8

TIINA MATERIALELOR

CAPITOLUL 7FIERUL I ALIAJELE FIER CARBON

Cele mai importante aliajele tehnice, din punct de vedere al calitii de produse, al varietii de utilizri i al comportrii n serviciu, sunt aliajele fierului cu carbonul (fontele i mai ales oelurile).

Fontele i oelurile sunt considerate aliaje fier carbon, dei procesele tehnologice utilizate industrial pentru obinerea lor introduc n compoziie numeroase elemente ca sulf, fosfor, mangan, siliciu, oxigen, azot, hidrogen (elemente nsoitoare).

Sulful i fosforul sunt impuriti provenite din minereu de cocs, manganul este introdus la elaborare, n principal pentru a contracara efectele duntoare ale sulfului, siliciul este introdus pentru aciunea s dezoxidant. Alte elemente, ca de exemplu nichelul i cuprul, apar ca elemente reziduale introduse cu fierul vechi utilizat la elaborarea oelului. n oelurile nealiate (oelurile carbon) suma elementelor nsoitoare este de 1%, iar cea a elementelor reziduale are o valoare asemntoare. n fontele nealiate suma elementelor este mai mare dect n oeluri cu cteva procente. Adaosul de elemente de aliere n mod intenionat (crom, molibden, nichel, vanadiu, wolfram, mangan, siliciu etc.) face ca structurile formate s fie mai variate, iar prin aplicarea tratamentelor termice diversitatea structurilor de echilibru i n afar de echilibru crete i mai mult, obinndu-se astfel proprieti capabile s acopere cu valorile caracteristicilor lor necesitile cerute de toate domeniile construciilor de maini, utilaje i agregate. Rezult c oelurile i fontele, chiar nealiate, nu sunt aliaje binare fier carbon ci aliaje complexe. Cu toate acestea influena impuritilor normale i a elementelor de aliere (n afara de cazul cnd concentraia lor este considerabil) este constant i relativ mic asupra constituiei i structurii de echilibru a aliajelor fier carbon. Din acest motiv, diagrama de echilibru fazic a sistemului binar fier carbon este utilizat pentru interpretarea constituenilor, structurii i proprietilor oelurilor i fontelor nealiate, chiar i pentru oelurile i fontele aliate aceast diagram a sistemului binar oferind punctul de plecare pentru interpretarea constituiei, structurii i comportrii la tratamentul termic.

7.1. FIERUL PUR

7.1.1 Caracteristici generale

Fierul de puritate tehnic conine aceleai elemente nsoitoare ca i oelurile (tabelul 7.1) dar n proporii considerabil mai mici, ca rezultat al aplicrii unor metode de rafinare dup reducerea oxizilor: rafinare electrolitic, oxidare selectiv n stare lichid, recoacere sau retopire n vid naintat, topire zonal.

Tabelul 7.1

DenumireConinut de impuriti, %

CSiMnPSO2

Fier pudlat0,020,150,030,120,02Zgura 3,00

Fier Armco0,0150,010,020,010,020,15

Fier carbonil0,010urme-urme0,0040,5

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

Fier retopit sub vid0,0010,003-0,000050,00260,0004

Fier purificat prin topire zonalSuma impuritilor de ordinal ppm

(1 ppm = o parte per milion = 0,0001%)

Fierul pudlat este un amestec intim de fier relativ pur i zgur, n prezent nu mai prezint dect un interes istoric. Fierul Armco (denumirea prescurtata de la primul productor Rolling Mill Company). Se utilizeaz n electrotehnic, fiind un material cu permeabilitate magnetica mare i pentru elaborarea anumitor oeluri speciale.

Fierul Armco are o structura constituita n totalitate din poliedri fr macle (tipic pentru metalele cu reea C.V.C); din acest punct de vedere, se deosebete de oelurile moi la care coninutul de carbon depete valoarea de 0,02% carbon i, ca urmare, n structur, pe lng poliedrii de ferit apar mici cantiti de eutectoid.

Fierul carbonil, cu impuriti sub 0,01% se obine n stare pulverulent prin descompunerea tehnic a unui compus - penta carbonilul de fier, Fe(CO)5 - se utilizeaz n metalurgia pulberilor, sinterizarea pieselor n atmosfer de hidrogen sau n vid, contribuie la micorarea n continuare a coninutului de carbon, sulf, oxigen i azot din particulele de fier.

Fierul electrolitic se obine n cantiti mici, este foarte pur i se folosete n electrotehnic.

Fierul purificat prin topire zonal este destinat numai pentru cercetri tiinifice, nefiind utilizat tehnic.

7.1.2 Transformrile structurale ale fierului pur

La nclzire i rcire fierul sufer o serie de transformri reversibile indicate pe curbele din figura 7.1. Transformrile alotropice sunt marcate de punctele critice ale curbelor de nclzire sau rcire care sunt indicate n literatur prin litera A (Ac la nclzire i Ar la rcire).

Fig. 7.1. Curbele de nclzire i rcire ale fierului

Transformrile alotropice de la temperatura Ac3 (transformarea ( ( ( la 912 oC) i Ac4 (transformarea ( ( ( la 1391 oC) sunt transformri de ordinul 1. Aceste transformri se manifest pe curbele de nclzire, rcire prin paliere de temperatur constant de degajare a cldurii latente de transformare.

Transformarea magnetic de la temperatura Ac2 (temperatura Curie - 770 oC de trecere a fierului ( din stare feromagnetic n stare paramagnetic) este o transformare de ordinal 2 manifestat prin punct de inflexiune pe curbele de nclzire rcire, produs de variaia brusc a cldurii specifice. Acest punct a fost mult vreme considerat drept punct critic de trecere de la forma alotropic Fe( la forma alotropic Fe(, ns cercetrile cu razele X au artat nejusteea acestei ipoteze.

Transformrile alotropice la rcire sunt transformri reversibile, iar punctele critice indicate prin Ar4 (transformarea ( ( ( la 1391 oC), Ar3 (transformarea ( ( ( la 898 oC)

Transformrile alotropice constau ntr-o reedificare a reelei cristaline prin mecanism de germinare i cretere, analog celui de la solidificare. n general, grunii fazei noi rezultai prin transformarea alotropic nu au aceeai form i dimensiune i nici aceleai limite de grunte ca faza veche. Temperaturile de transformare la nclzire (Ac) nu sunt egale cu temperaturile de transformare la rcire (Ar). Diferena este numita histerezis termic i este provocat de faptul c transformarea la rcire se produce cu un gard de subrcire cu att mai pronunat cu ct viteza de rcire este mai mare. Poziia punctului A3 este cea mai sensibil la viteza de rcire; astfel, temperatura A3 este deplasat fa de valoarea de echilibru 912 oC la 898 oC pentru o vitez de rcire de 2 oC /min i la 892 oC pentru o vitez de rcire de 12 oC /min.

Fig. 7.2. Variaia cu temperatura a

Fig. 7.3. Variaia cu temperatura a

parametrului reelei cristaline a fierului

densitii fierului

Deosebirea de reea cristalin ntre strile alotropice ale fierului pur, puse n eviden pe curbele de rcire/nclzire, a fost stabilita abia n 1921 prin difracia de raze X. Identitatea de reea cristalin ntre Fe( i Fe( are drept continuitate n variaia cu temperatura a proprietilor ilustrat n figurile 7.2 i 7.3 pentru parametrul reelei cristaline i pentru densitate. Modificarea densitii la temperatura de transformare alotropica A3 respectiv A4 produce o modificare brusc de dimensiuni, pus n eviden pe curbele dilatometrice.

Dubla transformare din punctele A3 i A4 reprezint o particularitate a fierului (nentlnite la alte metale), care se explic printr-un mod neobinuit de variaie cu temperatura energiei libere a fierului cu reea cristalin C.V.C i a fierului cu reea cristalin C.F.C.

Dubla intersecie a curbei de variaie cu temperatura a energiei libere a fierului cu reea C.V.C. de ctre curba corespunztoare fierului cu reea C.F.C. (fig. 7.4), introduce existena Fe( la temperatura intermediar, ntrerupnd astfel continuitatea existenei Fe(.

