Diagrama de echilibru metastabil fier - cementita

Diagrama de echilibru metastabil fier - cementita

Sistemul metastabil Fe-Fe₃C (fig. 9.5) reprezinta domeniul hipocementitic al diagramei de echilibru Fe-C, limitat de concentratia 6,67%C, care corespunde verticalei cementitei, Fe₃C. Aliajele care se formeaza la concentratii mai mari in carbon, sunt dure si fragile, fara interes practic. Transformarile alotropice ale Fe determina o diagrama de echilibru fazic complexa, cu trei reactii invariante: peritectica, eutectica si eutectoida.

Componentii diagramei sunt fierul si cementita.

In concordanta cu cele prezentate anterior, pe verticala fierului se evidentiaza punctul de topire A (1538˚C), punctele de transformare alotropica N (1394˚C) si G (912˚C), respectiv punctul Curie M (770˚C).

Cementita este un compus electrochimic, cu o structura cristalina complexa din sistemul ortorombic. Temperatura sa de topire nu se cunoaste cu exactitate, deoarece la incalzire, cementita are tendinta sa se descompuna. Temperatura de topire a cementitei se considera in jur de 1227˚C (punct D). Pana la 210˚C, punctul Curie A₀, este feromagnetica, iar peste aceasta temperatura devine paramagnetica. Datorita structurii sale complexe, cementita este foarte dura si fragila: HB=800daN/mm²; Rm=40N/mm²; A=0%.

Componentii sunt total solubili in stare lichida. In stare solida, carbonul prezinta solubilitate limitata si variabila cu temperatura in formele alotropice ale fierului.

Fazele care se formeaza sunt:

solutia lichida L, omogena si nelimitata de fier si carbon;

- ferita alfa notata Fα sau α, este solutie solida interstitiala de carbon pe baza de Feα. Ferita cristalizeaza in structura CVC a Feα si pana la 770˚C (linia MO) este feromagnetica. Carbonul ocupa pozitii in interstitiile tetraedrice, lacune, dislocatii etc. Solubilitatea carbonului in ferita este maxima de 0,0218%C la 727˚C (punctul P) si scade cu temperatura dupa curba PQ, astfel incat la temperatura de 400˚C ajunge la 0,002%C (punctul Q). Caracteristicile mecanice ale feritei cu 0,06%C sunt: Rm=250-280N/mm²; A=50%; Z=80%; HB=80-90daN/mm².

austenita, notata A sau γ , este o solutie solida interstitiala de carbon in Feγ. Cristalizeaza in structura CFC a Feγ si este paramagnetica. Carbonul ocupa pozitii in interstitiile octaedrice si in defectele structurale. Solubilitatea carbonului in austenita este maxima de 2,11% la 1148˚C (punctul E) si scade cu temperatura dupa curba ES, pana la 0,77%C la 727˚C (punctul S). Solubitatea carbonului este mai mare decat in Feα, deoarece interstitiile in structura CFC sunt mai mari. In conditii de echilibru,

austenita este o faza stabila pana la 727˚C, cand se descompune eutectoid. Elemente de aliere, ca Ni si Mn, o pot stabiliza pana la temperatura ambianta. Austenita este o faza foarte plastica.

ferita δ, notata Fδ sau δ, este o solutie solida interstitiala de carbon in Feδ. Cristalizeaza in structura CVC si este paramagnetica. Solubilitatea maxima a carbonului este de 0,09%C la 1495˚C, mai mare decat in Feα, deoarece dilatatia termica la temperaturi inalte mareste dimensiunea interstitiilor tetraedrice.

- cementita Fe₃C, component pur, fierul fiind insolubil in cementita.

Liniile diagramei au urmatoarea semnificatie fizica:

- AB (lichidus) - limita de solubilitate a Feδ in lichid; la care incepe cristalizarea feritei δ din lichid;

- BC (lichidus) - limita de solubilitate a Feγ in lichid; la care incepe cristalizarea din lichid a austenitei;

- CD (lichidus) - limita de solubilitate a C in L; la care incepe cristalizarea cementitei primare Fe₃C_I din lichid;

- SE (van't Hoff) - limita de solubilitate a C in A; la care incepe separarea cementitei secundare Fe₃C_II din austenita;

- PQ (van't Hoff) - limita de solubilitate a C in Fα; la care incepe separarea cementitei tertiare Fe₃C_III din ferita α;

- NH, NJ - linii de inceput si de sfarsit de transformare alotropica Feδ↔Feγ, respectiv de transformare fazica Fδ↔A;

- GS, GP - linii de inceput si de sfarsit de transformare alotropica Feγ↔Feα, respectiv de transformare fazica A ↔ Fα;

- HJB - izoterma peritectica la 1495˚C, cu reactia peritectica:

Fδ_H + L_B ↔ A_J

- ECF - izoterma eutectica la 1148˚C, cu reactia eutectica:

L_C ↔ E (A_E +Fe₃C_EF)

unde E este simbolul eutecticului, iar Fe₃C_E este cementita eutectica;

- PSK - izoterma eutectoida la 727˚C, cu reactia eutectoida:

A_S ↔ P (Fα_P + Fe₃C_eK),

unde P este simbolul eutectoidului perlita, iar Fe₃C_e al cementitei eutectoide; o consecinta a reactiei eutectoide este recristalizarea eutecticului E in ledeburita Led:

E (A +Fe₃C) ↔ Led (P + Fe₃C)

- MO - izoterma transformarii magnetice a feritei.

Punctele remarcabile din diagrama sunt: P - limita de solubilitate a C in Fα; E - limita de solubilitate a C in A; H - limita de solubilitate a C in Fδ; J  - punct peritectic; C - punct eutectic; S - punct eutectoid;

Constituentii structurali, care se formeaza la temperatura ambianta, sunt:

ferita α - solutie solida interstitiala de carbon in Feα;

perlita - amestec mecanic eutectoid alcatuit din ferita si cementita;

ledeburita - amestec mecanic eutectic alcatuit din perlita si cementita;

cementita primara, secundara si tertiara - compus electrochimic

Dupa provenienta, se pot distinge cinci tipuri de cementita:

primara Fe₃C_I separata din lichid, dupa curba CD;

secundara Fe₃C_II separata din austenita, dupa curba ES;

tertiara Fe₃C_III separata din ferita, dupa curba PQ;

eutectica Fe₃C_E separata in reactia eutectica

eutectoida Fe₃C_e separata in reactia eutectoida;

Notatiile punctelor din diagrama cu literele alfabetului permit indicarea liniilor de transformare fazica si magnetica, cat si compozitia fazelor in timpul reactiilor invariante. Datele numerice, referitoare la temperatura si continutul de carbon, variaza dupa diferiti autori, fiind influentate de puritatea aliajelor si metoda de determinare. In tabelul 9.3 se prezinta valorile care vor fi utilizate in lucrare, indicate in Metals Handbook ASM vol 8 / 1973 si STAS 2500-80.

Tabelul 9.3 Coordonatele punctelor din diagrama Fe-Fe₃C