Diagrama fazelor fier-carbon
Cuprins
Fierul și aliajele sale constituie baza ingineriei moderne a materialelor. Acestea sunt utilizate pentru fabricarea structurilor portante, uneltelor, mașinilor și elementelor infrastructurii industriale. Cheia pentru înțelegerea comportamentului acestor materiale, atât în stare solidă, cât și în timpul proceselor termice, constă în analiza diagramei fazelor fier-carbon (Fe-C).
Diagrama de fază Fe-C descrie transformările de fază în echilibru care au loc în aliajele de fier care conțin până la aproximativ 6,7% carbon. În practică, însă, aliajele cu un conținut mult mai redus al acestui element sunt cele mai importante, și anume oțelurile (până la 2,11% C) și fierul turnat (peste 2,11% C). Cunoașterea diagramei de fază Fe-C ne permite să prevedem:
- Ce structuri cristaline se vor forma în aliaj după răcire,
- care vor fi proprietățile mecanice și tehnologice ale acestuia
- și cum să planificăm tratamentul termic pentru a obține efectul dorit.
De aceea, diagrama de fază fier-carbon este considerată cea mai importantă diagramă de echilibru de fază în metalurgie, constituind baza pentru proiectarea, prelucrarea și modificarea aliajelor de fier.
Caracteristicile diagramei de fază fier-carbon
Diagrama de fază fier-carbon (Fe-C) este un grafic care arată relația dintre conținutul de carbon și temperatura aliajelor de fier într-o stare de echilibru termodinamic. Această diagramă acoperă un interval de până la 6,67% C, care corespunde compoziției chimice a cementitei (Fe₃C), un compus intermetalic solid de fier și carbon.
În practica industrială, aliajele care conțin până la 4,3% carbon, adică. Diferite tipuri de oțel și fontă sunt de cea mai mare importanță. Acest diagramă ne permite să determinăm ce faze și microstructuri vor fi prezente în material la o temperatură dată și ce transformări de fază vor avea loc în timpul răcirii sau încălzirii.
Există trei faze principale în diagrama de fază Fe–C: ferită (α), o fază moale, ductilă, cu o rețea regulată centrată pe corp (BCC), capabilă să dizolve doar cantități infime de carbon; austenită (γ), o fază cu o rețea regulată centrată pe fața cubică (FCC), care apare la temperaturi mai ridicate și poate dizolva până la 2,11% carbon; și cementită (Fe₃C), un compus chimic cu duritate foarte mare, dar plasticitate redusă.
Punctele caracteristice ale graficului sunt deosebit de importante: punctul eutectoid (727 °C, 0,8% C), la care austenita se transformă într-un amestec de ferită și cementită, adică perlită; și punctul eutectic (1147 °C, 4,3% C), unde metalul lichid formează ledeburită, un amestec de austenită și cementită. De asemenea, merită menționată transformarea peritectică (1495 °C, 0,16% C), care are în principal o importanță teoretică.
Diagrama de faze Fe–C este un instrument de bază utilizat în proiectarea aliajelor de fier, precum și în planificarea tratamentului termic al acestora și în predicția proprietăților lor de funcționare.
Cementită, ferită și austenită
Fazele de bază care apar în diagrama fazelor fier-carbon sunt cementita (Fe₃C), ferita (α) și austenita (γ). Prezența, cantitatea și proporțiile reciproce ale acestora determină structura și proprietățile aliajului, atât în stare brută, cât și după tratamentul termic.
Cementitul (Fe₃C) este un compus chimic al fierului și carbonului cu un conținut de carbon de 6,67% C. Este o fază foarte dură și fragilă, cu o duritate de până la 800 HV, dar datorită lipsei de plasticitate, nu este un material util în sine. Apare ca component al structurilor complexe, cum ar fi perlitul și ledeburitul, unde prezența sa afectează în mod semnificativ rezistența la abraziune și duritatea materialului.