Fierul ( are o structura cubic centrat (C.V.C), atomii fiind dispui n cele 8 vrfuri i n centrul cubului; fierul ( are o structur cubic cu fee centrate (C.F.C) i atomii ocup cele 8 vrfuri, precum i mijlocul feelor. Aceste dou edificii cristaline difer ntre ele prin valoarea parametrilor reticulari: parametrul reelei Fe( are valoarea 2,90 A, iar al Fe( este de 3,64 A. Reeaua cubic cu fee centrate este mai compact dect reeaua cubic centrat. Volumul specific al Fe( este mai mare dect al Fe( , cu alte cuvinte transformarea Fe( ( Fe( este nsoit de o contracie a metalului.

Cele dou forme alotropice ale fierului reprezint variaii diferite n ceea ce privete solubilitatea carbonului i a elementelor de aliere. Astfel, Fe( poate dizolva minimum 0,02% C la temperatura de 727 oC, iar Fe( poate dizolva 2,11% C la temperatura de 1148 oC.

Se precizeaz c la temperatura 1394 oC punctul A4 al Fe( se transforma n Fe(, ce cristalizeaz n sistemul cubic centrat (C.V.C), deci o structur identic cu a Fe(. n realitate, proprietile Fe( sunt similare cu cele ale Fe( i, de aceea, se consider c Fe( este un Fe( stabil la temperaturi ridicate.

Dac se extrapoleaz peste A4, dreapta care reprezint variaia parametrilor reticulari ai Fe(, deci peste A3, se vor gsi exact valorile msurate ai parametrilor Fe( (fig. 7.5).

7.1.3 Proprietile fierului pur

Proprietile mecanice sensibile la structur variaz n dimensiunea grunilor i cu puritatea; pentru fierul Armco aceste proprieti variaz ntre urmtoarele limite:

limitata de elasticitate: 8 13 daN/mm2 limita de rupere la traciune: 15 22 daN/mm2 alungirea specific: 40 50%.

Constantele de elasticitate sunt insensibile la structur dar prezint o pronunat anizotropie n monocristale, anizotropie care se transmite i materialului policristalin texturat.

Proprietile fizice sunt sensibile n msur diferit la puritate i la structur (n spe la dimensiunea grunilor i la efectele prelucrri prin deformare plastica la rece).

1. Proprietile magnetice care stau la baza utilizrii fierului n electrotehnic drept material magnetic moale (permeabilitatea magnetic i inducie magnetic mare, pierderi de energie mici prin hysterezis magnetic, cmp coercitiv mic) sunt influenate favorabil de puritate avansat i de creterea dimensiunii grunilor (fig. 7.6);

2. Conductibilitatea electric i termic a fierului neavnd valori deosebit de mari prezint un interes industrial mult mai redus dect cel al cuprului. Impuritile mresc rezistivitatea electric ntr-o msur cu att mai accentuat cu ct este mai mare diferena de electronegativitate ntre impuritatea dizolvat i metalul de baz;

3. Cldura specific a fierului prezint anomalii n modul de variaie cu temperatura i anume un maxim pronunat n punctual Curie - A2 - i o modificare brusc la punctele de transformare alotropic A3 i A4 (fig. 7.7);

4. Coeficientul de dilatare ( se modific cu temperatura i cu starea alotropic a fierului; valorile pentru Fe( reprezint o extrapolare la temperatur nalt a valorilor pentru Fe(:

( = 11 x 10-6/oC (Fe( ntre 0 100 oC);

( = 22 x 10-6/oC (Fe( ntre 900 1000 oC);

( = 18 x 10-6/oC (Fe( la 1444 oC);

5. Rezistenta la coroziune este data de poziia fierului n seria potenialelor normale de electrod; fa de hidrogen fierul prezint o poziie anodic (potenial + 0,42 V), fiind mai nobil ca zincul, dar mai puin nobil dect cuprul. Rezult c fierul se corodeaz n ap i n medii acide. n medii puternic oxidante (ex. HNO3) fierul se pasiveaz datorit formarii unei pelicule de oxid. O pasivare durabil se obine chiar n medii cu coninut sczut de oxigen, dac fierul este aliat cu elemente care formeaz oxizi protectori cum e cromul; acest fenomen st la baza obinerii i utilizrii oelurilor inoxidabile.

Fig. 7.6. Dependena proprietilor magnetice ale fierului de gradul de puritate; curbele magnetizate pentru fier Armco:a recopt; b recopt n atmosfer cu hidrogenFig. 7.7. Variaia cu temperatura a cldurii specifice a fierului

7.2. ALIAJELE FIER CARBON

Aliajele fier-carbon se mpart n doua grupe mari: oeluri i fonte, care corespund diferitelor coninuturi de carbon. Aliajele fier-carbon industriale conin ntotdeauna siliciu, mangan, fosfor, sulf care provin din gang, minereuri combustibil sau se introduc n mod intenionat n cursul elaborrii. La aceste elemente trebuie s se adauge azotul, hidrogenul, care sunt de asemenea introduse n cantiti mai mari sau mici dup modul de elaborare.

n acest capitol se vor considera aliajele fier-carbon c avnd mici cantiti de mangan i siliciu, foarte mici cantiti de sulf i fosfor, cantiti neglijabile de elemente aliere. n aceste condiii pentru studiul oelurilor i fontelor se va folosi diagrama binar fier-carbon.

7.2.1. Diagrama de echilibru fier carbon

n aliajele sale cu fierul, carbonul se poate gsi sub forma de carbura de fier FexCy sub form de soluie solid (fertila, austenita sau ferita) sau sub form de grafit.

Apariia carbonului sub form de grafit sau obinuit sub form de carbura Fe3C (cementita) este determinat de viteza de rcire (respective de gradul de subrcire), adevrata form de echilibru fiind grafitul, care apare la rciri foarte lente (subrciri mici). Adoptnd o vitez de rcire care s determine apariia carbonului sub form de grafit i mrind aceast vitez, vom putea constata apariia treptat a cementitei. Echilibrul cu cementita este metastabil, deoarece prin nclzire cementita se descompune n elementele sale, dar n condiiile practice de folosire a aliajelor (temperatur, presiune) ea reprezint suficient stabilitate, oelurile fcnd parte din acest sistem. Reprezentarea diagramei fier-carbon, artnd i influena vitezei de rcire, ar trebui fcut n trei dimensiuni, ceea ce ar fi foarte complicat. Practic, se folosete analiza echilibrului numai cu grafit i a echilibrului numai cu cementit care reprezint strile limit ale sistemului; de aceea, diagrama de echilibru a sistemului fier-carbon se reprezint n dou variante (fig. 7.8.) liniile ntrerupte corespunztoare echilibrului stabil fier-grafit fiind trasate deasupra liniilor continue corespunztoare echilibrului metastabil Fe- Fe3C.

Linia ABCD este lichidus, AHJECFD solidus, GS punctele A3, linia SE punctele Acem, linia GPQ linia domeniului solubilitii soluiei solide Fe (C), linia PS punctele A1, linia SK punctele A1-3,linia MO punctele A2 i linia NN punctele A0.

Se precizeaz c deasupra liniei MO (punctele A2), oelul nu este feromagnetic, iar deasupra liniei NN (punctele A0), cementita i pierde proprietile magnetice. Aceste linii, MO i NN, nu reprezint linii de echilibru. Punctele proporionale ale diagramei de echilibru sunt caracterizate prin concentraiile i temperaturile date n tabelul 7.2.

Fig. 7.8. Diagrame de echilibru Fier - carbon

Coordonatele punctelor importante din diagrama Fe C

Tabelul 7.2.

