نمودار تعادلی آهن و کربن

نمودار تعادلی آهن و کربن

اسلاید 1: نمودار تعادلي آهن وكربن FE-C مهندس امید ابراهیمی www.metallurgha.ir

اسلاید 2:

اسلاید 3: INTRODUCTIONفولادها گروهي از آلياژهاي آهن- كربن وعناصر ديگرند كه بيشترين كاربرد را در صنعت دارند. يكي از مهمترين دلايلي كه فولادها كاربرد زيادي در صنعت دارند اين است كه مي توان به وسيله روشهاي مختلف عملياتهاي حرارتي طيف وسيعي از خواص گوناگون را در فولادها به وجود آورد.به عنوان مثال اگر فولادي با 8./ درصد كربن را به مدت 24 ساعت در 1000 درجه سانتي گراد حرارت دهيم و سپس به آهستگي در طول 24ساعت آن را به دماي 25 درجه سانتيگراد برسانيم وسرد كنيم آنگاه فولاد يادشده داراي استحكام تسليم 448 مگا پاسكال خواهد بود. حال اگر همان فولاد را يك ساعت در دماي 1000 درجه سانتيگراد حرارت دهيم و سپس خيلي سريع آن را به وسيله آب تا دماي 25 درجه سانتي گراد سرد کنیم آنگاه استحكام تسليم فولاد ياد شده تا 2070 مگا پاسكال افزايش يافته و انعطاف پذيري تا 1درصد كاهش مي يابد.پس مي توان به اين نتيجه رسيد كه كاربرد وسيع فولادها ناشي از خواص كاملأ متنوع آنهاست كه به كمك تغيير درصد كربن ودرصد عناصر آلياژي ويا تغيير نوع عمليات حرارتي امكان پذير است.

اسلاید 4: نمودارتعادلي آهن- كربن(Fe-C) :نمودار تعادلي آهن كربن راهنمايي است كه به كمك آن مي توان روشهاي مختلف عمليات حرارتي را بررسي ومطالعه كرد. شكل شماره 1 نمودار آهن كربن را براي درصدهاي مختلف كربن از صفر تا 7 درصد نشان ميدهد. فولادها آلياژهاي آهن كربن و عناصر ديگر بوده كه داراي كمتر از 2 درصد كربن هستند. بنابراين قسمتي از نمودار كه داراي كمتر از 2 درصد كربن است بيشترين اهميت را درباره عمليات حرارتي فولادها دارد. آلياژهايي كه بيشتر از 2 درصد كربن داشته باشند به چدن موسوم اند. شكل شماره 1 در واقع شامل دونمودار است .خط ممتد، تعادل بين فازهاي مختلف آهن و سمنيت(Fe3-C) و خط منقطع تعادل بين فازهاي مختلف آهن وگرافيت يا كربن آزاد را مشخص مي كند.نمودارآهن – سمنيت جهت مطالعه و بررسي عمليات حرارتي فولادها مناسبتراست و در مقابل عملیات حرارتی چدنها بيشتر براساس نمودار آهن- گرافيت استوار است.

اسلاید 5: شكل شماره 1

اسلاید 6: ساختار بلوري وخواص آهن خالص:آهن عنصري چند شكلي است. بدين معني كه در فشار يك اتمسفر با افزايش دما شبكه بلوري آهن تغيير مي كند. گستره هاي حرارتي مربوط به پايداري شبكه هاي بلوري مختلف آهن بر روي محور عمودي در سمت چپ نمودارنشان داده شده است.

اسلاید 7: آلوتروپ هاي آهن: آهن آلفا يا آهن فريتيآهن گاما يا آهن آستنیتيآهن دلتا

اسلاید 8: آهن آلفا:آهن آلفا يا آهن فريتي: يكي از آلوتروپ هاي آهن مي باشد. اين آلوتروپ از دماي 273- درجه سانتي گراد تا 912 درجه سانتي گراد پايدار است .اين آلوتروپ داراي ساختمان بلوري مكعبي با مركز پر است (b.c.c). ثابت شبكه آهن آلفا فرومغناطيس 86/2 انگستروم است . جمع كل اتمهاي واحد در شبكه b.c.c برابر است با يك اتم در مركز مكعب به علاوه از 8 اتم موجود در گوشه هاست كه برابر 2 اتم مي شود. آهن آلفا،‌تا دماي 770 درجه سانتيگراد خاصيت آهنربايي دارد واز اين دما بالاتر تا دماي 912 درجه سانتيگراد اين خاصيت خود را از دست مي دهد. دماي 770 درجه سانتيگراد به دماي كوري موسوم است . آهن با شبكه بلوريb.c.c كه خاصيت آهنربايي ندارد (770-912) به آهن بتا موسوم است .در شبكه b.c.c فاصله اتمهايي كه در رئوس قرار گرفته اند با اتم مركزي برابر با نصف قطر اصلي يا است . (شكل شماره 2).

