IJzer-koolstof fasediagram
Inhoudsopgave
IJzer en zijn legeringen vormen de xbasis van de moderne materiaalkunde. Ze worden gebruikt voor het vervaardigen van dragende constructies, gereedschappen, machines en elementen van industriële infrastructuur. De sleutel tot het begrijpen van het gedrag van deze materialen, zowel in vaste toestand als tijdens thermische processen, ligt in de analyse van het ijzer-koolstof (Fe-C) fasediagram.
Het Fe-C-fasediagram beschrijft de evenwichtsfaseovergangen die optreden in ijzerlegeringen die tot ongeveer 6,7% koolstof bevatten. In de praktijk zijn echter legeringen met een veel lager gehalte aan dit element van het grootste belang, namelijk staal (tot 2,11% C) en gietijzer (boven 2,11% C). Kennis van het Fe-C-fasediagram stelt ons in staat om te voorspellen:
- Welke kristalstructuren zich na afkoeling in de legering zullen vormen,
- wat de mechanische en technologische eigenschappen ervan zullen zijn,
- en hoe warmtebehandeling moet worden gepland om het gewenste effect te bereiken.
Daarom wordt het ijzer-koolstof-fasendiagram beschouwd als het belangrijkste fase-evenwichtsdiagram in de metallurgie en vormt het de basis voor het ontwerp, de verwerking en de modificatie van ijzerlegeringen.
Kenmerken van het ijzer-koolstof-fasendiagram
Het ijzer-koolstof (Fe-C) fasediagram is een grafiek die de relatie weergeeft tussen het koolstofgehalte en de temperatuur voor ijzerlegeringen in een toestand van thermodynamisch evenwicht. Dit diagram bestrijkt een bereik tot 6,67% C, wat overeenkomt met de chemische samenstelling van cementiet (Fe₃C), een vaste intermetallische verbinding van ijzer en koolstof.
In de industriële praktijk zijn legeringen met maximaal 4,3% koolstof, d.w.z. verschillende soorten staal en gietijzer, van het grootste belang. Aan de hand van dit diagram kunnen we bepalen welke fasen en microstructuren bij een bepaalde temperatuur in het materiaal aanwezig zullen zijn en welke faseovergangen tijdens afkoeling of verwarming zullen optreden.
Er zijn drie hoofdfasen in het Fe–C-fasendiagram: ferriet (α), een zachte, ductiele fase met een regelmatig kubisch rooster (BCC), die slechts sporen van koolstof kan oplossen; austeniet (γ), een fase met een regelmatig kubisch vlakgecentreerd (FCC) rooster, die bij hogere temperaturen optreedt en tot 2,11% koolstof kan oplossen; en cementiet (Fe₃C), een chemische verbinding met een zeer hoge hardheid maar een lage plasticiteit.
De karakteristieke punten van de grafiek zijn bijzonder belangrijk: het eutectoïde punt (727 °C, 0,8% C), waarbij austeniet overgaat in een mengsel van ferriet en cementiet, d.w.z. perliet; en het eutectische punt (1147 °C, 4,3% C), waarbij het vloeibare metaal ledeburiet vormt, een mengsel van austeniet en cementiet. Vermeldenswaardig is ook de peritectische transformatie (1495 °C, 0,16% C), die vooral van theoretisch belang is.
Het Fe-C-fasediagram is een basisinstrument dat wordt gebruikt bij het ontwerpen van ijzerlegeringen, bij het plannen van hun warmtebehandeling en bij het voorspellen van hun bedrijfseigenschappen.
Cementiet, ferriet en austeniet
De basisfasen die voorkomen in het ijzer-koolstof-fasediagram zijn cementiet (Fe₃C), ferriet (α) en austeniet (γ). Hun aanwezigheid, hoeveelheid en onderlinge verhoudingen bepalen de structuur en eigenschappen van de legering, zowel in ruwe toestand als na warmtebehandeling.
Cementiet (Fe₃C) is een chemische verbinding van ijzer en koolstof met een koolstofgehalte van 6,67% C. Het is een zeer harde en broze fase met een hardheid tot 800 HV, maar vanwege het gebrek aan plasticiteit is het op zichzelf geen bruikbaar materiaal. Het komt voor als bestanddeel van complexe structuren zoals perliet en ledeburiet, waar de aanwezigheid ervan een aanzienlijke invloed heeft op de slijtvastheid en hardheid van het materiaal.
