Determinari cantitative pe diagrama Fe-Fe3C

Determinari cantitative pe diagrama Fe-Fe₃C

Proprietatile aliajelor Fe-C sunt dependente de natura si ponderea fazelor si constituentilor structurali, pe care ii contin. In tabelul 9.4 se prezinta proprietatile mecanice ale constituentilor de echilibru de la oteluri si fonte albe.

In materialele polifazice, proprietatile independente de microstructura (densitatea, caldura specifica, coeficientul de dilatare li niara etc.) sunt aditive. Proprietatile aliajului sunt medie ponderata ale proprietatilor fazelor constitutive.

Proprietatile mecanice sunt dependente de microstructura. De aceea, proprietatile mecanice ale amestecului de faze nu sunt intotdeauna intermediare proprietatilor fazelor componente. Astfel perlita, care contine 89%Fα si 11%Fe₃C,

Tabelul  9.4 Proprietatile mecanice ale constituentilor structurali

prezinta rezistenta maxima la tractiune, datorita efectului de durificare pe care particulele dure de Fe₃C le realizeaza in masa feritica plastica. Asemanator, ledeburita, desi contine 40% perlita, este foarte fragila datorita masei continue de cementita secundara si cementita eutectica. Totodata, ledeburita este un amestec mecanic eutectic cu o dispersie mai redusa, ceea ce face ca proprietatile sa se coreleze mai bine, daca se considera fonta ca fiind perlita dispersata intr-o masa de cementita, unde cementita include cementita primara, eutectica si secundara.

Pentru oteluri, aditivitatea proprietatilor dependente de microstructura, cum sunt: rezistenta, plasticitatea, tenacitatea, duritatea, se face in raport de caracteristicile constituentilor si nu ale fazelor. In domeniul hipoeutectoid, s-a constatat o dependenta liniara a rezistentei la tractiune in functie de continutul de carbon, respectiv cantitatea de perlita din otel. Totusi aceasta dependenta liniara nu este valabila in domeniul hipereutectoid, pentru ca rezistenta incepe sa scada abia peste 1%C, cand reteaua de cementita secundara fragila devine continua. La aliajele in stare de echilibru, cantitatea de faze si constituentii structurali la temperatura ambianta se poate determina pe baza diagramelor de faza si de structura (fig. 9.13) sau prin calcul, prin aplicarea regulei parghiei pe diagrama de echilibru.

La temperatura ambianta, fazele sunt Fα si Fe₃C. Diagrama de faze se construeste tinand seama ca Fα este 100% pana in punctul Q, dupa care scade continuu pana la 0%, in punctul L.

Constituentii structurali sunt: Fα, P, Led, Fe₃C_I, Fe₃C_II, Fe₃C_III. Diagrama de structura se construieste urmarind variatia cu concentratia a cantitatii de constituenti. Perlita este 0% in punctul P si 100% in S. Ledeburita este 100% in punctul C si 0% in capetele izotermei eutectice in E si F. Cementita tertiara prezinta un maxim in punctul P si este 0% in punctele P si S. Fe₃C_III maxima rezulta din diagrama de faze pentru aliajul cu concentratia punctului P. Cementita secundara este 0% in punctele S si C, cu un maxim in punctul E.

Determinarile cantitative de faze si constituenti, cu ajutorul diagramelor de faza si de structura pentru anumite continuturi de carbon date sunt simple, necesitand doar cunostinte privind asemanarea triunghiurilor.

Vom exemplifica o serie de determinari cantitative folosind regula parghiei, care sunt mai dificile, deoarece necesita stabilirea corecta a compozitiei aliajului si a temperaturii la care se construieste conoda. Aceste determinari se pot grupa astfel:

a.      determinarea cantitatii de faze si constituenti structurali dintr-un aliaj cu compozitia chimica cunoscuta;

b.     determinarea de proprietati fizico-mecanice corespunzatoare starii de echilibru a aliajului, cunoscand compozitia chimica sau structura acestuia;

c.      determinarea continutului mediu de carbon, daca se cunoaste micro-structura sau proprietatile fizico-mecanice specifice starii de echilibru.

a. Determinarea cantitatii de faze si constituenti structurali

a1. Cantitatea de cementita tertiara maxima din oteluri

Cementita tertiara se separa din ferita la temperaturi sub 727˚C, de-a lungul curbei PQ. Fe₃C_III maxima se determina la temperatura ambianta pentru aliajul cu 0,0218%C, aplicand regula parghiei pe conoda QL:

P'

Q

L

Fe3C

a2. Cantitatea de cementita secundara maxima din oteluri

Cum cementita secundara se separa din austenita de-a lungul curbei ES, cantitatea maxima corespunde aliajului cu 2,11%C la temperatura 727+ε, pe conoda SK:

S

K

E'

