe masura coborarii temperaturii, in timpul solidificarii, compozitia chimica a solutiei solide delta variaza dupa linia AH, iar compozitia chimica a lichidului se schimba dupa linia AB. Solutia solida delta, la atingerea orizontalei HJB situata la temperatura de 1495 °C, atinge concentratia data de punctul H, iar lichidul, concentratia B.

Punctul B este un punct de inflexiune pe linia lichidus, fiind un punct peritectic, iar orizontala HJB o orizontala peritectica. La traversarea acestei orizontale peritectice, in aliajele situate in dreptul ei, se produce transformarea peritectica:

 (TRADD1)

Odata cu scaderea temperaturii, la solidificarea aliajelor cu continut de carbon intre 0,53 % si 4,3 %, are loc o imbogatire in carbon a solutiei lichide dupa linia BC si o imbogatire in carbon a solutiei solide delta dupa linia JE.

In timpul solidificarii, la aliajele cu continut de carbon intre 4,3 si 6,67%, pe masura scaderii temperaturii, continutul de carbon scade dupa linia DC, in timp ce cristalele de cementita isi mentin compozitia chimica neschimbata. Cementita, care se separa direct din lichid, a fost numita cementita primara si se noteaza cu Ce_I .

Figura TRADD3. Coltul din stanga sus al diagramei Fe-Fe₃C.

Variatia compozitiei chimice a solutiei lichide, la aliajele din dreapta si din stanga punctului C in timpul solidificarii tinde spre valoarea data de punctul C si anume 4,3 % C.

Punctul C este punctul eutectic al diagramei Fe-Fe₃C, iar orizontala ECF este orizontala eutectica. La traversarea acestei orizontale eutectice, se produce transformarea eutectica:

(TRADD2)

adica solutia lichida (L) avand compozitia chimica data de punctul "C" se transforma, la racire in amestecul mecanic numit ledeburita (Le) care este eutecticul diagramei Fe-Fe₃C si este format la nasterea lui, din solutia solida gama cu concentratia punctului "E" si cementita de concentratie "F".

In continuare transformarile care au loc sub linia solidus, se produc in aliaje deja solidificate si se numesc transformari in stare solida si ele sunt determinate si de variatia cu temperatura a solubilitatii maxime a carbonului in solutia solida gama sau alfa.

Din diagrama Fe-Fe₃C rezulta ca la temperatura de 1148 °C, solutia solida gama contine procentajul maxim de carbon, dat de punctul E, respectiv 2,11 % C. Solubilitatea carbonului scade insa pe masura scaderii temperaturii conform liniei ES si la temperatura de 727 °C, solutia solida gama mai poate sa dizolve doar maximum 0,77 % C (punctul S). Intre 1148 °C si 727 °C, in timpul racirii, diferenta de carbon dizolvat in solutia solida gama (4,3 - 0,77) se separa sub forma de cementita secundara, fiind notata cu Ce_II .

Spre deosebire de transformarea:

Eseu: CAIET DE SARCINI pentru executia infrastructurii din beton armat Referat: Manual de reabilitare termica a cladirilor prin imbunatatirea protectiei termice a peretilor exteriori

 (TRADD3)

care are loc la temperatura de 912 °C, transformarea solutiei solide gama in solutie alfa are loc intr-un interval de temperatura: linia GOS marcand inceputul transformarii, iar linia GPS, sfarsitul transformarii. In timpul acestei transformari, in timpul racirii lente, solutia solida gama se imbogateste in carbon, conform liniei GOS, iar la temperatura de 727 °C ajunge sa contina 0,77 % C, corespunzator pozitiei punctului S.

Punctul S este punctul eutectoid al diagramei Fe-Fe₃C iar orizontala PSKI este orizontala eutectoida. La temperatura acestei orizontale eutectoide se produce transformarea eutectoida:

 (TRADD4)

adica austenita de concentratie eutectoida (S) ajunsa la temperatura de 727 °C, se transforma la racire in perlita (Pe), care este un eutectoid, adica un amestec mecanic rezultat in urma transformarii unei solutii solide. Perlita este formata din ferita si cementita.

