نمودار فاز آهن کاربید و ساختارهای فولادی

نمودار فاز آهن کاربید و ساختارهای فولادی

اسلاید 1: Iron-Carbides Phase Diagram&Steel Structures

اسلاید 2: فلز آهن اصلي ترين عنصر در آلياژهاي صنعتي ومهندسي است ،آهن كه تقريباً خالص باشد را آهن نرم ويا شمش گويند.اگر آهن نرم را آناليز كنيم نتايج زير بدست مي آيد.كربن 012/0 منگنز 017/0 فسفر 005/0 گوگرد025/0 آناليز مكانيكي نتايج زير را نشان مي دهد. استحكام كششي 40000Psi ازدياد طول( به ازاء 2inch) 40% سختي 30 R

اسلاید 3: آهن عنصري آلوتروپيك است وبيش از يك سيستم تبلور دارد. اين فلز ازحالت مايع تا دماي اتاق سه مرحله تغییر آلوتروپي اول B.C.C دوم f.C.C وسوم B.C.Cدارد. tزمانTLiquid15391401910768آهن  bccآهن  fcc غیر مغناطیسآهن  bcc غیر مغناطیسآهن  bcc مغناطیس

اسلاید 4: مهمترين عنصر آلياژي كه در آهن وجود دارد ،كربن است .كربن دماي تغييرات آلوتروپي را تغيير مي دهد. كاربردي ترين قسمت دياگرام تعادلي آهن-كربن در تصوير زير آمده است. در سمت چپ فلز آهن ودر سمت راست 6/67% كاربيد آهن با فرمول شيميايي Fe3C قرار دارد.كاربيد آهن در متالورژي به سمنتیت معروف است. (دلتا) (آستنیت) (فریت)   C  C0.8%4.3%6.67%0LiquidEutectoidEutecticPeritectic

اسلاید 5: قسمتي از نمودار كه در گوشة بالاي سمت چپ واقع شده در شكل زير نمايش داده شده است. خط افقي در دماي Cْ1493 بيانگر یک واكنش Peritectic است:  Austenite + مايع بيشترين حلاليت كربن در  آهن 0.1% است كه متناظر با نقطه M است . اما آهن  (آستنيت ) كربن بيشتري در خود حل مي كند. (آستنیت)   C  C0.8%4.3%6.67%0LiquidEutectoidEutecticM 0.10%C1539°C A 1401°C N0.18%CPB0.50%CآستنیتآستنیتL+L + 

اسلاید 6: در نمودار تعادلي آهن – كربن يك واكنش Eutectic وجود دارد كه به ازاء 4.3% كربن در دماي 1130°C رخ مي دهد. محصول اين واكنش Eutectic را Ledeburite گويند كه مخلوطي است از Cementite + Austenite مایع  Cementite + Austenite (Ledburite) واكنش هاي Eutectic از اهميت خاصي در ريخته گري برخوردارند،چرا كه در يك دماي مشخص وبالاتر از دماي يوتكتيك كل مذاب سياليت بالا دارد واندكي كمتر از دماي یوتكتنيك وبعد از واقع شدن در منافذ قالب منجمد مي شوند. (دلتا) (آستنیت)   C  C0.8%4.3%6.67%0EutectoidEutectic(Ledeburite)Liquid

اسلاید 7: در سمت چپ نمودار ، خط GH ديده مي شود كه ساختمان كريستالي آهن از آستينت fcc ,به فريت bccتغيير مي كند در خط افقي HJKواكنش Eutectoid رخ مي دهد. نقطة Eutectoid كه J نام گرفته حاوي 0.8% كربن است ودر دماي 723°C تمام Austiente به آهن  يا فريت تبديل مي شود. Austenite  Cementite +Ferrite (Eutectoid) به مخلوط Pearlite,Ferrite Cementite گويند. هر آلياژي در دماي کمتر از Eutectoid مخلوط Cementite,Ferrite است.(دلتا) (آستنیت)   C  C0.8%4.3%6.67%0EutectoidEutecticGJHK