NotaiePunctul caracteristic denumireCKConcentraie

% C

APunct de topire al fierului pur153818110

BPunct de tranziie149517680,50

JPunct peritectic149517680,16

NPunct de transformare alotropic FeFe139416670

HPunct de solubilitate maxim n carbon a Fe149517680,10

EPunct de tranziie (saturarea Fe n carbon), sistem metastabil114814212,11

EPunct de tranziie (saturarea Fe n carbon), sistem stabil115414272.03

CPunct eutectic, sistem metastabil114814214,3

CPunct eutectic, sistem stabil115414274,25

DPunct de topire al cementitei (Fe3C)160018736,67

FPunct de tranziie (lichid+Ce)114814216,67

GPunct de transformare Fe ( Fe91211850

SPunct de eutectoid, sistem metastabil72710000,77

SPunct eutectoid, sistem stabil73810110,69

PPunct de tranziie corespunztor coninutului maxim de carbon al Fe72710000,02

KPunct de tranziie72710006,67

QPunct corespunztor saturaiei maxime n carbon a Fe4006730,006

LPunct de tranziie4006736,67

Ca observaii generale, examinarea diagramei din figura 7.9 arata c sub ambele aspecte, diagrama de echilibru fazic a sistemului fier-carbon se prezint c o diagram cu solubilitate nelimitat n stare solid. n stare solid sistemul prezint un eutectic ntre soluia solid pe baz de fier i faza bogat n carbon (grafitul liber n sistemul stabil, respectiv cementita n sistemul metastabil). Solubilitatea carbonului n fier fiind limitat i variabil cu temperatura, la rcirea aliajelor, din soluiile solide se separ precipitate bogate n carbon (grafit sau cementit).

Transformrile alotropice ale fierului introduc, n regiunea bogata n fier a diagramei de echilibru fazic, linii de transformare care indica recristalizarea fazic sau descompunerea soluiilor solide la temperatur nalt. n faza bogat n carbon (grafit sau cementit), insolubilitatea fierului este total. Ramura CD a curbei lichidus din sistemul fier-grafit urc abrupt spre punctul de topire al grafitului (>3500 C). Din punct de vedere practic, panta abrupt nseamn o saturare rapid n carbon a soluiei lichide, ceea ce, pentru temperaturile uzuale din metalurgia fierului, limiteaz coninutul maxim de carbon n topitur la circa 5%. n sistemul metastabil, n care panta curbei CD este mai puin abrupt (punctul de topire al cementitei fiind mai sczut, mai apropiat de al fierului), la aceleai temperaturi industriale le corespunde o saturare n carbon a topiturii ceva mai mare; aceasta limiteaz domeniul de interes practice al diagramei Fe- Fe3C la compoziia de 6,67 %C, corespunztoare cementitei.

Aliajele cu coninut de carbon pn la 2,11% se numesc oeluri, iar cele cu coninut mai mare se numesc fonte.

Oelurile cu coninut pn la 0,77% C se numesc hipoeutectoide, cele cu 0,77% C eutectoide, iar cele cu peste 0,77% C hipereutectoide. Fontele cu coninuturi sub 4,3% C se numesc hipoeutectice, cele cu 4,3% C eutectice i cele cu peste 4,3% C hipereutectice.

Alturi de curbura Fe3C, cu structura ortorombic complex, n aliajele fier-carbon se mai formeaz i alte carburi c de exemplu: Fe2C cu structura hexagonal asemntoare structurii fazei din aliajele fier-azot, denumit de aceea carbura de fier . Formula Fe2C corespunde coninutului maxim de carbon, aceasta putnd s aib valori mai mici. De asemenea, se mai formeaz carbura Fe20C9 cu simetrie redus a reelei cristaline, nc nedeterminat cu precizie.

n ceea ce privete carbonul sub form de grafit, acesta este carbon pur, cristalizat n sistemul hexagonal. Legtura ntre atomii hexagoanelor de baz fiind foarte puternic, n timp ce n direcia perpendicular este relativ redus, structura lui se prezint ca stare de reele hexagonale paralele cu planuri de baz care pot aluneca cu uurin unele peste altele. Acest fapt justific folosirea grafitului ca substan unguent solid i explic influena favorabil a prezenei lui, la prelucrarea fontelor.

n sistemul metastabil, solubilitatea carbonului n fier este mai mare dect n sistemul stabil, liniile de concentraie fiind deplasate spre dreapta, corespunztor subrcirii care determin echilibrul metastabil.

Creterea coninutului de carbon influeneaz puternic poziia punctelor de transformare poliform, punctul A3 cobornd (curbura GOS), iar punctual A4 urcnd (curbura NJ). n aliajele la care procentul de C a depit 0,02%, apare transformarea eutectoid (punctual A1) concentraia eutectoidului fiind 0,77% C. Poziia transformrii magnetice A2 nu este influenat pn la un coninut de 0,50% C, dup care scade i se produce odat cu transformarea A3 pn cnd carbonul a atins coninutul de 0,80%, peste acest procent producndu-se odat cu transformarea A1.

Cementita (Fe3C), prezent n aliaje, sufer transformare magnetic 210-220 C (punct A2), indiferent de coninutul de carbon al aliajului. De asemenea, celelalte carburi sufer transformri magnetice, dar la temperaturi mai nalte (Fe2C la 380C i Fe20C9 la 270C), ceea ce permite identificarea lor.

7.2.2. Structura de echilibru a oelurilor

Oelurile sunt aliaje fier-carbon al cror coninut de carbon este cuprins ntre 0,02% C (punct P) i 2,11% C (punct E). n aceste aliaje, carbonul apare sub form de cementit (Fe3C), deci ele corespund echilibrului metastabil. La temperatura ambiant, constituentul structural nelipsit al oelurilor este eutectoidul - perlita, corespunztor unei concentraii de 0,77% C i care este un agregat format din lamele alternante de ferit i cementit; n oelurile cu mai puin de 0,77% C (oeluri hipoeutectoide), perlita este asociata cu ferita, iar n oelurile cu mai mult dect 0,77% C (oeluri hipereutectoide) perlita este asociat cu cementita.

Austenita este soluia solid de inserie a carbonului n fier i domeniul ei de stabilitate este GOSEJN (figura 7.9.). Formarea austenitei se face dup mecanisme diferite, n funcie de coninutul de carbon i anume: direct de la solidificare, austenita se separ numai n oelurile cu mai mult de 0,50% C (punctul B); n aliajele mai srace n carbon se separ mai nti cristalele de ferit , care la rcirea ulterioar se transform n austenit.

Aliajele cu pn la 0,1% C (punctual H) sunt formate i dup solidificarea complet numai din ferita ; la rcire sub punctual A4 (curbura NH), ferita ncepe s se transforme n austenit prin modificarea reelei cristaline, sub curba NJ transformarea fiind complet.

n aliajele cu 0,10 - 0,50% C, cristalele , separate la solidificare i rcire pn la 1494 C, se gsesc ntr-un lichid de compoziie B; la trecerea sub aceasta temperatur se formeaz, de asemenea, austenita printr-o reacie peritectic de forma:

ferita (H) + lichid (B) austenita (J).

Reacia este complet numai n oelul corespunztor punctului J (0,16% C); la stnga lui rmn cristale , care apoi se transform n austenit dup linia NJ, iar la dreapta lui rmne lichid, care, la rcirea n continuare, va separa cristalele de austenit dup curba BC.

n condiii de echilibru, austenita trebuie s fie perfect omogen; practic ns, austenita format are o structur neomogen, cu aspect dendritic, att prin faptul c solidificarea ei se face destul de rapid, ct i prin aceea c fenomenul este nlesnit de lrgimea intervalului de solidificare. La oelurile cu coninut sczut de carbon, se ntlnesc rar structuri dendritice, ceea ce se explic prin intervalul mic de solidificare, interval care crete rapid cnd coninutul de carbon depete 0,5% C. De asemenea, n seciuni mici, nu se formeaz structuri dendritice deoarece viteza mare de solidificare nu permite desfurarea proceselor de segregaie dendritic. n seciuni mari i n special cnd temperatura de turnare a oelului a fost nalt, se produc dendrite mari, iar n prezena incluziunilor influeneaz n sensul accenturii segregaiei dendritice.

Anumite elemente prezente, cum ar fi fosforul sau adausul de elemente de aliere ca nichel, crom, molibden segreg puternic sau mresc tendina ctre segregaia dendritic, prin faptul c micoreaz coeficientul de difuziune al carbonului. Segregaia fosforului este foarte sensibil chiar la coninuturi foarte mici; ea nu poate fi modificat prin nici un tratament termic sau mecanic ulterior i adesea ne servim de ea pentru a pune n eviden structura primar de solidificare a oelului.