Solutia solida alfa (ferita), ocupa domeniul situat in stanga liniei GPQ. Continutul maxim de carbon pe care il poate dizolva ferita, este dat in punctul "P" din diagrama Fe-Fe₃C, aflat la 0,0218 % C. Solubilitatea carbonului din ferita scade cu scaderea temperaturii, conform liniei PQ, iar la temperatura ordinara, ferita poate sa contina maximum 0,002 % C (punctul Q). Diferenta de carbon dintre cel dizolvat la 727 °C (0,0218 % C) si cel dizolvat la temperatura ordinara (0,002 % C) se separa in timpul racirii intre aceste doua temperaturi, sub forma de cementita. Aceasta cementita separata din solutie solida alfa, a primit denumirea de cementita tertiara fiind notata cu Ce_III .

TRADD2.2. Punctele critice din sistemul Fe-Fe₃C

Punctele critice reprezinta temperaturi la care in structura aliajelor fier-carbon au loc transformari. Cunoasterea acestor puncte este deosebit de importanta pentru tratamentele termice, in vederea stabilirii parametrilor termici optimi.

In cazul in care ne referim la un anumit aliaj, transformarea are loc la o anumita temperatura, reprezentata pe diagrama printr-un punct. Totalitatea punctelor, care reprezinta o anumita transformare, pentru toate aliajele din diagrama, formeaza linii. Deci, in denumirea de puncte critice, este vorba de puncte pentru aliaje bine determinate si de linii, atunci cand ne referim la transformarile respective in ansamblul diagramei.

Punctele critice la incalzire se noteaza Ac (in limba franceza: Arrět chauffage - oprire la incalzire) iar cele la racire se noteaza Ar (in limba franceza: Arrět refroidissement - oprire la racire). Sub forma de indice, dupa aceste litere mici se scrie o cifra care indica natura transformarii din punctul critic respectiv. Punctele critice la racire (Ar) sunt mai coborate decat la incalzire (Ac), acest fenomen de intarziere Ia transformare fiind denumit histerezis termic.

In diagrama Fe-Fe₃C, exista sase puncte critice care sunt prezentate in figura TRADDTRADD

Figura TRADDTRADD Punctele critice ale diagramei Fe-Fe₃C.

TRADD2.3. Constituentii de echilibru ai aliajelor Fe-Fe₃C

Constituentii metalografici, prezentati in diagrama Fe-Fe₃C, arata structura pe care o prezinta diferitele aliaje cuprinse in acest sistem.

Proprietatile diferitelor aliaje cuprinse in sistemul Fe-Fe₃C depind de natura, ponderea si proprietatile diferitilor constituenti, care vor forma structura lor. Proprietatile unui anumit aliaj din sistemul Fe-Fe₃C sunt determinate de:

- natura constituentilor prezenti in aliaj,

- raportul cantitativ in care se afla si

- proprietatile fiecarui constituent.

Constituentii care apar in diagrama de echilibru Fe-Fe₃C, sunt: ferita, austenita, cementita, perlita si ledeburita si ei vor fi prezentati in continuare.

Ferita este o solutie solida de carbon in fierul alfa cu reteaua cubica cu volum centrat, motiv pentru care se mai numeste si solutie solida alfa. Deoarece fierul alfa dizolva foarte putin carbon (0,02 % la temperatura de 727 °C si 0,002 % la temperatura ordinara) aceasta solutie solida este foarte apropiata de fierul tehnic, motiv pentru care a primit denumirea de ferita.

Reteaua fierului alfa, neavand spatii interstitiale suficient de mari, unde sa se plaseze atomii de carbon, acestia, in cantitati reduse, se plaseaza in locurile libere provocate de existenta defectelor reticulare, in special la limitele grauntilor.

Figura TRADD5. Influenta continutului de carbon asupra aspectului la microscop al structurilor aliajelor Fe-Fe₃C.

In figura TRADD5.A este prezentat aspectul la microscop al feritei care apare sub forma de graunti aproximativ echiaxiali, de culoare deschisa alb-galbuie de nuante diferite, in cazul atacului cu nital.