اسلاید 8: آلياژهاي آهن – كربن كه كمتر از 2% كربن دارند فولاد ناميده مي شوند وآلياژهاي بيش از 2% كربن دارند چدن ناميده مي شوند. فولادهايي كه كمتر از 0.8%دارند HypoEutectoidوفولادهايي كه بيشتر از %0.8كربن دارند. HyperEutectoidناميده مي شوند. چدنهايي با كمتر از %4.3كربن HypoEutectoid وچدنهايي با بيش از %4.3 كربن HyperEutectoidناميده مي شوند.(دلتا) (آستنیت) (فریت)   C  CLiquidEutectoidEutectic2%Cفولاد هاچدن ها

اسلاید 9: حال به معرفي هر يك از فازهاي نام برده شده مي پردازيم: 1- Cementite (C) : با فرمول شيميايي Fe3C داراي %6.67 كربن است . سمنتيت سخت وشكننده است، استحكام كششي آن كم است اما استحكام فشاري مناسبي دارد. ساختمان كريستالي آن ارتوروبيك است وسخت ترين فاز در نمودار تعادلي آهن – كربن است.

اسلاید 10: 2) Austenite :محلول جامد بين نستين كربن در آهن F.CC است. بيشترين حلاليت كربن در اين فاز %2 ودر دماي Cْ1130 مي باشد. استحكام كششي آن 150000Psi وازدياد طول آن %10 (2 اينچ) وسختي آن 40RC است. اين فاز در دماي اتاق پايدار نيست وبه فريت تبديل مي شود. (دلتا) (آستنیت) (فریت)   C  C0.8%4.3%6.67%0LiquidEutectoidEutectic

اسلاید 11: 3- : Ledeburite مخلوط يوتكتيك استنيت وسنمتيت است كه %4.3 كربن دارد ودر دماي Cْ1130 تشكيل مي شود. (دلتا) (آستنیت) (فریت)   C  C0.8%4.3%6.67%0LiquidEutectoidEutecticLedeburite

اسلاید 12: 4- ( )Ferrite : محلول جامد بين نشين كربن در آهن  است كه ساختار bcc دارد. بالاترين حلاليت كربن در Ferrite فقط 025% است كه در دماي C °723 مي‌باشد فرميت نرم‌ترين فاز نمودار آهن-كربن است استحكام كششي psi 40000 ، ازدياد طول نسبي 40% و سختي آن كمتر از 0RC يا كمتر از RB 90 است. (آستنیت) (فریت)   C  C0.8%4.3%6.67%0LiquidEutectoidEutectic100 X

اسلاید 13: 5) پرليت : مخلوط Eutectoid است كه 08% كربن دارد، و در دماي 723 درجه سانتي گراد با شرايط تبريد بسيار آرام تشكيل مي‌گردد. پرليت مخلوط صفحات نازك فريت و سمنتيت است كه به صورت لايه لايه كنار هم قرار گرفته‌اند تصوير ميكروسكوپ نوري اين فاز شبيه اثر انگشت است. استحكام كششي pearlite 120000psi ، ازدياد طول نسبي 20% (2 اينچ) و سختي RC20 دارد. (آستنیت)   C  C0.8%4.3%6.67%0LiquidEutectoidEutectic

اسلاید 14: قابليت حل شدن كربن در آلوتروپي‌هاي مختلف آهن: ساختمان كريستالي Austenite ، fcc است كه 4 اتم در سلول واحد دارد ساختمان كريستالي ferrite ، bcc است كه 2 اتم در سلول واحد دارد. بنابراين اتمهاي استنيت متراكم‌تر از اتم‌هاي فريت هستند و از اين نظر وقتي استنيت به فريت تبديل مي‌شود مقداري انبساط مشاهده مي‌شود.