اسلاید 9: شكل شماره 2

اسلاید 10: آهن گاما: يكي ديگر از آلوتروپ هاي آهن مي باشد كه دردماي 912 تا 1394 درجه سانتيگراد پايدار است. اين آلوتروپ داراي ساختمان بلوري مكعبي با سطوح مركز دار است (f.c.c) .ثابت شبكه آهن گاما 56/3 انگستروم است بنابراين بزرگتر از ثابت شبكه آهن آلفا است به همين دليل چگالي اين آهن از آهن آلفا بيشتر است.آهن گاما خاصيت آهنربايي ندارد.جمع كل اتمهاي واحد در شبكه f.c.c براست با 1/8از 8 اتم در رئوس به علاوه 1/2از 6 اتمي كه مركز هر يك از وجوه وجود دارد كه مجموعأ 4 اتم مي شود.در شبكه f.c.c فاصله مراكز اتمهاي همسايه از يكديگر برابر است ( شكل شماره3).

اسلاید 11: شكل شماره 3

اسلاید 12: آهن دلتا:يكي ديگراز آلوتروپ هاي آهن و آخرين فازي است كه ممكن است در آهن خالص وجود داشته باشد. اين آلوتروپ از دماي 1394 درجه سانتيگراد تا نقطه ذوب آهن خالص يعني 1538 درجه سانتي گراد پايدار است .اين آلوتروپ داراي ساختار بلوري مشابه با آهن آلفا است (b.c.c) .آهن دلتا داراي خاصيت آهنربايي است . ثابت شبكه آهن دلتا اندكي بزرگتر از آهن آلفا است. ثابت شبكه آهن دلتا برابر با 93/2 انگستروم است.

اسلاید 13: مكانيزم آلياژشدن: معمولأ آلياژهاي فلزي با مخلوط كردن فلزات مربوطه درحالت مذاب شكل مي گيرند.دومكانيزم متداول براي آلياژ سازي عبارتند از :1-جانشيني اتمها2- بين نشيني اتمهادر مكانيزم اول اتمها از يك شبكه اتمي به شبكه ديگر منتقل مي شوند به عنوان نمونه مي توان از سيستمcu-ni نام برد كه در آن جاي اتمهاي نيكل و مس با هم عوض مي شوند. براي مكانيزم بين نشيني لازم است اختلاف اندازه اتمهاي عناصر آلياژي ‌زياد باشد براي مثال نسبت اندازه اتم كربن به آهن برابر1به30 است. به همين دليل بين نشيني اتمهاي كربن در شبكه اتمي آهن خيلي راحت است .

اسلاید 14: تاثير كربن براجزاي آهن:از نظرمهندسي وصنعتي آهن خالص عليرغم آلوتروپيك بودن فلزي بي مصرف است. كربن عنصر آلياژي اصلي براي آهن است كه به پديده آلوتروپيك بودن آن اهميت مي بخشد وآنرا به ماده اي به نام فولاد تبديل مي كند .اضافه كردن كربن به آهن اثرات بسيار مهمي بر روي فازهاي آهن وهمچنين دماهاي تعادلي آنها دارد. از جمله مشخصه هاي بارز نمودار تعادلي آهن كربن عبارت است از تفاوت توانايي آهنهايb.c.c و f.c.c در انحلال كربن است .كربن در آهن آلفا تقريبأ نامحلول است ولي كاملأ در آهن گاما حل مي شود. مكانهاي بين نشيني (فضاي بين اتمها‌) در شبكه f.c.c نسبت به شبكه b.c.c براي بين نشيني اتمهاي كربن مناسبتر است. اين برتري به بزرگ بودن جاهاي خالي در شبكه f.c.c مربوط مي شود.