Cristalele dendritice de austenit, odat formate i rcite pn la zona cristalizrii secundare (curba GOSE), sufer un proces de mrunire, dup un mecanism care nu este nc bine cunoscut (fig .7.9.).

Dendritele se transform n stare solid n cristale de austenit mai mici, fiecare cu orientare proprie, independent de orientarea iniial, dendrita primar c unitate cristalin ncetnd.

Dimensiunea grunilor de austenit formai depinde, n general, de dimensiunile dendritelor din care au luat natere.

Cu ct seciunea piesei turnate va fi mai mare i viteza de rcire mai mic, gruntele de austenit va fi mai grosolan. Rcirea n continuare a oelului prin intervalul critic provoac cristalizarea secundar.

Dac oelul are compoziie eutectoid, fiecare grunte de austenit se transform ntr-un grunte de perlit, transformarea producndu-se la o oarecare subrcire fa de temperatura eutectoid de echilibru PSK. Structura perlitei este foarte mult influenat de creterea vitezei de rcire, care are drept scop scderea temperaturii de transformare, respectiv mrimea subrcirii.

La viteze mici de rcire, perlita care se formeaz este lamelar, perfect vizibil la mriri obinuite. Dac viteza de rcire crete, structura ei devine din ce n ce mai fin, aspectul lamelar putnd fi observat numai la mriri foarte mari; n aceast stare, la nceput, a fost considerat ca un constituent nou i a fost numit sorbit, dup numele lui Clifton Sorby pionier n folosirea microscopului metalografic, dar azi numele sorbit este rezervat pentru constituentul granular obinut prin revenirea martensitei. Pentru perlita foarte fin se folosete astzi, adesea, numele de perlita sorbitic, pentru a accentua aspectul fin ale acestui constituent fin.

n oelurile hipoeutectoide, sub linia GOS, este stabil structura bifazic de austenit i ferit, austenita transformndu-se parial, polimorfic, n ferit, prin reordonarea atomilor de fier i redistribuirea prin difuziune a atomilor de carbon.

Pn la un coninut de 0,02% C, transformarea este total n ferit, obinndu-se gruni echiaci de dimensiuni mai mici dect grunii de austenit din care provin. La rcire n continuare, sub linia PQ, ferita micorndu-si solubilitatea pentru carbon, se produce separarea cementitei teriare, de obicei la marginile grunilor de ferit. Prezena cementitei teriare se observ i n oelurile moi i extramoi, dar cu creterea carbonului, respectiv apariia perlitei, cementita teriar este n cantitate din ce n ce mai mic i se confund cu cementita perlitei.

La un coninut de carbon mai mare de 0,02%, separarea feritei duce la mbogirea n carbon a austenitei restante pe msur ce temperatura scade, la temperatura eutectoid PSK, austenita avnd 0,77%, cnd se transform n perlit.

n condiii de echilibru, separarea feritei se face la limita grunilor de austenit, care, n final, se transform n perlit, ca aspect micrografic obinndu-se o reea de ferit ale crei ochiuri sunt ocupate de perlit, adic aa numita structur celular.

Dac austenita este grosolan i rcirea rapid, ferita nu se separ numai la limitele cristalelor de austenit ci i n interiorul acestora dup anumite plane cristalografice (feele de octaedru), dnd structurii un aspect caracteristic acicular cunoscut sub numele de structura Widmansttten. La cercetarea metalografic a acestei structuri, separarea acelor de ferit poate aprea dup patru direcii, dup trei direcii (fcnd ntre ele un unghi de 60) i dup dou direcii (la 90), ca urmare a orientrii cristalelor de austenit n raport cu planul seciunii probei. Cele doua tipuri de structuri sunt structuri limit i se poate observa trecerea treptat de la una la alta, dup mrimea gruntelui de austenit i a condiiilor de rcire.

n oelurile hipereutectoide rcite sub linia ES, austenita devine suprasaturat n carbon i la temperaturi cuprinse ntre ES i ES poate separa grafit, iar sub ES, din punct de vedere termodinamic este posibil separarea att a grafitului ct i a cementitei. Germinarea cristalelor de grafit necesitnd o fluctuaie mai mare de concentraie, difuziunea se realizeaz cu probabilitate foarte mic, fiind redus din cauza subrcirii, de aceea, faza care se formeaz este cea metastabil, cementita. ntocmai c ferita, cementita se separ fie sub form de reea continua la limita grunilor, fie sub forma de ace i placi pe planele cristalografice ale austenitei formnd structura Widmansttten. Austenita rmas srcete n carbon pe msur ce temperatura scade, ajungnd ca la temperatura eutectoid (PSK) s conin 0,77% C, sub aceast temperatur transformndu-se integral n perlit.

Este de menionat c eutectoidul ferit-grafit nu a fost observat la rcirea oelurilor, dar prin extrapolare se poate presupune c se obine n punctual S.

Structurile oelurilor, aa cum se formeaz n condiiile practice obinuite de turnare i rcire (n lingouri sau piese) sau dup prelucrare plastic la cald, sunt alctuite din faze i constitueni (ferita, perlita, cementita) a cror omogenitate, form, dimensiuni i distribuie sunt rezultatul desfurrii incomplete a proceselor de difuziune. Chiar dac aceti constitueni sunt similari celor din diagrama de echilibru, din cauza vitezei relativ mari de rcire a compoziiei lor chimice i a raportului cantitativ al fazelor, ei nu corespund strii de echilibru. De aceea, se consider c structura de echilibru a oelurilor este cea obinuit dup renclzire n domeniul austenitic i rcire lent, n care procesele de difuziune n timpul rcirii i al cristalizrii secundare n stare solid sau desfurat mai complet, compoziia chimic i raportul cantitativ a fazelor fiind ct mai aproape de cel de echilibru. Numai n aceste condiii perlita conine 0,77% C i numai n aceasta stare, dup raportul cantitativ al celor doi constitueni ferita i perlita din structura de recoacere (considerate n echilibru), se poate aprecia, cu aproximaie, coninutul de carbon al oelurilor hipoeutectoide. Prin urmare, structura Widmansttten i n general aspectul acicular al feritei sau cementitei este un indiciu c este vorba de o structur n afar de echilibru.

7.2.3. Structura de echilibru a fontelor

Fontele sunt aliaje fier-carbon cu un coninut de carbon mai mare de 2,11%.

Solidificarea lor, aa cum arat dubla diagrama din figura 7.9, are loc cu formarea unui eutectic n punctual C(C), asociat fie cu cristale primare de austenit n aliajele hipoeutectice, fie cu cristale de cementita sau grafit n cele hipereutectice, funcie de echilibrul realizat.

La rcirea n continuare cementita, respective grafitul, nu sufer modificri, austenita ns i schimb concentraia n funcie de temperatura separnd carbon secundar dup curba SE (cementita) sau SE (grafit) ntocmai ca oelurile hipereutectoide, iar la temperatura corespunztoare liniei PSK, respective PSK. sufer transformarea eutectoid, n final fazele stabile la temperatura ordinar fiind ferita i cementita sau ferita i grafitul, funcie de echilibrul considerat.

Aliajele solidificate dup un echilibru sau cellalt au proprieti diferite i se deosebesc foarte uor unele de altele dup aspectul seciunii de rupere: aliajele solidificate dup sistemul metastabil au un aspect alb-argintiu, cementita avnd aspect metalic i se numesc fonte albe, iar cele solidificate dup sistemul stabil prezint un aspect cenuiu din cauza prezenei grafitului care-i d aceasta coloraie i produsele se numesc fonte cenuii. n cazul fontelor albe (echilibrul metastabil), structurile formate n procesul de solidificare i rcire sunt n acord cu transformrile indicate de diagramele de echilibru i uor de interpretat. Astfel, fontele hipereutectice ncep solidificare cu separarea cristalelor primare de austenit i o termin cu solidificarea eutectoidului format din austenit i cementit numit ledeburit. La rcirea ulterioar, austenita devine suprasaturat n carbon i n funcie de temperatur separ cementita secundar, conform curbei ES, ajungnd ca la temperatura corespunztoare liniei P.S.K. s conin 0,77 %C; la rcirea sub aceast temperatur, austenita se transform integral n perlit, structura final a fontelor albe hipoeutectice fiind format din cementita secundar, perlit i ledeburit.