Ferita (α) este o soluție solidă de carbon în fier alfa cu o rețea cristalină centrată spațial (BCC). Este o fază moale, ductilă și ușor de prelucrat, care conține doar urme de carbon – maximum 0,02% la 727 °C. Datorită acestor proprietăți, ferita este faza principală responsabilă de ductilitatea și formabilitatea oțelurilor cu conținut redus de carbon.
Austenita (γ) este o soluție solidă de carbon în fier gamma cu o rețea cubică centrată pe față (FCC). Această fază se formează la temperaturi mai ridicate, iar solubilitatea carbonului ajunge la 2,11% C la 1147 °C. Austenita este ductilă și nemagnetică, ceea ce o face deosebit de valoroasă în procesele de tratament termic și întărire a suprafețelor. În plus, datorită structurii sale, austenita poate fi transformată în alte faze (de exemplu, martensită) ca urmare a răcirii rapide.
Relația dintre aceste trei faze – cementită, ferită și austenită – este fundamentală pentru înțelegerea comportamentului aliajelor de fier în timpul răcirii, încălzirii și saturării cu elemente. Transformările controlate ale fazelor permit inginerilor să adapteze microstructura oțelului și a fontei pentru a îndeplini cerințele tehnologice și operaționale specifice.
Perlit, ledeburit și eutectoide
Perlit este un amestec stratificat, cu granulație fină, format din două faze – ferită și cementită – ca urmare a transformării eutectoide a austenitei la o temperatură de 727 °C și un conținut de carbon de 0,8%. Are o structură lamelară caracteristică, asemănătoare cu straturi alternante, care combină duritatea moderată cu plasticitatea bună. În oțelurile carbon, perlita este comună și este responsabilă de combinația favorabilă de rezistență și prelucrabilitate.
Ledeburita este un amestec de austenită și cementită, format la o temperatură de 1147 °C și un conținut de carbon de 4,3% C, ca urmare a transformării eutectice lichide. Apare în principal în fontă, unde este responsabilă de duritatea și rezistența la abraziune foarte ridicate; totuși, limitează simultan ductilitatea și prelucrabilitatea materialului. La răcirea ulterioară, austenita conținută în ledeburită suferă transformări secundare, de exemplu, în perlită sau bainită, în funcție de viteza de răcire.
Eutectoidele și eutecticele sunt puncte speciale pe diagrama de echilibru Fe–C în care o fază se transformă într-un amestec din alte două:
- În cazul eutectoidului, austenita se descompune în ferită și cementită (perlit);
- În cazul eutecticului, metalul lichid se solidifică direct într-un amestec de austenită și cementită (ledeburită).
Clasificarea aliajelor de fier-carbon: oțeluri și fontă
Aliajele de fier-carbon nu sunt clasificate numai pe baza structurii lor, ci în primul rând pe baza conținutului de carbon. Valoarea limită care separă cele două grupe principale de materiale este de 2,11% C, corespunzând punctului eutectoid din diagrama de fază Fe-C.
Oțelurile sunt aliaje de fier care conțin până la 2,11% carbon. Acestea se caracterizează prin bună plasticitate, ductilitate și prelucrabilitate. Datorită prezenței austenitei, feritei și perlitei, oțelurile pot fi călite, recoapte și temperate, ceea ce permite modificarea structurii lor și adaptarea proprietăților lor la aplicații specifice. Se disting, printre altele, următoarele tipuri:
- oțeluri cu conținut redus de carbon (până la 0,3% C) – moi, ușor sudabile, utilizate în structuri portante,
- oțeluri cu conținut mediu de carbon (0,3-0,6% C) – cu proprietăți de rezistență echilibrate,
- oțeluri cu conținut ridicat de carbon (peste 0,6% C) – dure, rezistente la uzură, utilizate pentru scule.