اسلاید 15: فازهاي حاصل ازاضافه كردن كربن:1- آستنيت:آستنيت عبارت است از محلول جامد بين نشيني كربن در آهن با شبكه بلوري مكعبي با وجوه مركز دار(f.c.c).كربن با وارد شدن در شبكه بلوري آهن آستنيتي،‌ناحيه تشكيل و پايداري آستنيت را در فولادها گسترش ميدهد.حداكثر حلاليت كربن در آستنيت در دماي 1148 درجه سانتي گراد است كه به 11/2 درصد مي رسد.درشبكه بلوري f.c.c دو نوع فضاي خالي بين نشيني وجود دارد. اين فضاها به هشت وجهي و چهاروجهي موسوم اند (شكل شماره 4) اتم كربن اگر در يك فضاي هشت وجهي قرار گيرد داراي 16 اتم آهن درمجاور خود واگردر يك فضاي چهاروجهي قرار گيرد داراي 14 اتم آهن در مجاور خود خواهد بود. يك فضاي هشت وجهي قادر است اتمي به شعاع52/0 انگستروم(nm052/0) را درخود جاي دهد . درحالي كه يك فضاي چهار وجهي مي تواند اتمي به شعاع 28/0 انگستروم(nm028/0) را درخود بپذيرد. با توجه به اينكه شعاع اتمي كربن برابر با 7/0 انگستروم(nm07/0) است،‌ پس فضاي هشت وجهي راحت تر از فضاهاي چهاروجهي مي تواند اتمهاي كربن را درخود جاي دهد .

اسلاید 16: شكل شماره 4

اسلاید 17: فازهاي حاصل ازاضافه كردن كربن:2- فريت:محلول جامد بين نشيني كربن در آهن با شبكه بلوري مكعب مركز دار(b.c.c) به فريت موسوم است.حلاليت كربن در آهن فريتي (b.c.c) به مراتب كمتر از حلاليت آن در آهن آستنيتي (f.c.c) است . به طوري كه حد حلاليت كربن در فريت حداكثر 02/0درصد در 727 درجه سانتيگراد است كه باكاهش دمابه طور پيوسته كاهش يافته ودر دماي اتاق به مقدارناچيزي خواهد رسيد.مشابه با آهن با شبكه f.c.c در آهن باشبكه b.c.c نيز دو نوع فضاي بين نشيني يكي هشت وجهي و ديگري چهار وجهي وجود دارد . (شكل شماره 5). از آنجايي كه فضاهاي بين نشيني در فريت بسيار كوچكتر از آستنيت اند،‌ حد حلاليت كربن در فريت بسيار كمتر از آستنيت است .درفريت يك فضاي هشت وجهي ميتواند اتمي به شعاع 19/0 آنگستروم ويك فضاي چهاروجهي مي تواند اتمي به شعاع 35/0 انگستروم را درخود جاي دهد .لازم به ذكراست كه فضاهاي هشت وجهي در فريت متقارن نيستند و بنابراين هنگامي كه يك اتم كربن در فضاهاي يادشده قرار گيرد فقط اتمهاي با فاصله را شديدا جابه جا مي كند ونه اتمها با فاصله را. مشخص شده است كه در فريت اتمهاي كربن ترجيح ميدهند كه در فضاهاي هشت وجهي قرار گيرندو بنابراين انبساط زيادي در شبكه به وجود مي آورند.

اسلاید 18: شکل شماره 5

اسلاید 19: فازهاي حاصل ازاضافه كردن كربن:3- كاربيد آهن(سمانيت)در صورتي كه درصد كربن در فولادها بيشتر از حد حلاليت آن در آستنيت و يا فريت باشد فاز جديدي موسوم به كاربيد آهن يا سمانيت به وجود مي آيد .كاربيد آهن فازي كاملأ متفاوت از محلولهاي جامد فريب وآستنيت است .اين فاز تركيبي با نسبت ثابت ومشخص يك اتم كربن و سه اتم آهن است كه داراي 67/6 درصد كربن بوده و به صورت نشان داده مي شود.ساختار بلوري سمنتيت بسيار پيچيده است وروشهاي مختلفي جهت نمايش ترسيمی آن وجود دارد كه يكي ازآنها را در شكل شماره 6 مشاهده مي كنيد . همچنانكه در اين شكل مشاهده مي كنيد سمنتيت داراي شبكه بلوري مكعب مستطيل با پارامترهاي شبكه a=0/452 nm و b=0/509 nm و c=0/674 nm است . واحد شبكه سمنيت داراي 12 اتم آهن و 4 اتم كربن است.در سمانتيت پيوند بين اتمهاي آهن كاملأ فلزي است . به بيان ديگر كربن و آهن هر دو شبيه فلزات عمل مي كنند ومجموع اين شرايط است كه به سمنيت خواص خوب هدايت الكتريكي وحرارتي وجلاي فلزي مي دهد.