اسلاید 15: سرد كردن فولادها Steel Cooling آلياژ 1 را در نظر بگيريد. اين آلياژ حاوي 02% كربن است و يك فولاد Hypo Eutectoid مي‌باشد وقتي روند سرد كردن اين آلياژ به نقطة X1 روي خط GJ مي‌رسد، تغيير آلوتروپي از fcc به bcc اتفاق مي‌افتد. براي آهن خالص تغيير آلوتروپي از fcc به bcc در 910 اتفاق مي‌افتد اما با افزودن كربن اين دما در امتداد خط GJ كه «خط دماي بحراني در ناحيه HypoEuectoid » ناميده مي‌شود كاهش مي‌يابد. اين خط بحراني را A3 مي‌نامند. 0.8%CGJX1X2+A3A10.2%CFerrite+Pearlite

اسلاید 16: بنابراين در نقطه X1 در مرز دانه‌هاي استنيت، فريت شروع به رشد مي‌كند. از طرفي فريت انحلال كربن كمتري دارد بنابراين بايد كربن اضافي آن از شبكه فريت خارج شود. اما اين تعداد كربن در آستنيت باقي مانده نفوذ مي‌كند و آشيست باقي مانده را غني‌تر از قبل مي‌كند. سرانجام وقتي دماي آلياژ به نقطه X2 رسيد، درصد كربن موجود در آستنيت به نقطة j يعني 08% مي‌رسد. خط Hj را دماي بحراني پايين در ناحيه هيپويوتكتوئيد گويند و با A1 نمايش مي‌دهند. در لحظه‌اي كه دما به خط A1 مي‌رسد، ساختار ميكروسكوپي شامل 25% آستنيت و 75% فريت است. آشيست باقي مانده كه 25% كل آلياژ است داراي 8/0 كربن است و تحت واكنش Eutectoid توليد pearlite مي‌كند و 25% آشيست قبلي به 25% پرليت جديد تبديل مي‌شود.0.8%CGJX1X2+A3A10.2%CFerrite+Pearlite

اسلاید 17: مقدار كربن قابل انحلال در فريت كمتر از آستنيت است. پس مقداري از كربن در استحاله فازي آستنیت به فريت از محلول آستنيت جدا شده و به صورت صفحات سمنتيت رسوب مي‌كند و لايه‌هاي فريت در دو طرف سمنتيت رشد مي‌كند.سمنتیتفریتمرز آستنیت

اسلاید 18: روند توضيح داده شده براي تمام فولادهاي HypoEutectiod صادق است با اين تفاوت كه مقادير نسبي فريب و پرليت تغيير مي‌كند. هر چه درصد كربن آلياژ به مقدار Eutectoid (8/0 كربن) نزديكتر شود، درصد پرليت نهايي افزايش مي‌يابد. مثلاً فولادي با 4/0% كربن در نهايت 50% پرليت خواهد داشت ودر نهایت فولادي با 8/0% كربن فریت خالص ندارد و 100% پرليت خواهد بود.0.1%C0.2%C0.4%C

اسلاید 19: آلياژ 2 يك آلياژ هيپريوتكتوئيد با 1% كربن است. حين سرد كردن، اين آلياژ به خط CJ مي‌رسد كه آن را خط دماي بحراني بالا در منطقة هيپريوتكتويد (Acm) نشان مي‌دهند. در بالاي Acm استنيت به صورت محلول جامد غير اشباع است و در روي خط Acm استنيت به حد اشباع از كربن مي‌رسد. با كاهش درجه حرارت حداكثر كربني كه مي‌تواند در آستنيت حل شود طبق خط CJ كاهش مي‌يابد. بنابراين در فاصلة سرد شدن بين X3, X4 كربن اضافي در مرز دانه‌ها رسوب مي‌كند. وقتي آلياژ به دماي بحراني پايين (A3,1) مي‌رسد دماي آن دماي يوتكتوئيد است. 0.8%CJX1X2+A3A10.2%CFerrite+PearliteCA3,11.00%C2X3AcmX4