Compozitia chimica a feritei este apropiata de cea a fierului pur, motiv pentru care proprietatile feritei sunt si ele apropiate de cele ale fierului pur.

Proprietatile feritei sunt insa influentate de prezenta elementelor insotitoare din oteluri, unele din ele dizolvandu-se in reteaua fierului alfa (ex. manganul, siliciul. sulful, fosforul etc.) precum si de marimea grauntilor de ferita.

Din punct de vedere magnetic, ferita este feromagnetica pana la temperatura de 770 °C (punctul critic A₂, cunoscut si sub denumirea de punctul Curie).

Datorita faptului ca ferita este un constituent moale si plastic, prezenta ei in structura aliajelor Fe-C contribuie la obtinerea unei plasticitati ridicate in aceste aliaje si a unei duritati si rezistente la rupere mai scazute, motiv pentru care ferita este structura de baza a otelurilor moi cu structura feritica, folosite pe scara larga in industrie si mai ales in constructia de autovehicule, supunandu-se operatiilor de deformare la rece.

Austenita este o solutie solida de intrepatrundere de carbon in fierul gama, cu reteaua cubica cu fete centrate, motiv pentru care se numeste si solutie solida gama.

Austenita dizolva carbon in cantitati mai mari decat ferita, cantitatea maxima de carbon, dizolvat in solutia solida gama, este data de punctul E din diagrama Fe-C, care indica concentratia de 2,11 % C.

In otelurile carbon, austenita este stabila numai la temperaturi ridicate, peste 727 °C. In cazul in care aliajul contine insa elemente de aliere, care deplaseaza liniile de transformare din diagrama si largesc domeniul solutiei solide gama, austenita poate sa apara si la temperatura ordinara.

Austenita fiind o solutie solida, este un constituent plastic, motiv pentru care otelurile care urmeaza a fi deformate plastic, se incalzesc la temperaturi ridicate, in domeniul austenitei, deoarece in acest domeniu otelurile sunt mai plastice si se deformeaza usor. Are greutatea specifica cea mai mare, dintre constituentii de echilibru ai aliajelor Fe-C. Din punct de vedere magnetic, austenita este paramagnetica.

Cementita este un compus chimic respectiv o carbura de fier cu formula Fe₃C, continand 6,67 % C, avand o retea ortorombica. Datorita acestei retele cementita are posibilitati reduse de alunecare motiv pentru care are o duritate foarte ridicata si o fragilitate foarte mare. S-a stabilit ca valoarea duritatii variaza intre 700-800 HB. Din cauza fragilitatii ridicate, cat si din cauza ca nu pot fi obtinute epruvete exclusiv din cementita pentru incercarea la tractiune, rezistenta la rupere si alungirea la rupere nu pot fi determinate.

Din punct de vedere magnetic, cementita este feromagnetica sub temperatura de 210 °C (notata cu A₀ in diagrama Fe-C) si paramagnetica, peste aceasta temperatura.

La microscop cementita apare de culoare alba stralucitoare, in cazul in care developarea structurii s-a facut prin utilizarea reactivului obisnuit Nital (2-4 % acid azotic in alcool etilic), sau de culoare brun roscat, in cazul atacului cu picrat de sodiu in solutie alcalina la cald. Prin acest din urma atac, cementita poate fi deosebita de ferita, care apare tot de culoare alba ca si cementita, la atacul cu Nital.

Din punct de vedere al formei sub care apare la microscop, se disting urmatoarele categorii de cementita:

- cementita aciculara (sub forma de cristale primare in fontele albe hipereutectice);

- cementita sub forma de retea (in otelurile hipereutectoide);

- cementita globulara sau grauntoasa (in otelurile hipereutectoide, in care reteaua a fost sfaramata prin forjare sau tratament termic sau in otelurile eutectoide in perlita) si

- cementita lamelara (in otelurile eutectoide cu structura perlitica lamelara).

