Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

  • View
    1.408

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

Capitolul 4STUDIUL ALIAJELOR DIN SISTEMUL FIER - CARBON

4.1. IntroducereStudiul sistemului fier - carbon prezint o importan deosebit din punct de vedere ingineresc, deoarece acest sistem cuprinde aliajele cu cea mai larg utilizare practic: oelurile i fontele. Componentul principal (de baz) al aliajelor sistemului fier - carbon este fierul. Fierul este un metal alb - argintiu, cu temperatura de solidificare - topire ts = 1538 oC i urmtoarele caracteristici fizico - mecanice (la temperatura ambiant): densitatea = 7850 kg/m3, modulul de elasticitate E = 2,05105 N/mm2, limita de curgere Re = 100...140 N/mm2, rezistena la traciune Rm = 200...250 N/mm2, alungirea procentual dup rupere A = 40...50%, coeficientul de gtuire Z = 70...90%, duritatea 45...55 HBS, energia de rupere KV = 170...200 J. Fierul are dou forme alotropice sau modificaii proprii (v. scap. 1.6): Fe, cu structur cristalin CVC, stabil sub temperatura tc1 = 910 oC i n intervalul de temperaturi (tc2 = 1392 oC; ts = 1538 oC) i Fe, cu structur cristalin CFC, stabil n intervalul de temperaturi (tc1 = 910 oC; tc2 = 1392 oC); Fe stabil n intervalul de temperaturi (tc2 = 1392 oC; ts = 1538 oC) este numit i Fe. Fierul prezint proprieti magnetice sub temperatura tCFe = 768 oC (numit punctul Curie al Fe), peste aceast temperatur fiind nemagnetic (paramagnetic). Componentul de aliere al aliajelor fier - carbon este carbonul. Carbonul formeaz cu fierul compusul definit Fe3C (carbura de fier), denumit n tehnic cementit, caracterizat printr-o concentraie masic de 6,67% C; cementita este un compus interstiial de tip geometric (v. scap. 2.2.2), cu reea cristalin complex i temperatura de solidificare - topire tsCem 1250 oC. Cementita are densitatea apropiat de cea corespunztoare fierului (Cem 7600 kg/m3), este o171

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

faz dur (duritatea cementitei este de aproximativ 800 HV) i prezint proprieti magnetice sub temperatura tCCem = 215 oC (numit punctul Curie al cementitei). Cementita este o faz metastabil; prin meninere de lung durat la temperatur ridicat i/sau n prezena siliciului, cementita se descompune n fier i grafit (carbon liber). Grafitul este o form alotropic (modificaie) a carbonului, caracterizat printr-o structur cristalin de tip hexagonal i un punct de sublimare (transformare a grafitului solid n carbon gazos), tsubC 3540 oC. Grafitul are densitatea mult mai mic dect fierul (C 2500 kg/m3) i prezint caracteristici de rezisten mecanic foarte sczute. Grafitul este forma stabil de existen a carbonului n aliajele fier - carbon. Avnd n vedere cele prezentate anterior rezult c sistemul de aliaje fier carbon poate fi analizat n dou variante: * sistemul metastabil fier - cementit (Fe - Fe3C), n care carbonul este legat sub form de cementit; * sistemul stabil fier - grafit (Fe - C), n care carbonul se afl sub form de grafit (carbon liber).

4.2. Diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C. Oelurile carbon i fontele albe4.2.1. Descrierea diagramei Fe - Fe3CDiagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C (construit experimental) este prezentat n figura 4.1, notaiile din diagram fiind fcute n conformitate cu prescripiile din SR EN 10052: 1996. Abscisele (concentraiile masice de carbon) i ordonatele (temperaturile) punctelor caracteristice ale diagramei sunt precizate n tabelul 4.1. Fazele care apar n diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C sunt: * L este soluia lichid a componentelor Fe i C; * , denumit austenit, este soluia solid interstiial de carbon n Fe ( Fe(C)). Poziia i extinderea n diagram ale domeniului monofazic al austenitei (NJESG) sunt determinate de stabilitatea modificaiei Fe i de variaia cu temperatura a solubilitii carbonlui n aceasta; aa cum rezult examinnd diagrama, concentraia masic maxim a carbonului n austenit este de 2,11% i se poate realiza la temperatura de 1148 oC (v. coordonatele punctului E); *, denumit ferit, este soluia solid interstiial de carbon n modificaia Fe stabil la temperturi joase ( Fe (C)), iar , denumit ferit delta este soluia solid interstiial de carbon n modificaia Fe Fe stabil la172

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

temperaturi ridicate ( Fe(C)). Poziiile i extinderile n diagram ale domeniilor monofazice ale feritei (GPQ i AHN) sunt determinate de stabilitatea modificaiei Fe i de variaia cu temperatura a solubilitii carbonlui n aceasta; aa cum rezult examinnd diagrama, concentraia maxim a carbonului n ferit este de 0,02 % i se poate realiza la temperatura de 727 oC (v. coordonatele punctului P), iar concentraia maxim a carbonului n ferita delta este de 0,10% i se realizeaz la temperatura de 1495 oC (v. coordonatele punctului H);

Fig. 4.1. Diagrama metastabil Fe-Fe3C Tabelul 4.1. Coordonatele punctelor din diagrama metastabil Fe-Fe3C