Fonta este un aliaj cu un conținut de carbon peste 2,11% C, care determină solidificarea sa prin transformări eutectice și conține ledeburită. Aceste materiale sunt rezistente la uzură, ușor de turnat și relativ ieftine; cu toate acestea, sunt fragile și dificil de prelucrat. În funcție de forma în care carbonul este prezent în structură (cementită sau grafit), se disting următoarele tipuri:
- fontă albă – cu cementită, foarte dură, dar fragilă,
- fontă cenușie – cu grafit în fulgi, mai ușor de prelucrat și amortizând vibrațiile,
- fontă cu grafit sferoidal (SG) – cu grafit sferoidal, cu proprietăți de rezistență mai bune,
- fontă ductilă – tratată termic, cu grafit fin, ceea ce duce la o ductilitate crescută.
Aplicarea diagramei de echilibru Fe–C în practica industrială
Diagrama de fază fier-carbon (Fe-C) este unul dintre cele mai importante instrumente utilizate în ingineria materialelor. Aceasta ne permite să înțelegem și să prevedem schimbările structurale care au loc în aliajele de fier în timpul încălzirii și răcirii, ceea ce este esențial pentru planificarea proceselor tehnologice și analizarea performanțelor materialelor.
Diagrama poate fi utilizată, printre altele, pentru a determina la ce temperaturi au loc transformările de fază, pentru a identifica structurile cristaline prezente într-un anumit interval de temperatură și pentru a înțelege modul în care proprietățile mecanice ale unui aliaj se modifică în funcție de conținutul de carbon. În practică, acest lucru permite inginerilor să proiecteze întregul proces de prelucrare a materialelor, de la turnare până la tratamentul termic final. Cunoașterea diagramei este utilizată în:
- selectarea parametrilor de tratament termic, cum ar fi călire, recoacere, temperare sau normalizare,
- diagnosticarea structurală a materialelor, în special în evaluarea calității turnării sau detectarea defectelor termice,
- proiectarea compozițiilor aliajelor pentru aplicații mecanice, termice și anticorozive specifice.
De asemenea, este de remarcat faptul că diagrama Fe-C servește ca punct de plecare pentru înțelegerea diagramelor de fază mai complexe, cum ar fi cele din oțelurile aliate, unde, pe lângă carbon, sunt prezente și alte elemente precum crom, nichel sau molibden, care influențează transformările de fază și formarea de noi structuri.
Ca urmare, aplicarea sa cuprinde aproape toate etapele de fabricație și utilizare a aliajelor de fier, de la proiectarea compoziției chimice, prin simulări ale transformărilor termice, până la optimizarea durabilității și fiabilității pieselor și structurilor finite ale mașinilor.
Diagrama de fază fier-carbon – rezumat
Diagrama de fază fier-carbon (Fe–C) este fundamentul ingineriei moderne a materialelor și metalurgiei. Aceasta ne permite să înțelegem modul în care modificările conținutului de carbon și ale temperaturii afectează microstructura, proprietățile mecanice și comportamentul tehnologic al aliajelor de fier. Cu aceste cunoștințe, inginerii pot proiecta în mod conștient procese tehnologice și pot selecta materialele adecvate pentru diverse aplicații.
Înțelegerea diagramei Fe–C permite controlul transformărilor de fază, cum ar fi transformarea eutectoidă a austenitei în perlită sau solidificarea eutectică a aliajelor de fontă într-o structură de ledeburită. Acest lucru permite controlul precis al durității, plasticității, rezistenței la abraziune și susceptibilității la tratament termic, ceea ce se traduce direct în durabilitatea și fiabilitatea componentelor structurale.
Deși diagrama de fază Fe–C pare relativ simplă, semnificația sa practică este enormă. Din analiza acesteia începe proiectarea oțelului și a fontei, modificarea acestora, precum și diagnosticarea microstructurii și a cauzelor deteriorării produselor finite. În acest sens, diagrama de echilibru Fe–C nu este doar un instrument academic, ci un instrument de uz cotidian pentru ingineri, care le permite să combine teoria cu practica, în beneficiul durabilității, siguranței și eficienței tuturor infrastructurilor tehnice pe bază de fier.