Fontele hipereutectice ncep solidificarea cu separarea cristalinelor primare de cementit i se termin cu solidificarea eutecticului ledeburita. La rcirea ulterioar structura fontei i pstreaz acelai aspect pn la temperatura ambiant (cementita primar i ledeburita), singura transformare care se produce fiind aceea a austenitei din ledeburit, care se face dup mecanismul indicat la fontele hipereutectice.

n cazul fontelor cenuii (echilibrul stabil), carbonul separndu-se sub form de grafit, element cu caracter nemetalic, prezena lor influeneaz simitor structurile aliajelor i mecanismul lor de formare, la solidificare i rcire. n primul rnd, grafitul, avnd o structura hexagonal complet diferita de cea a fierului, prezena lui va influena formarea eutectoidului compus din austenit i grafit. Dat fiind deferena mare, din punct de vedere cristalografic, a celor dou faze, n timpul formrii eutectoidului, nu va exista o germinare reciproc, nu se va produce o cretere coerent a celor dou faze i nu va exista un front comun de cristalizare a eutectoidului.

Astfel, germenele de grafit se nate n lichidul eutectic i se dezvolt, la nceput complet liber, formnd o mic lamel de grafit. n imediata vecintate, n lichidul srcit n carbon, se formeaz un cristal de austenit care crete, alturndu-se de lamela de grafit, acoperind-o pe ambele pri. n complexul de cristale care se formeaz, lamelele de grafit nu rmn drepte ci se curbeaz s creasc din lichid att timp ct mai au libere extremitile: - dac au fost nvluite complet de austenit, creterea nceteaz sau continu mai lent prin difuziune (se ngroa). Ca rezultat, produsul care se va forma nu are aspectul tipic de eutectic, fiind socotit eutectic doar prin faptul c cele doua faze din care este format cristalizeaz simultan. n aceste condiii, solidificarea i rcirea dup echilibrul stabil se face n felul urmtor: o font hipoeutectic sub linia ECF, este format din austenit primar i agregatul austenit i grafit; n timpul rcirii care urmeaz, austenita va separa mai nti grafit secundar dup SE i apoi grafit eutectoid la rcirea sub PSK; fenomenul caracteristic care se produce const n faptul c att grafitul secundar, ct si cel eutectoid nu cristalizeaz independent, ci se depun pe grafitul eutectoid preexistent format la terminarea solidificrii, ale crui cristale cresc n continuare, fr posibilitatea identificrii diferitelor feluri de grafit; la temperatura ordinar, structura aliajelor va fi deci format dintr-o mas metalic de ferit n care lamelele de grafit mai mari sau mai mici sunt orientate la ntmplare sau sunt grupate n rozete.

Aceast structur se modific dac apariia nucleelor de grafit se face cu ntrziere, adic necesit o subrcire. n acest caz, numrul germenilor fiind mare, lamelele de grafit formate n acest caz vor fi mici i cu un aspect de eutectic, iar poziia lor va marca n mod vizibil limitele cristalelor primare de austenit, de form dendritic, pe care le nconjoar lichidul eutectic nainte de solidificare. Este structura ntlnit la fontele cenuii hipoeutectice subrcite, iar modul de distribuie a grafitului este numit interdendritic.

n fontele hipereutectice grafitul primar germineaz cu uurin datorit coninutului ridicat de carbon, se dezvolt n faza lichid i de aceea se va putea prezenta sub forma unor lamele drepte bine dezvoltate. n aceste fonte, rolul de nuclee de cristalizare pentru grafitul eutectic l joac, n parte chiar grafitul primar, urmat de germinarea proprie a grafitului eutectic i separarea la rcirea n continuare a grafitului secundar, ca la fontele hipoeutectice. La temperatura ordinar a acestor fonte, structura va fi format din aceleai faze ca la cele hipoeutectice, grafitul primar putnd fi identificat dup forma dreapt a lamelelor, iar grafitul eutectic dup forma de lamele ndoite. Grafitul mai influeneaz mecanismul de formare a structurii fontelor i prin faptul c separarea lui se face cu att mai greu cu ct temperatura este mai joas, iar pentru a avea separarea carbonului numai c grafit este necesar ca, pe msur ce temperatura scade, s se micoreze n acelai timp i viteza de rcire a aliajului. n condiiile practice de lucru, unde nu se poate realiza o asemenea rcire, dac iniial carbonul se separ sub forma de grafit, de la o anumit temperatur, din cauza ineriei de separare a grafitului, se poate produce separarea lui sub forma de cementit, adic modificrile structurale se realizeaz n continuare dup echilibrul metastabil. Dac acest fenomen are loc ncepnd de la circa 800 C, cnd austenita mai conine nc destul carbon (0,8 0,9% C), transformarea eutectoid va produce perlit i n acest caz structura aliajului va fi format din grafit i perlit.

Fontele cu asemenea structur sunt foarte interesante din punct de vedere practic, att pentru faptul c posed proprieti mecanice mai mari (masa metalic de baz din perlit fiind mai rezistent dect cea din ferit), ct i pentru c se preteaz mai bine la aplicarea tratamentelor termice. Obinerea acestei structuri se realizeaz ncepnd cu solidificarea dup echilibrul stabil i terminnd rcirea dup echilibrul metastabil.

7.2.4. Solidificarea aliajelor fier carbon

Se vor considera aliaje fier carbon cu diferite concentraii de carbon (vezi aliajele I VIII, figurile 7.8.), spre a se evidenia cele mai caracteristice transformri.

Aliajul I (fig. 7.10.) cu concentraie n carbon sub 0,02%. Se admite c aliajul se gsete la o temperatur superioar temperaturii liniei lichidus, deci sistemul este format dintr-o soluie lichid cu miscibilitate complet a componenilor. Rcind un asemenea aliaj, curba lui va prezenta diferite inflexiuni ce vor indica apariia transformrilor fazice. Cu ajutorul metalografiei optice, electronice i a razelor X se va identifica natura constituenilor pentru fiecare zona de transformare. De la temperatura de nclzire T pn la punctul l se rcete soluia lichid. n intervalul temperaturii punctelor l i 2 exist 2 faze: lichid Lr i solid . La temperatura punctului l (punctul de intersecie cu linia AB) se separ din soluia lichid primele cristale ale soluiei solide de inserie a carbonului n fierul (Fe +carbon), notat Fe (C) sau simplu .La temperatura punctului 2 (punctual de intersecie cu linia AH) se solidific ntregul lichid i sistemul este format din soluia solid , sectorul 2 ... 3 reprezentnd rcirea soluiei solide .

La temperatura punctului 3 (corespunztoare liniei HN) se separ din soluia o alt soluie solid de inserie a carbonului n Fe (Fe + C), care se va numi austenit. Sectorul 3 4 reprezint rcirea soluiilor solide i A. Austenita se va nota prescurtat cu A sau Fe (C) sau simplu .

La temperatura punctului 4 se transform i restul soluiei solide n austenit, producndu-se mbogirea soluiei solide n carbon dup linia NJ.

n domeniul temperaturilor corespunztoare intervalului 4 5 se rcete austenita. n momentul cnd temperatura este corespunztoare punctului 5 (intersecia cu linia GOS), se creeaz condiiile termodinamice favorabile apariiei unei noi faze. Austenita srcete n carbon i se transform n parte ntr-o nou soluie de inserie a carbonului n Fe (Fe + C), numit ferit i se noteaz prescurtat cu F sau Fe (C) sau simplu .

n domeniul temperaturii punctelor 5 i 6 exist dou soluii solide (ferita i austenita) n echilibru.

La temperatura punctului 6 (intersecia cu linia GP) se creeaz condiiile favorabile de transformare a ntregii cantiti de austenit n ferit. Sub aceast temperatur va fi prezent n structur o singur faz, ferita, cu coninutul n carbon egal cu al soluiei iniiale. Scznd n continuare temperatura la cea corespunztoare punctului 7 (intersecia cu linia PQ), se elibereaz carbon din soluia solida i se formeaz o noua faza Fe3C care se numete cementit teriar CeIII, spre deosebire de cementita ce apare direct din lichid i din austenit.