In structura aliajelor Fe-C, prezenta acestui constituent, cu duritate ridicata si fragilitate mare, determina cresterea duritatii si a rezistentei si coborarea tenacitatii.

Dintre aliajele Fe-C, fontele albe contin cementita in cantitati mari, motiv pentru care fontele albe au sectiunea de rupere de culoare alba stralucitoare si sunt foarte dure si casante.

Perlita este eutectoidul diagramei Fe-Fe₃C, fiind deci un amestec mecanic, care apare in urma reactiei eutectoide:

 [TRADD5]

Perlita va avea proprietati intermediare intre cele ale feritei, care este un constituent moale si cele ale cementitei, care este un constituent dur si fragil. Este necesar sa cunoastem care este insa ponderea in structura perlitei, a celor doi constituenti care o formeaza, pentru a-i sti cat mai exact proprietatile.

Cu ajutorul legii parghiei (legii segmentelor inverse) se determina raportul cantitativ dintre fazele aflate in echilibrul. In cazul de fata (figura TRADD6), cantitatea de ferita va fi data de segmentul SK, (opus feritei), iar cantitatea de cementita, de segmentul PS, (opus cementitei). Raportul dintre ferita si cementita din structura perlitei va fi dat de relatia:

 [TRADD6]

Deci, structura perlitica contine aproximativ 88 % ferita moale si plastica si 12 % cementita dura si fragila. Ferita aflata in cantitati destul de mari, contribuie la pastrarea unei tenacitati bune, iar cementita mareste duritatea si rezistenta perlitei.

In structura perlitei, ferita si cementita se afla dispuse sub forma de lamele, de unde a rezultat si denumirea de perlita lamelara (figura TRADD5.C).

Cu cat aceste lamele sunt mai fine, cu atat proprietatile perlitei vor fi mai ridicate .Cei doi constituenti care formeaza perlita, mai pot sa apara in anumite conditii si sub aspect globular, cementita aparand sub forma de globule, pe fond de ferita (figura TRADD7), amestecul numindu-se perlita globulara.

La microscop, la mariri mai mici, la care nu se distinge aspectul lamelar sau globular, perlita apare de culoare inchisa.

Din punct de vedere magnetic perlita este feromagnetica deoarece contine, in structura ei, ferita feromagnetica.

Figura TRADD6 Schema pentru explicarea principiului de calcul al raportului cantitativ dintre constituentii aflati in structura perlitei si ledeburitei.

Figura TRADD7. Aspectul la microscop al perlitei globulare.

Ledeburita este eutecticul diagramei Fe-Fe₃C, fiind si ea un amestec mecanic ca si perlita, rezultand in urma reactiei eutectice. La temperatura ordinara este formata din perlita si cementita (TRADD5.F).

Conform legii parghiei, cantitatea de perlita este data de segmentul opus perlitei, iar cantitatea de cementita, de segmentul opus cementitei (figura TRADD6). Raportul dintre cei doi constituenti va fi deci:

 [5.7]

Din calcul rezulta ca in ledeburita, cantitatea de cementita, constituent dur si fragil, este foarte mare (cca. 60 %), deci proprietatile ledeburitei vor fi foarte apropiate de cele ale cementitei. Din cauza aceasta, aliajele in care acest constituent se afla in cantitati mari (fontele albe) vor fi si ele foarte dure si foarte fragile si in general inutilizabile in constructia de masini.

Ledeburita apare la microscop sub un aspect pestrit (figura TRADD5.F) fiind formata din insule de culoare inchisa de perlita, pe fond de cementita de culoare deschisa.

Din punct de vedere magnetic, ledeburita este feromagnetica deoarece contine perlita feromagnetica.

TRADD2.TRADD Calculul cantitativ al constituentilor structurali intr-un aliaj Fe-Fe₃C

Constituentii care apar in structura aliajelor Fe-C au proprietati diferite, iar proprietatile unui aliaj Fe-C vor depinde de cantitatile in care se vor gasi constituentii in structura sa si de natura constituentilor. Daca un aliaj contine in cantitati mari cementita, va fi dur si fragil, sau daca aliajul contine in cantitati mari ferita, va fi si el un aliaj moale si plastic.