Ferriet (α) is een vaste oplossing van koolstof in alfa-ijzer met een ruimtelijk gecentreerd kubisch (BCC) rooster. Het is een zachte, ductiele en gemakkelijk bewerkbare fase die slechts sporen van koolstof bevat – maximaal 0,02% bij 727 °C. Dankzij deze eigenschappen is ferriet de belangrijkste fase die verantwoordelijk is voor de ductiliteit en vervormbaarheid van koolstofarme staalsoorten.
Austeniet (γ) is een vaste oplossing van koolstof in gamma-ijzer met een vlakgecentreerd kubisch (FCC) rooster. Deze fase wordt gevormd bij hogere temperaturen en de koolstofoplosbaarheid bereikt 2,11% C bij 1147 °C. Austeniet is rekbaar en niet-magnetisch, waardoor het bijzonder waardevol is in warmtebehandelings- en oppervlaktehardingsprocessen. Bovendien kan austeniet, door zijn structuur, bij snelle afkoeling worden omgezet in andere fasen (bijvoorbeeld martensiet).
De relatie tussen deze drie fasen – cementiet, ferriet en austeniet – is van fundamenteel belang voor het begrijpen van het gedrag van ijzerlegeringen tijdens afkoeling, verwarming en verzadiging met elementen. Door gecontroleerde faseovergangen kunnen ingenieurs de microstructuur van staal en gietijzer aanpassen aan specifieke technologische en operationele eisen.
Perliet, ledeburiet en eutectoïden
Perliet is een fijnkorrelig, gelaagd mengsel van twee fasen – ferriet en cementiet – dat ontstaat als gevolg van de eutectoïde transformatie van austeniet bij een temperatuur van 727 °C en een koolstofgehalte van 0,8%. Het heeft een karakteristieke laminaire structuur, die lijkt op afwisselende lagen, en combineert matige hardheid met goede plastische vervormbaarheid. In koolstofstaal komt perliet veel voor en is het verantwoordelijk voor de gunstige combinatie van sterkte en bewerkbaarheid.
Ledeburiet is een mengsel van austeniet en cementiet, gevormd bij een temperatuur van 1147 °C en een koolstofgehalte van 4,3% C als gevolg van eutectische vloeistofomzetting. Het komt voornamelijk voor in gietijzer, waar het verantwoordelijk is voor de zeer hoge hardheid en slijtvastheid; tegelijkertijd beperkt het echter de ductiliteit en bewerkbaarheid van het materiaal. Bij verdere afkoeling ondergaat het in ledeburiet aanwezige austeniet secundaire transformaties, bijvoorbeeld tot perliet of bainiet, afhankelijk van de afkoelsnelheid.
Eutectoïden en eutectica zijn speciale punten op het Fe-C-evenwichtsdiagram waar één fase overgaat in een mengsel van twee andere:
- In het geval van eutectoïden valt austeniet uiteen in ferriet en cementiet (perliet);
- In het geval van eutectica stolt het vloeibare metaal direct tot een mengsel van austeniet en cementiet (ledeburiet).
Classificatie van ijzer-koolstoflegeringen: staal en gietijzer
IJzer-koolstoflegeringen worden niet alleen op basis van hun structuur geclassificeerd, maar voornamelijk op basis van hun koolstofgehalte. De grenswaarde die de twee belangrijkste materiaalgroepen scheidt, is 2,11% C, wat overeenkomt met het eutectoïde punt in het Fe-C-fasendiagram.
Staalsoorten zijn ijzerlegeringen die maximaal 2,11% koolstof bevatten. Ze worden gekenmerkt door een goede plastische vervormbaarheid, ductiliteit en bewerkbaarheid. Dankzij de aanwezigheid van austeniet, ferriet en perliet kunnen staalsoorten worden gehard, gegloeid en getemperd, waardoor hun structuur kan worden gewijzigd en hun eigenschappen kunnen worden aangepast aan specifieke toepassingen. Er worden onder andere de volgende soorten onderscheiden:
- koolstofarme staalsoorten (tot 0,3% C) – zacht, gemakkelijk lasbaar, gebruikt in dragende constructies,
- koolstofhoudende staalsoorten (0,3-0,6% C) – met evenwichtige sterkte-eigenschappen,
- koolstofrijke staalsoorten (boven 0,6% C) – hard, slijtvast, gebruikt voor gereedschappen.