De la temperatura punctului 7 i pn la temperatura ambiant continu micorarea solubilitii carbonului n Fe, se elibereaz atomii de carbon i crete cantitatea de cementit teriar. La temperatura ambiant vor fi prezentate fazele ferit i cementit (Fe + CeIII).

Aliajul II cu un coninut n carbon de 0,15% are curbura de rcire cu alura din figura 7.11. Pn la temperatura punctului 2 aliajul prezint aceleai transformri c i cele artate la aliajul I, L Lr + .

La temperatura punctului 2 (corespunztoare liniei peritectice HJB) are loc transformarea peritectic

L + A,

adic trecerea soluiei lichide i a celei solide ntr-o nou soluie solid, austenita. n continuare aliajul prezint aceleai transformri ca i aliajul I pn la temperatura punctului 4 (corespunztoare temperaturii eutectoidului), cnd se transform austenita n amestecul mecanic de ferit i cementit care se numete perlit (P).

n mod convenional se va nota cu Fp ferita perlitei i cu Cep cementita perlitei. Ferita perlitei conine 0,02% C, iar cementita perlitei are 6,67% C.

Structura aliajului cu 0,15% C este format din ferita proeutectoid F i perlit.

Aliajul III, cu coninut n carbon ntre 0,51 (0,3%), pn la temperatura peritecticului, este format din fazele n echilibru, lichid i soluie solid (fig. 7.12).

La temperatura peritecticului se va produce transformarea

Lr + Lr + A,

cnd soluia lichid dizolv ntreaga faz i apoi cristalizeaz n parte ntr-o nou soluie solid (austenita) rmnnd i lichid nesolidificat.

Sub temperatura punctului 3 (linia JE) se solidific ntreaga cantitate de lichid i apare austenita.

La temperatura punctului 4 (linia GOS) se separ din austenit o nou faz - ferita - i n structur vor fi prezente austenita netransformat i ferita . Transformrile structurale n continuare au loc c i la aliajul II, ajungndu-se n final la echilibrul fazelor ferita proeutectoid i perlita. Microstructura unui oel cu 0,3% C este format din ferita proeutectoid i perlit. Cantitatea de ferit este mai mic dect n cazul precedent, iar cantitatea de perlit a crescut.

Aliajul IV, cu un coninut de 0,77% C (caracteristic oelurilor eutectoide), are sub temperatura punctului 2 (corespunztoare linie JE) structura format din soluia solida austenita - figura 7.13. Rcirea n continuare pn la atingerea temperaturii eutectoidului, creeaz condiii termodinamice favorabile i austenita trece direct n perlit.

Transformarea eutectoid este caracterizat prin concentraie constant i temperatur constant 0,77%C i 1000K (727C).

Structura oelului cu 0,77% C este format numai din perlit. Mrimea lamelelor de ferit a perlitei i cementit a perlitei este n funcie de viteza de rcire aplicat.

Aliajul V, cu un coninut n carbon de 1,0% caracteristic pentru aliajele cu un coninut ntre 0,7 2,11% C (hipereutectoide), are la temperaturi inferioare punctului 2 o structur austenitic. Rcirea n continuare provoac micorarea coninutului n carbon al austenitei (de la 2,11% la 0,77%) i apare cementita secundar, de-a lungul liniei ES.

La temperatura punctului 4, aliajul sufer transformarea eutectoid i austenita se transform n perlit. Sub temperatura eutectoidului, n structur vor fi prezente: cementita secundar CeII, sub form de reea, i perlita.

Aliajul VI, cu un coninut de 3% C, caracteristic fontelor proeutectice, rcit lent, separ din soluia lichid la temperatura punctului 1 cristale de soluie solida (austenit), iar la atingerea temperaturii punctului 2, TE = 1421 K (1148 C) se creeaz condiii termodinamice favorabile transformrii eutectice. Constituenii structurali n echilibru vor fi austenita A i ledeburita Lb. Rcirea n continuare provoac separarea cementitei secundare din austenit, dup linia SE.

La atingerea temperaturii punctului 3 (temperatura eutectoidului) austenita se transform n perlit i n structur vor fi prezente: perlita, cementita secundar i ledeburita.

n cazul aliajului VII, cu un coninut n carbon de 4,3% (fonte eutectice), la atingerea temperaturii eutectice, din lichid se separ simultan cristale de austenit i cementit care formeaz eutecticul: ledeburita (Lb). Ledeburita este un amestec mecanic format din austenit i cementit la temperatura eutecticului. Austenita ledeburitei conine 2,11% C, iar cementita ledeburitei 6,67% C, Lb = ALb+CeLb.

La temperaturi sub A13 austenita ledeburitei se transform n perlit i la temperatura ambiant structurala va fi format din perlit i cementit.

Aliajul VIII, cu un coninut de 5% C, caracteristic fontelor hipereutectice, la atingerea temperaturii punctului 1 (linia CD) separ din lichid cristale de cementit, care se va numi cementit primar CeI.

La temperatura eutecticului, n structur vor fi prezente cementita primar i eutecticul ledeburita (CeI+Lb). Rcirea n continuare provoac transformri n stare solid. Sufer transformri austenita ledeburitei, care se descompune, i sub temperatura A13 se transform n perlit. La temperatura ambiant constituenii n echilibru vor fi ledeburita i cementita primar.

S-a artat mai nainte c de-a lungul linilor A3 se separ ferita proeutectoid, iar de-a lungul liniei Acem, se separ cementita secundar. Existena liniei Acem poate fi interpretat n felul urmtor: n punctul E, reeaua austenitei, coninnd 2,11% C, este dilatat n raportul 77/52 (raza atomului de C i raza unor goluri). Cnd temperatura scade, reeaua se contract i expulzeaz atomi de carbon.

Existena liniei A3 este o consecin a transformrii alotropice Fe Fe. De fapt, cnd temperatura scade, transformarea alotropic are tendina de a se produce, se separ treptat ferita care conine foarte puin carbon, iar austenita se mbogete n carbon pe msur ce transformarea se desfoar i n momentul cnd s-a atins punctul S, austenita bogat n carbon d natere perlitei. Din cele artate se poate vedea c aliajele fier-carbon care se solidific dup sistemul metastabil, prezint la temperatura ambiant dou faze: ferita i cementita, iar forma i amplasarea lor este diferit n funcie de relaiile de cristalizare primar sau secundar.

7.2.5. Calculul cantitativ al constituenilor structurali dintr-un aliaj fier-carbon

a. Calculul analitic

Pentru a determina cantitatea constituenilor structurali pentru diferite aliaje fier-carbon se va utiliza regula orizontalei (fig. 7.8.).

1) Se cere cantitatea procentual a constituenilor structurali ai unui oel eutectoid. Segmentele determinate de intersecia liniei de concentraie cu izoterma la 293 K (20 C) au valorile:

m1 = 0,8-0,006 = 0,794; n1 = 6,67-0,8 = 5,87

GF =(n1/m1+n1)(100=(5,87/5,87+0,794) (100=(5,87/6,664) (100=88,2% ferita

GCe =(n1/m1+n1) (100=(0,794/0,664)v100=11,8% cementita

2) Se cere s se calculeze cantitile de cementit i de austenit descompus ale ledeburitei.

m2 =2,24; n2 =2,37

GALe =(n2/m2+n2) (100=(2,37/4,61) (100=51,40% austenita descompus

GCeLe =(m2/m2+n2) (100=(2,24/4,61) (100=48,60% cementita ledeburitei

3) S se determine coninutul de ferit i perlit la temperatura ambiant a unui oel cu 0,3% C.

m3=0,294; n3=0,5;

GF =63% ferita ; Gp =37% perlita.

4) S se calculeze cantitile de cementit secundar i perlit ale unui oel cu 1% C. m4=0,2; n4 =5,67; Gp =96,5% perlit; GCeII =3,5% cementit secundar.

5) S se calculeze cantitile de perlit, cementit secundar i ledeburit coninute de o font cu 3% C.