Fe3C

a3. Cantitatea de faze din eutectoid

Eutectoidul perlita este un amestec mecanic de ferita α si cementita eutectictoida. Ca produs al reactiei eutectictoide se caracterizeaza la temperatura 727˚C-ε, pe conoda PK:

a4. Cantitatea de constituenti structurali si faze din otelul cu 0,45%C

Un otel hipoeutectoid cu 0,45%C contine cristalite de perlita si ferita proeutectoida. Perlita nu se poate determina direct cu regula parghiei, fiind un amestec de faze. Conform reactiei eutectoide, perlita provine din austenita cu compozitia S. Aceasta este o faza care intra in reactia eutectoida, in echilibru cu ferita proeutectoida, la temperatura 727+ε, pe conoda PS:

A

Fα

S

x

P

Fazele la temperatura ambianta sunt: Fα si Fe₃C. Se determina pe conoda QL:

a5. Cantitatea de faze din eutectic

Eutecticul este un amestec mecanic de austenita si cementita eutectica. Ca produs al reactiei eutectice, se caracterizeaza la temperatura 1148-ε, pe conoda EF:

a6. Cantitatea de perlita din ledeburita

Ledeburita este un amestec mecanic de perlita si cementita. Ca produs al reactiei eutectoide P=A_S, care se determina la temperatura 727+ε, pe conoda SK:

a7. Cantitatea de constituenti structurali din fonta alba cu 3%C

Fonta alba hipoeutectica contine perlita, cementita secundara si ledeburita.

Ledeburita se determina din observatia ca este eutectic recristalizat, care provine din lichidul eutectic. Lichidul este o faza care intra in reactia eutectica, in echilibru cu austenita, la temperatura 1148˚C+ε pe conoda EC:

Pentru a determina cantitatea de cementita secundara, se are in vedere ca, din 100%A, se separa cantitatea de Fe₃C_II max. Rezulta ca la 59,4%A revine:

Perlita rezulta prin diferenta:

P = 100 - Led - Fe₃C_II = 45,8%

b. Determinarea proprietatilor fizico-mecanice

b1 Rezistenta la tractiune a otelului cu 0,45%C

Acesta este un otel hipoeutectoid care contine, conform punctului a4, 52,7% perlita si in rest ferita. In domeniul hipoeutectoid, influenta perlitei asupra rezistentei este aditiva si de aceea se utilizeaza regula amestecurilor, conform careia proprietatile unui amestec de constituenti sunt media ponderata a proprietatilor constituentilor. Astfel, rezistenta otelului hipoeutectoid inmultit cu cantitatea de aliaj (100%) este egala cu suma produselor dintre rezistenta constituentilor si cantitatea de constituenti exprimata in procente:

Rm_OL·100 =Rm_Fα·Fα + Rm_P·P

Se cunoaste din tabelul 9.4: Rm_Fα = 280N/mm²; Rm_P=800N/mm². Ferita se poate exprima in functie de perlita: Fα = 100-P. Rezulta:

Rm_OL·100 =280(100 - P) + 800P

Rm_OL<0,77%C = 280 + 5,2P [N/mm²]

Rm_0,45%C= 280 + 5,2·52,7 = 554 [N/mm²]

b2 Duritatea otelului cu 1,2%C

Este un otel hipereutectoid care contine P+Fe3C_II. Conform regulei amestecurilor:

HB_OL·100 = HB_P·P + HB_Fe3C·Fe₃C_II

Din tabelul 9.4 reiese ca HB_P=200daN/mm²; HB_Fe3C=800daN/mm², iar cantitatea de Fe₃C_II =100-P.

HB_OL·100 = 200·P + 800(100-P)

HB_OL>0,77%C = 800 - 6P

Cantitatea de perlita se poate determina cu regula parghiei aplicata la 727˚C+ε pe conoda SK, asemanator ca la punctul a6:

HB_1,2%C = 800 - 6·92,7 = 243,8 [daN/mm²]

c.      Determinarea continutului mediu de carbon

c1. Continutul mediu de carbon al otelului, care la analiza metalografica cantitativa prezinta 30% Fα proeutectoida

La un otel hipoeutectoid de compozitie x necunoscuta, cantitatea de Fα pro-eutectoida se determina la temperatura 727+ε, pe conoda PS, similar ca la punctul a4:

Rezulta x = 0,55%C

c2. Continutul mediu de carbon al unui otel cu duritate HB=150 daN/mm².

Cum duritatea otelului este inferioara perlitei, acesta este hipoeutectoid, de compozitie necunoscuta x. Conform regulei amestecurilor:

HB_OL·100 = HB_Fα·Fα + HB_P·P

Introducem valorile duritatii constituentilor din tabelul 9.4: HB_Fα = 80 daN/mm²; HB_P = 200daN/mm².

De unde: HB_OL<0,77%C = 80 + 1,2 P

respectiv, 150= 80 + 1,2 P, iar P = 58,3%.

Pentru otelul hipoeutectoid de compozitie x:

, iar  x = 0,458%C.