Raportul cantitativ al constituentilor se determina folosind legea parghiei. Sa calculam de exemplu, care va fi raportul cantitativ intre constituentii prezenti in structura unui aliaj cu 0,5 % C. Folosind legea parghiei (figura TRADD8), rezulta ca:

 TRADD8]

Considerand ca intreg aliajul (100 %) este reprezentat de segmentul cu dimensiunea 0,77 % C, rezulta ca:

 [TRADD9]

 [TRADD10]

Deci intr-un astfel de otel ponderea mai mare o are perlita, cu proprietatile sale specifice .

Figura TRADD8. Explicarea pe diagrama Fe-Fe₃C a metodicii de calcul al raportului cantitativ dintre ferita si perlita intr-un aliaj cu 0,5 % C.

TRADD2.5. Diagrama de constituenti a sistemului Fe-Fe₃C

Determinandu-se pentru toate aliajele sistemului Fe-Fe₃C raportul cantitativ dintre constituentii structurali, se obtine asa numita diagrama de constituenti. Aceasta diagrama are in abscisa concentratia, ca si diagrama de echilibru (motiv pentru care se construieste sub ea), iar in ordonata, procentele diferitilor constituenti (figura TRADD2).

Pornind de la faptul ca stim ca aliajul cu 0 % C contine ferita in proportie de 100 %, aliajul eutectoid cu 0,77 % C contine 100 % perlita, aliajul eutectic cu 4,3 % C, contine 100 % ledeburita, iar aliajul cu 6,67 % C contine Ce in proportie de 100 %, putem determina cantitatile constituentilor structurali pentru aliajele intermediare, folosind legea parghiei.

Legea parghiei ne indica variatii liniare pentru aliajele intermediare. Astfel, s-a trasat dreapta a-b, care desparte domeniul feritei de cel al perlitei. Pentru reprezentarea ledeburitei s-a trasat un triunghi cu unul din varfuri in dreptul punctului eutectic (4,3 % C), iar cu celelalte doua in dreptul extremitatilor orizontalei eutectice, pana la care apare in structura eutecticul. Latura c-d a acestui triunghi separa domeniul ledeburitei de cel al perlitei, iar latura d-e separa domeniul ledeburitei de cel al cementitei primare.

Pentru reprezentarea triunghiului care reprezinta cementita secundara, se uneste printr-o dreapta punctul "b" situat in dreptul concentratiei eutectoide (0,77 % C) cu punctul "e" situat la 6,67 % C. Punctul "g" de intersectie a dreptei f-e cu verticala dusa in dreptul concentratiei de 2,11 % C, reprezinta unul din varfurile acestui triunghi. Celelalte doua se gasesc in dreptul concentratiilor eutectoide (punctul b) si eutectice (punctul d).

Separarea cementitei tertiare din ferita se reprezinta prin triunghiul cu unul din varfuri la concentratia de 0,002 % C, celalalt la concentratia de 0,77 % C, iar ultimul in dreptul concentratiei de 0,02 % C, care reprezinta solubilitatea maxima a carbonului in solutia solida alfa.

Cu ajutorul diagramei de constituenti se poate acum determina raportul cantitativ dintre constituentii structurali pentru orice aliaj din sistemul Fe-Fe₃C. Pentru exemplificare, ducand in aceasta diagrama de constituenti o verticala in dreptul aliajului cu 5 % C, observam ca ea este intersectata de dreapta, din diagrama de constituenti, care delimiteaza domeniul ledeburitei de cel al cementitei primare. Punctul de intersectie desparte verticala dusa in doua segmente: segmentul superior, care indica cantitatea de cementita primara si segmentul inferior, care indica cantitatea de ledeburita. Transportand aceste segmente pe ordonata divizata in procente a diagramei de constituenti se pot citi cantitatile exacte, care coincid cu cele determinate analitic respectiv 70 % ledeburita si 30 % cementita primara.

In mod similar se pot determina cantitatile procentuale pentru orice aliaj din sistemul Fe-Fe₃C.