La 1425 K (1148 C) sunt prezente fazele: austenita A i ledeburita Le;

m5 =3-2,06=0,94; n5=4,3-3=1,3;

GA =(1,3/1+1,3) (100=(1,3/2,3) (100=56,6% austenita

GLe =(0,94/1+1,3) (100=(0,94/2,5) (100=43,4% ledeburita

Dac nu se ia n considerare cementita secundar provenit din descompunerea ledeburitei i se consider numai cea dat din austenit, atunci cantitatea ei va fi:

- dup exemplul 4 de calcul se poate stabili c 100% austenit va elibera 21% cementit secundar. Printr-o regula de trei simpl se stabilete cantitatea de cementit secundar provenit din austenita fontei cu 3% C.

100....21 x = 11,86% cementit secundar. 56,5.x

Va rmne la 1000 K (727 C) urmtoarea cantitate de austenit nedescompus:

55,5 - 11,86 = 44,64, care se va transforma sub temperatura eutectoidului, deci o font cu 3% C va avea la temperatura ambianta 43,5% ledeburit, 44,64% perlit i 11,86% cementit secundar.

6) Care sunt cantitile de cementit primar i ledeburit ale fontei cu 5% C;

m6=0,7; n6=1,67; GCeI =29,5% i GLe =70,5% la ledeburit.

GLe= (n6/m6+n6) (100=(1,67/0,7+1,67) (100=70,5% ledeburit.

b) Construirea diagramei constituenilor structurali

Scriind n ordonat coninuturile procentuale ale constituenilor, iar pe abscis concentraiile aliajelor fier-carbon, se obine diagrama constituenilor structurali (fig. 7.18), care are la baz calculele analitice dup modelul celor de mai sus.

Aliajele cu un coninut de 0; 0,77; 4,3 i 6,67% C vor fi formate dintr-un singur constituent (deci va fi reprezentat 100%), ferita linia ab, perlita linia cd, ledeburita linia mn i cementita linia pq. ntre aceste concentraii variaia cantitii constituenilor structurali este liniar.

Domeniul cementitei secundare se delimiteaz unind punctele C, q i punctual i (intersecia ei cu linia concentraiei de 2,11% C) cu punctul m. Diagonala aq separ domeniul fazei feritice de cel al fazei cementitice.

Determinarea cantitii fazelor se poate face trasnd o vertical corespunztoare aliajului considerat i punctele de intersecie ale ei cu liniile din diagram, indicnd participarea procentuala a fazelor sau constituenilor n structura aliajului respectiv. n aliajul x cu un coninut de 1,5% C, structura este format din perlit - segmental lr, ferit - segmental kr , cementit secundar - segmental ls , cementita total - segmental ks , cementita perlitei - segmental kl.

7.3. INFLUENA ELEMENTELOR DE ALIERE ASUPRA

NSUIRILOR FIERULUI I ALIAJELOR FIER-CARBON

7.3.1. Consideraii generale

Adugarea elementelor de aliere n oeluri influeneaz transformarea alotropic a fierului, microstructurile i punctele critice ale diagramei de echilibru Fe-Fe3C.

Studierea fazelor ce exist n diagrama polinar Fe-C-E pretinde cunoaterea comportrii elementelor de aliere fa de carbon i fa de soluiile solide.

Fa de afinitatea elementelor de aliere n raport cu carbonul, ele se pot grupa n:

- elemente de aliere care nu formeaz carburi n oeluri. Principalele elemente sunt nichelul, aluminiul, cuprul, cobaltul. Aceste elemente de fapt se dizolv n austenit sau ferit, substituind atomii de fier;

- elemente care formeaz carburi stabile (EmCn) nemiscibile cu cementita. Din aceast grup fac parte titan, vanadiu, zirconiu, niobiu etc.;

- elemente care formeaz carburi mixte cu fierul, aceste curburi fiind stabilite ntr-o anumit gam de temperaturi i chiar la temperatura ambiant. Astfel de elemente au raza atomic aproape egal cu a fierului i formeaz carburi a cror formul general este (Fe, E)mCn, n care o parte din fier poate fi nlocuit cu o fraciune corespunztoare de elemente de aliere dnd o cementit aliat. Principalele elemente din aceasta grupa sunt: mangan, crom, molibden, wolfram, etc;

n tabelul 7.3. se prezint diferite carburi ale elementelor de aliere i sistemul lor de cristalizare.

Tabelul 7.3

Carburile se pot descompune parial sau total la temperaturi ridicate sau se dizolv n austenit. n acest caz, ele se refac n cursul rcirii cu o vitez mic.

Afinitatea elementelor de aliere fa de carbon, sau n ali termeni tendina de a forma carburi, este de fapt o proprietate relativ. De exemplu, wolframul adugat n cantitate mic n oeluri cu coninut ridicat n carbon, se afl inclusiv sub form de carbur, din contra prezena lui n cantitate mare n oeluri cu coninut sczut n carbon face s se dizolve aproape n ntregime n ferit. De asemenea, un element a crui afinitate pentru carbon este relativ mic, se dizolv aproape complet n ferit ntr-un oel cu coninut ridicat de carbon, dac acest oel conine i un alt element cu afinitate mai mare pentru carbon. Aa e cazul cromului n cantitate mic, a wolframului i a molibdenului, care n prezena titanului se dizolv n ferit atunci cnd coninutul n carbon nu este suficient de mare pentru a forma diverse tipuri de carburi.

Se precizeaz c cuprul are comportare particular. Solubilitatea lui n ferit fiind limitat, el are tendina de a se grupa dup anumite plane cristalografice pentru a forma, dac-i abundent, zone de cupru.

Este posibil de a determina experimental tendina relativ a elementelor de aliere de a forma carburi, dar distribuia lor real ntre diferite faze va fi dependent de coninutul n carbon al oelului pentru o anumita compoziie considerat.

Pentru a fixa ideile se prezint n tabelul 7.4. cteva indicaii asupra comportrii elementelor de aliere n oeluri n stare recoapt, aceste date fiind aproximative.

Tabelul 7.4.

Repartiia elementelor de aliere n oeluri

Elementen soluie

n feritaSub form de carburiSub form de incluziuni nemetalice

Ni

Si

Al

Co

Mn

Cr

W

Mo

V

Ti

P

SX

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

XX

X

X

X

X

X

SiO2MxOyAl2O3MnS, (MnFe)O, MnO

CrxOyVxOy

Ti xOy

MnFeS, ZrS

n oelurile cu coninut sczut n carbon, carburile se prezint sub form de cementit (Fe3C), care cristalizeaz n sistemul ortorombic i de ferit, unde difuziunea atomilor este mai uoar.

Dac oelurile conin i elemente cu afinitate mare pentru carbon (mai mare dect pentru fier), acest element se poate substitui unor atomi de fier din cementit. Cnd coninutul n acest element crete, apare un moment cnd cementita este suprasaturata i atunci se modific reeaua cristalin. Astfel, n oelurile cu coninut ridicat n crom se ntlnesc carburile:

- cementita ortorombic (FeCr)3C care poate s conin 25% crom;

- carbura (FeCr)7C3 care cristalizeaz n sistemul hexagonal i conine 36% crom;

- carbura (FeCr)4C care aparine sistemului cubic i conine 70% crom.

Unele elemente de aliere reacioneaz ntre ele sau cu oxigenul, sulful, fosforul i formeaz compui chimici sau intermetalici, care vor influena proprietile mecanice ale oelului.

7.3.2. Influena elementelor de aliere asupra diagramei de echilibru Fe-Fe3C

Pentru a simplifica expunerea se va studia mai nti influena fiecrui element de aliere asupra transformrii alotropice a fierului i apoi asupra diagramei de echilibru.

7.3.2.1. Influenta elementelor de aliere asupra transformrii alotropice.

La studiul diagramei fier-cementit s-a artat c reeaua Fe (0% C) este cubic cu fee centrate, n domeniul temperaturii de 9121394 C. Este de ateptat ca elementele care cristalizeaz n acelai sistem cristalin i au parametrii reelei egali sau foarte apropriai de ai Fe s se dizolve n acesta. De asemenea, e logic s se presupun c aceste elemente vor stabiliza Fe, adic ntrzie sau se opun transformrii reelei cristaline.