اسلاید 20: با افزايش درصد كربن ضخامت شبكه سمنتيت در فولاد افزايش مي‌يابد در فولادهاي هيپويوتكتوئيد، مقدار پرليت با افزايش كربن افزايش مي‌يابد، استحكام كششي و سختي فولاد نيز تا تركيب يوتكتوئيد يعني 8/0% افزايش مي‌يابد. C % l1.2%Cاستحکام کششیدر صد کربنافزایش طول و کاهش سطح مقطعضربه شاربیاستحکام کششیسختی برینل

اسلاید 21: در عمل نمودار تعادلي آهن كربن هنگام گرم كردن و سرد كردن اندكي اختلاف دارد. در هنگام گرم كردن خطوط بحراني بالاتر از موقعيت آنها در هنگام سرد كردن واقع مي‌شود. دماي بحراني گرم كردن با Ac (C از كلمة فرانسوي Cauffage به معني گرم كردن) و دماي بحراني براي سرد كردن با Ar (r از كلمة فرانسوي refroidi ssement به معني سرد كردن) نمايش داده مي‌شود.0.8%CJ+Ac3Ac1CA3,1Acmمهمترین عامل در اختلاف دو خط سرعت سرد و یا گرم کردن استAr3Ar1

اسلاید 22: تاثیر بعضی عناصر بر خواص فولادها: 1) گوگرد: در فولادهاي صنعتي عموماً مقدار گوگرد را كمتر از 0.05 نگه مي‌دارند. تركيب آن با آهن Fes توليد مي‌كند. مخلوط Fes و آهن يك آلياژ زود گداز يوتكتيك است كه در مرز دانه‌ها رسوب مي‌كند و ”باعث شكنندگي“ داغ در آهنگري و نورد فولاد در شرایطی که قطعه در دمای بالا تحت سرویس است مي‌شود. شكنندگي داغ بر اثر ذوب Fes در مرز دانه‌هاست كه باعث كاهش چسبندگي دانه‌ها و ايجاد ترك مي‌شود. با افزودن منگنز اثر گوگرد تقليل پيدا مي‌كند. 2)منگنز: قولادهاي كربني داراي 03/0% تا 10% منگنز هستند. منگنز اثرات نامطلوب گوگرد را كاهش مي‌دهد. و توليد Mns مي‌كند.

اسلاید 23: 3)فسفر: مقدار فسفر در فولادها كمتر از 04/0 است اين مقدار در فريت حل شده و استحكام و سختي را افزايش مي‌دهد. در بعضي فولادها مقدار فسفر 07/0 تا 12/0 ماشين كاري فولاد را بهبود مي‌بخشد اما اگر مقدار فسفر را از اين مقدار بيشتر كنيم موجب كاهش نرمي فولاد شده و آن را در مقابل كار سرد شكننده مي‌كند. به اين نوع شكنندگي «شكنندگي سرد» گويند. 4)سیليسم: فولادهاي صنعتي داراي 05/0 تا 3/0 سيليسم است. سيليم در فريت حل شده و استحكام را بالا مي‌برد. بدون اينكه نرمي آن كاهش يابد. همچنين با ايجاد SiO2 از فولاد مذاب اكسيژن زدايي مي‌كند.

اسلاید 24:

اسلاید 25:

اسلاید 26:

اسلاید 27: منابع Avner , SidneyH ,Physical MetallurgyDonald.R Askeland, Material Sciences and EngineeringMaterial Sciences and Engineering Michael F.Ashbywww.doitpoams.ac.uk

اسلاید 28: و انزَلنا الحَديدُ فيهِ بَاسٌ شَديدٌ وَ مَنفِعُ لِلناساز بذل توجه شما متشكرم احسان زاهدي اردی ماه 84