اسلاید 20: دماي ذوب سمانتيت درحدود 1250 درجه سانتيگراد است و برخلاف آهن تغييرات آلوتروپيك ندارد ولي در دماهاي پايين به مقدار بسيار كم داراي خاصيت آهنربايي بوده اما در اثر حرارت دادن تا 217 درجه سانتي گراد خاصيت آهنربايي خود را از دست مي دهد . سختي سمنتيت بسيار بالاست( بيشتر از 800 برینل) و انعطاف پذيري آن فوق العاده كم (عملأ صفر) است . بديهي است كه خواص ياد شده ناشي از ساختار پيچيده شبكه بلوري سمنتيت است.(شکل شماره 6)سمانتيت تركيبي ناپايدار است و تحت شرايط خاصي تجزيه شده و كربن آزاد(گرافيت) توليد مي كند.

اسلاید 21: شکل شماره 6

اسلاید 22: دسته بندي فولادها براساس درصد كربن: همانگونه كه قبلأ نيز بحث شد در فولاد تنها سه فاز فريت، آستنيت، سمانتيت وجود دارد ولي بسته به نوع عمليات ساختارهاي متفاوتي مي تواند وجود داشته باشد.فولادهاي هيپواتكتوئيد: فولادهايي هستند كه كمتر از 8/0 درصد كربن دارند. (شكل شماره 7)فولادهاي اتكتوئيد: فولاد كربني است كه تقريبأ 77/0 درصد كربن دارند (شكل شماره 7)فولادهاي هيپراتكتوئيد: اين فولاد تقريبأ 8/0 درصد تا 2درصد كربن دارد (شكل شماره 7)

اسلاید 23: شكل شماره 7

اسلاید 24: دماهاي بحراني:فصل مشترك هاي بين نواحي فازي مختلف در نمودار تعادلي آهن كربن مشخص كننده دماي تعادلي دگرگونيهاي مختلفي اند كه ممكن است در آلياژهاي آهن – كربن انجام شود. دماهاي دگرگوني اغلب به دماهاي بحراني موسوم اند وعبارتنداز دماهايي كه تغييراتي در انتقال حرارت و يا حجم نمونه دراثرگرمايش يا سرمايش ملاحظه مي شود.در گرم كردن هنگامي كه فريت و سمنتيت توسط ساختار بلوري متراكم فاز آستنيت جايگزين مي شود، حرارت آزاده شده وانبساط در نمونه مشاهده مي شود.دماهاي بحراني كه در نمودار تعادلي آهن كربن وجود دارد و از نظر عمليات حرارتي داراي اهميت هستند عبارتند از :A1: مرز ناحيه دو فازي فريت- سمنتيت و يكي از نواحي دوفازي فريت- آستنيت و يا سمنتيت – آستنيت A3: فصل مشترك ناحيه دوفازي فريت- آستنيت وناحيه تكفازي آ‌ستنيت است.Acm: فصل مشترك بين ناحيه دوفازي سمنتيت- آستنيت و ناحيه تكفازي آستنيت است.

اسلاید 25: ریز ساختارهای مختلف فولاد:فریتآستنیتسمنتیتلدبوریتپرلیتبینیتمارتنزیت

اسلاید 26: فِریت:به محلول جامد از نوع بین‌نشینی کربن در آهن آلفا α-Fe فِریت گفته می‌شود.حداکثر غلظت کربن در فریت حدود0.2 درصد وزنی و در دمای727 درجه سانتیگراد است.مقاومت کششی فریت در حدود 40000 (psi) است.

اسلاید 27: آستنیت:به محلول جامد از نوع بین نشینی کربن در آهن گاما آستنیت گفته می‌شود.حداکثر حلالیت کربن در آهن گاما، 2 درصد در دمای 1147 درجه سانتیگراد است. آستنیت در دمای محیط پایدار نیست.