Fe cristalizeaz n sistemul cubic centrat i este stabil sub 912 C. Este de ateptat ca elementele de aliere ce au acelai sistem cristalin i parametrii reelei de acelai ordin, s se dizolve n Fe i, ca urmare, sa-l stabilizeze i s ridice temperatura transformrii.

Experiena confirm de fapt ipotezele precedente. Astfel, cromul, wolframul, molibdenul, vanadiul, care cristalizeaz n sistemul cubic centrat, ridic punctul A3 , stabilizeaz Fe i sunt numite elemente alfagene iar nichelul, cuprul, care cristalizeaz n sistemul cu fee centrate coboar acest punct i stabilizeaz pe Fe i sunt numite elemente gamagene. La acestea dou din urm se poate adaug manganul, care cristalizeaz n sistemul tetragonal cu fee centrate i care are parametrii reticulari apropiai de ai fierului. Astfel, austenita are a=b=c=3,64 A i manganul are a=3,77 A, B=5,53 A.

Se ntlnesc i doua excepii, siliciul (sistem cubic diamant) i aluminiul (sistem cubic cu fee centrate) care se dizolva n Fe i ntrzie transformarea .

n rezumat, se poate prezenta influena elementelor de aliere asupra transformrii alotropice sub forma unui tabel 7.5 i a diagramelor din figurile 7.37 i 7.38.

Tabel 7.5

Sisteme de cristalizare a unor elemente de aliere

Elemente gamageneElemente alfagene

DenumireSistem de cristalizareDenumireSistem de cristalizare

Ni

Cu

MnC.F.C.

C.F.C.

Tetragonal cu fee centrateCr

W

V

Mo

Si

AlC.C.

C.C.

C.C.

C.C.

Cubic diamant

C.F.C.

Transformarea alotropic a fierului pentru coninuturi cresctoare n elemente gamagene se situeaz la temperaturi din ce n ce mai joase. Peste un anumit coninut de elemente gamagene se poate obine un aliaj fier-element de aliere cu sistem cristalin cu fee centrate i la temperatura ambiant (fig. 7.37.).

Crescnd coninutul n elemente de aliere alfagene se modific transformarea , n sensul c A3 se ridic, iar A4 coboar. Peste coninutul de x% elemente alfagene cele doua puncte se confund i transformarea alotropic nu mai are loc i solidul cristalizeaz n sistemul cubic centrat (fig. 7.38.).

Fig. 7.37. Influena elementelor de aliere Fig. 7.38. Influena elementelor de aliere

gamagene asupra transformrii alotropice alfagene asupra transformrii alotropice

a fierului

a fierului

Existena unor regimuri cu doua faze ( i ) ntr-un anumit domeniu de temperaturi este o consecin a ineriei transformrii. De fapt, transformarea alotropic necesit o reorganizare a reelei, care poate avea loc prin intermediul difuziunii, ceea ce necesit un anumit timp.

7.3.2.2. Influena elementelor de aliere asupra diagramei Fe-C-element de aliere.

7.3.2.2.1. Influena elementelor de aliere gamagene. Deoarece pentru tratamente termice prezint interes transformarea alotropica , se va analiza influena elementelor de aliere gamagene n acest domeniu al diagramei. De fapt, elementele gamagene coboar temperatura punctelor A3 i A1 i deplaseaz punctual S spre stnga (fig. 7.39.).

Fig. 7.39. Influena elementelor de aliere gamagene

Fig. 7.40. Influena elementelor de aliere alfagene

asupra liniilor de echilibru ale diagramei Fe C

asupra liniilor de echilibru ale diagramei Fe - C

Pentru coninuturi din ce n ce mai ridicate n elemente de aliere gamagene punctele critice A3 i A1 pot atinge sau cobor sub temperatura ambiant i n aceste condiii oelul va fi n ntregime austenitic i proprietile lui mecanice vor depinde nc de coninutul n carbon, dar nu n aceeai manier, c la oelul carbon. De fapt, proprietile mecanice vor fi n funcie de mrimea gruntelui de austenit i de natura carburilor.

Dac eutectoidul unui oel aliat corespunde de exemplu la 300 C i 0,26% C, la rciri moderate austenita, n mod normal, ar trebui s se transforme n perlit. La aceast temperatur, difuziunea carbonului este foarte mic (sau chiar nul) i, ca urmare, austenita se transform n martensit i structura va fi format din martensit i carburi (oel martensitic).

Dac acelai oel sufer o rcire cu vitez mare, carbonul nu are timp s difuzeze deloc (de la temperatura de austenitizare i pn la temperatura ambiant), nu se formeaz carburi, austenita are stabilitate mare i se pstreaz i la temperatura ambiant. Oelul este tenace, oel austenitic.

Exemplul care a fost prezentat mai sus pune nc accent asupra difuziunii carbonului n transformarea austenitei.

7.3.2.2.2. Influena elementelor de aliere alfagene. Elementele de aliere din aceast grup utilizate curent n practic, ridic temperatura linilor de transformare ale diagramei Fe-Fe3C. Elementele alfagene pot fi ns grupate n dou categorii, dup modul n care acioneaz asupra concentraiei eutectoidului. Elementele aluminiu, cobalt deplaseaz eutectoidul spre dreapta, iar cromul, wolframul, vanadiul, siliciul l deplaseaz spre stnga.

Dat fiind utilizarea mai mare i curent a cromului, wolframului i siliciului se va insista mai mult asupra lor. Pe msur ce crete coninutul lor n oeluri, liniile de transformare se vor deplasa spre temperaturi mai ridicate i eutectoidul se va deplasa spre coninuturi mai mici n carbon (fig. 7.40.).

Adugnd cantiti din ce n ce mai mari de elemente de aliere alfagene (a,b,c), se deplaseaz liniile de echilibru A1, A3, Acem spre temperaturi mai ridicate, crete domeniul de stabilitate al feritei, iar punctul S se deplaseaz spre stnga, eutectoidul avnd concentraii mai mici n carbon.

La concentraii mai mari n aceste elemente de aliere, oelul are structur feritic pn la temperatura de topire i ca urmare nu poate fi supus tratamentelor termice.

Fig. 7.41. Influena elementelor de aliere

Fig. 7.42. Influena elementelor de aliere

asupra concentraiei eutectoidului

asupra temperaturii eutectoiduluiInfluena principalelor elemente de aliere asupra temperaturii i concentraiei eutectoidului poate fi prezentat sub form de grafice. Graficele reproduse n figurile 7.41 i 7.42 nu au valabilitate dect pentru aliajele fier-carbon care conin un singur element de aliere.

Cu excepia aluminiului, cobaltului, cuprului, toate elementele de aliere micoreaz concentraia eutectoidului (fig. 7.41.).

Elementele alfagene ridic temperatura eutectoidului, iar cele gamagene coboar temperatura eutectoidului (fig. 7.42.).

Influena elementelor de aliere asupra temperaturii punctelor critice poate fi evideniat i cu ajutorul unor relaii empirice, valabile pentru oeluri slab aliate. Astfel:

Ac1 = 996 + 28Si + 15Cr - 5Mn - 10Ni, [K]

Ac3 = 1127 - 180C - 14Mn - 18Ni + 45Si + 1,7Cr, [K].

Fig. 7.4. Transformrile alotropice ale fierului, ca efect al interseciei curbelor de variaie cu temperatura a energiei libere

Fig. 7.5. Constantele reticulare pentru diferite forme alotropice ale fierului

Fig. 7.9. Zonele de transformare n stare solid

la oeluri

Fig. 7.10. Solidificarea aliajului cu 0,01 %C

Fig. 7.11. Solidificarea aliajului cu 0,15% C

Fig. 7.12. Solidificarea aliajului cu 0,3% C

Fig. 7.13. Solidificarea aliajului cu 0,77% C

Fig. 7.14. Solidificarea aliajului cu 1,00% C

Fig. 7.15. Solidificarea aliajului cu 3,00% C

Fig. 7.16. Solidificarea aliajului cu 4,3% C

Fig. 7.17. Solidificarea aliajului cu 5,00% C

Fig. 7.18. Diagrama constituenilor structurali

_1265472338.dwg

_1265473302.dwg