Punctul A B C D E F G H J K N P Q S Abscisa, 0 0,54 4,30 6,67 2,11 6,67 0 0,10 0,16 6,67 0 0,02 0,002 0,77 %Cm Ordonata, 1538 1495 1148 1250 1148 1148 910 1495 1495 727 1392 727 ta 727 o C173

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

* Fe3C este compusul definit (faza daltonid) cu denumirea tehnic cementit i caracteristicile prezentate anterior. Liniile de transformare fazic (ale cror semnificaii pot fi stabilite cu uurin pe baza datelor prezentate n scap. 2.5) delimiteaz n spaiul diagramei 11 domenii: 4 domenii monofazice (L, , i ) i 7 domenii bifazice (L+; L+; L+Fe3C; +; +Fe3C; + i +Fe3C). Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniile monofazice, V = 2 (sistemul este bivariant); n domeniile bifazice i pe liniile de transformare ABCD, AH, HN, JN, JE, GS, ES, GP i PQ (cu excepia punctelor A, C, D, G, J, N i S), V = 1 (sistemul este monovariant); pe liniile de transformare (izotermele) HJB, ECF i PSK (cu excepia punctelor B, E, H i P) i n punctele A, D, G i N, V = 0 (sistemul este invariant).

4.2.2. Transformrile structurale ale aliajelor sistemului metastabil Fe-Fe3CAnaliznd diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C, se observ c aliajele pot suferi (la nclzire sau rcire), funcie de concentraia de carbon a acestora, urmtoarele transformri structurale: a) Aliajele a cror vertical este situat ntre punctele H i B ale diagramei (aliajele cu concentraia masic de carbon situat n intervalul (0,10%;0,54%)) sufer la temperatura de 1495oC (temperatura punctelor de intersecie dintre verticalele corespunztoare aliajelor i izoterma HJB) transformarea peritectic: LB(0,54%C) + H(0,10%C)rcire nclzire

J(0,16%C);

(4.1)

b) Aliajele a cror vertical este situat ntre punctele E i C ale diagramei (aliajele cu concentraia masic de carbon situat n intervalul (2,11%;6,67%)) sufer la temperatura de 1148oC (temperatura punctelor de intersecie dintre verticalele corespunztoare aliajelor i izoterma ECF) transformarea eutectic:rcire

LC(4,30%C)

nclzire

(E(2,11%C) + Fe3C);amestec eutectic

(4.2)

amestecul mecanic de austenit i cementit format prin transformarea eutectic (cu structura alctuit din formaiuni cristaline globulare de austenit uniform distribuite ntr-o mas de cementit) este denumit ledeburit; c) Aliajele a cror vertical este situat ntre punctele P i K ale diagramei (aliajele cu concentraia masic de carbon situat n intervalul (0,02%;6,67%)) sufer la temperatura de 727oC (temperatura punctelor de intersecie dintre174

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

verticalele corespunztoare aliajelor i izoterma PSK) transformarea eutectoid: S(0,77%C)rcire nclzire

(P(0,02%C) + Fe3C);amestec eutectoid

(4.3)

amestecul mecanic de ferit i cementit format prin transformarea eutectoid (cu structura alctuit din formaiuni cristaline lamelare alternante de ferit i cementit) este denumit perlit. Dac un aliaj care a suferit transformarea eutectic este adus (prin rcire) n condiiile realizrii transformrii eutectoide, austenita din ledeburit se transform n perlit; ledeburita a crei austenit a suferit transformarea eutectoid este denumit ledeburit transformat i are structura alctuit din globule de perlit (formate din lamele alternante de ferit i cementit) uniform distribuite ntr-o mas de cementit.

4.2.3. Clasificarea aliajelor sistemului metastabil Fe-Fe3CAliajele din diagrama Fe - Fe3C se clasific i se denumesc n funcie de concentraia lor de carbon i, n consecin, n funcie de transformrile structurale pe care le pot suferi la nclzire sau rcire; categoriile unei astfel de clasificri i denumirile aliajelor din fiecare categorie se prezint astfel: A. aliajele avnd concentraia masic de carbon situat n intervalul (2,11%;6,67%), care pot suferi att transformarea eutectic, ct i transformarea eutectoid, sunt denumite fonte albe; A.1. fonta alb avnd concentraia masic de carbon de 4,30% este denumit font alb eutectic; A.2. fontele albe avnd concentraia masic de carbon mai mic dect cea corespunztoare fontei albe eutectice sunt denumite fonte albe hipoeutectice; A.3. fontele albe avnd concentraia masic de carbon mai mare dect cea corespunztoare fontei albe eutectice sunt denumite fonte albe hipereutectice; B. aliajele avnd concentraia masic de carbon situat n intervalul (0,02%;2,11%], care pot suferi numai transformarea eutectoid, sunt denumite oeluri carbon; B.1. oelul carbon avnd concentraia masic de carbon de 0,77% este denumit oel carbon eutectoid; B.2. oelurile carbon avnd concentraia masic de carbon mai mic dect cea corespunztoare oelului carbon eutectoid sunt denumite oeluri carbon hipoeutectoide; B.3. oelurile carbon avnd concentraia masic de carbon mai mare dect cea corespunztoare oelului carbon eutectoid sunt denumite oeluri carbon hipereutectoide; C. aliajele avnd concentraia masic de carbon cel mult egal cu 0,02% sunt cunoscute sub denumirea generic de fier tehnic.175

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

4.2.4. Structurile de echi