اسلاید 28: سِمِنتیت: سِمِنتیت یا کاربید آهن یک ماده مرکب شیمیایی به فرمول شیمیایی Fe3C دارای ‎6.67 درصد کربن است. سمنتیت فازی بسیار سخت و شکننده است. حدس زدن این مورد شاید آسان باشد. این لغت برگرفته از کلمه Cement در زبان انگلیسی به معنای ماده ای است که مواد مختلف را به هم می چسباند، می باشد. در سال 1855 Osmond و Werth تئوری سلولی را ارائه دادند که در آن نه تنها وجود گونه های آلوتروپیک آهن( که امروزه به نام آستنیت و فریت معروف هستند) را پیشنهاد دادند، بلکه در این تئوری نگاه تازه ای به تشکیل کاربید ها شده بود. تحقیقات آنها در خصوص فولادهای پرکربن نشان داد که مخلوطی شامل سلولهای و دانه های آهن وجود دارد که توسط لایه ای از کاربید آهن محصور شده است.در حین انجماد ابتدا گلبولها یا سلولهای آهن تشکیل شده و رشد می کنند و باقیمانده مذاب به صورت کاربید آهن منجمد می شود. بدین ترتیب کاربید تشکیل شده با قرار گرفتن در اطراف سلولهای قبلی شکل گرفته، آنها را به هم می چسباند. از این شرح می توان دریافت چرا Osmond کاربید تشکیل شده را از لغت فرانسوی Ciment نامگذاری کرد. این فاز در زبان آلمانی با Zementit و در انگلیسی با Cementite نشان داده می شود.

اسلاید 29: فریت - آستنیت - سمانتیت

اسلاید 30: لدبوریت: به مخلوط یوتکتیکی آستنیت و سمنتیت، لدبوریت گفته می‌شود که از مذابی با 4.3 درصد کربن در دمای 1147 درجه سانتیگراد تحت یک واکنش یوتکتیکی حاصل می‌شود. از آنجایی که اوستنیت در دمای محیط پایدار نیست و بر اساس یک واکنش یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل می‌شود، لذا ساختمان لدبوریت در دمای محیط بصورت پرلیت و سمنتیت خواهد بود.

اسلاید 31: پرلیت:به مخلوط یوتکتوئیدی فریت و سمنتیت، ‌پرلیت گفته می‌شود. پرلیت تحت یک تحول یوتکتوئیدی از آهن گاما با 0.8 درصد کربن در 723 درجه سانتیگراد حاصل می‌شود.

اسلاید 32: لدبوریت - پرلیت

اسلاید 33: بینیت:این فاز به یادبود E.C. Bain شیمیدان آمریکایی نامگذاری شده است.تاریخچه آستمپرینگ به سال 1930 بر می گردد، زمانی که Grossman و Bain در آزمایشگاه های فولاد ایالات متحده بر روی ارزیابی پاسخ متالورژیکی فولادهای سرد شده با سرعت زیاد از دمای 1450 درجه فارنهایت (788 درجه سانتیگراد) به دماهای متناوبا بالا و نگهداری در این دماها به مدت زمانهای مختلف های در حال کار بودند.نتیجه تحقیقات آنها چیزی است که ما امروزه به عنوان دیاگرامهای استحاله همدما (Isothermal Transformation Diagram) می شناسیم. Grossman و Bain با ساختارهای معمول متالورژیکی فریت، پرلیت و مارتنزیت آشنا بودند. چیزی که آنها کشف کردند ساختار دیگری بود که در بالاتر از دمای آغاز تشکیل مارتنزیت (Ms) و پایین تر از دمای تشکیل پرلیت بود.در فولادها این ساختار شکل ساختارهای سوزنی (بشقابی) با ظاهری پر مانند را داراست. تحقیقات X ray نشان داد که بینیت شامل فریت و کاربید فلزی است.

اسلاید 34: بینیت:

اسلاید 35: مارتنزیت:اگر آستنیت به قدری سریع سرد شود که هیچ یک از استحاله‌های بر پایهٔ نفوذ در آن اتفاق نیافتد و فوق سرمایش تا حدی ادامه یابد که ساختار fcc پایدار نباشد، این ساختار بصورت پرشی به bcc تبدیل می‌شود که از کربن فوق اشباع شده است. فاز حاصل را مارتنزیت می‌نامند.

اسلاید 36:

اسلاید 37: THE END