Gietijzer is een legering met een koolstofgehalte van meer dan 2,11% C, waardoor het stolt door eutectische transformaties en ledeburiet bevat. Deze materialen zijn slijtvast, gemakkelijk te gieten en relatief goedkoop, maar ook bros en moeilijk te bewerken. Afhankelijk van de vorm waarin koolstof in de structuur aanwezig is (cementiet of grafiet), worden de volgende soorten onderscheiden:
- wit gietijzer – met cementiet, zeer hard maar broos,
- grijs gietijzer – met vlokgrafiet, beter bewerkbaar en trillingsdempend,
- sferoïdaal grafietijzer (SG) – met bolvormig grafiet, met betere sterkte-eigenschappen,
- tempergietijzer – warmtebehandeld, met fijn grafiet, wat resulteert in een verhoogde ductiliteit.
Toepassing van het Fe-C-evenwichtsdiagram in de industriële praktijk
Het ijzer-koolstof (Fe-C) fasediagram is een van de belangrijkste hulpmiddelen in de materiaalkunde. Het stelt ons in staat om de structurele veranderingen die optreden in ijzerlegeringen tijdens verwarming en afkoeling te begrijpen en te voorspellen, wat cruciaal is voor het plannen van technologische processen en het analyseren van de prestaties van materialen.
Het diagram kan onder andere worden gebruikt om te bepalen bij welke temperaturen faseovergangen plaatsvinden, om de kristalstructuren te identificeren die in een bepaald temperatuurbereik aanwezig zijn en om te begrijpen hoe de mechanische eigenschappen van een legering veranderen met het koolstofgehalte. In de praktijk stelt dit ingenieurs in staat om het hele materiaalverwerkingsproces te ontwerpen, van het gieten tot de uiteindelijke warmtebehandeling. Kennis van het diagram wordt gebruikt bij:
- het selecteren van warmtebehandelingparameters zoals harding, gloeien, ontlaten of normaliseren,
- structuurdiagnostiek van materialen, met name bij de beoordeling van de gietkwaliteit of het opsporen van thermische defecten,
- het ontwerpen van legeringssamenstellingen voor specifieke mechanische, thermische en corrosietoepassingen.
Het is ook vermeldenswaard dat het Fe-C-diagram als uitgangspunt dient voor het begrijpen van complexere fasediagrammen, zoals die in gelegeerde staalsoorten, waar naast koolstof ook andere elementen zoals chroom, nikkel of molybdeen aanwezig zijn, die de faseovergangen en de vorming van nieuwe structuren beïnvloeden.
Als gevolg daarvan omvat de toepassing ervan bijna alle stadia van de productie en het gebruik van ijzerlegeringen, van het ontwerpen van de chemische samenstelling via simulaties van thermische transformaties tot het optimaliseren van de duurzaamheid en betrouwbaarheid van afgewerkte machineonderdelen en constructies.
IJzer-koolstof fasediagram – samenvatting
Het ijzer-koolstof (Fe–C) fasediagram vormt de basis van de moderne materiaalkunde en metallurgie. Het stelt ons in staat te begrijpen hoe veranderingen in het koolstofgehalte en de temperatuur de microstructuur, mechanische eigenschappen en technologisch gedrag van ijzerlegeringen beïnvloeden. Met deze kennis kunnen ingenieurs bewust technologische processen ontwerpen en de juiste materialen voor verschillende toepassingen selecteren.
Inzicht in het Fe–C-diagram maakt controle over faseovergangen mogelijk, zoals de eutectoïde transformatie van austeniet naar perliet of de eutectische stolling van gietijzerlegeringen tot een ledeburietstructuur. Dit maakt een nauwkeurige regeling van hardheid, plasticiteit, slijtvastheid en gevoeligheid voor warmtebehandeling mogelijk, wat zich direct vertaalt in de duurzaamheid en betrouwbaarheid van constructieonderdelen.
Hoewel het Fe–C-fasendiagram relatief eenvoudig lijkt, is het praktische belang ervan enorm. Op basis van de analyse ervan begint het ontwerp van staal en gietijzer, de modificatie ervan en de diagnose van de microstructuur en de oorzaken van schade in eindproducten. In die zin is het Fe-C-evenwichtsdiagram niet alleen een academisch hulpmiddel, maar een alledaags instrument voor ingenieurs, waarmee ze theorie en praktijk kunnen combineren ten behoeve van de duurzaamheid, veiligheid en efficiëntie van alle op ijzer gebaseerde technische infrastructuur.
