دیاگرام فازی آهن-کربن

دیاگرام فازی آهن-کربن

تعداد بازدید: 21181
کد مطلب: 5592
تاریخ انتشار: 12:31 16 ارديبهشت 1391

دیاگرام فازی آهن-کربن

 
 

دیاگرام فازی آهن – کربن (Fe-C phase diagram) دیاگرامی تعادلی از کربن در محلول جامد آهن بوده که نشانگر تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن – کربن نسبت به درجه حرارت می باشد. این دیاگرام بر حسب درصد کربن آلیاژ، درجه حرارت، سرد کردن یا گرم کردن بسیار آهسته رسم شده و به همین علت به آن دیاگرام تعادلی آهن – کربن می گویند.

نمودار تعادلی آهن-کربن راهنمایی ست که به کمک آن می توان روش های مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. اما از آنجایی که بیشتر فولادهادارای عناصر آلیاژی دیگر می باشند و وجود این عناصر موقعیت مرزی بین مناطق فازی را نسبت به فولادهای ساده کربنی تغییر می دهد، از این نمودار تنها به عنوان راهنما استفاده می شود. نمودار آهن- کربن تحت فشار یک اتمسفر صادق بوده و در فشارهای بالاتر فصل مشترک های بین مناطق فازی تغییر مکان داده و فازهای جدید می تواند به وجود آید. مثلا؛ در مورد آهن خالص، در فشارهای بالا، آهن با شبکه کریستالی HCP موسوم به آهن اپسیلن ɛ به وجود می آید.

 
 

آهن خالص، نرم بوده و استحکام تسلیم آن حدود می باشد، کاربرد صنعتی نداشته و بیشتر جهت تحقیقات استفاده می شود. آهن خالص، به سه شکل آلفا  (α)، گاما (γ)، و دلتا (δ) وجود دارد. شکل زیر منحنی ایده آل سرد شدن آهن خالص را نشان می دهد.

آلوتروپی آهن

 

در این منحنی گستره دمای پایداری هر یک از سه حالت بلوری آهن در فشار اتمسفر مشخص شده است.

آهن خالص از دمای اتاق تا 910 درجه سانتیگراد، دارای ساختار بلوری مکعبی مرکز پر (BCC) است و آهن آلفا α نامیده می شود. آهن آلفا فرومغناطیس بوده و با گرم شدن تا دمای 768 درجه سانتی گراد، این خاصیت آن از بین رفته ولی ساختار BCC آن حفظ می شود. آهن آلفا تا دمای 910 درجه سانتی گراد پایدار بوده و سپس به آهن گاما γ با ساختار مکعبی با سطوح مرکزدار FCC استحاله می یابد. با گرم کردن تا دمای 1403 درجه سانتی گراد، مجددا به ساختار BCC برگشته و تبدیل به  آهن دلتا δ می شود. این ساختار تا رسیدن به نقطه ذوب آهن خالص یعنی 1535 درجه سانتیگراد پایدار می ماند.

خواص بلوری آهن خالص در جدول زیر نشان داده شده است.

 

ثابت شبکه Å

شبکه بلوری

نوع

تا 910ºC

2.86 (70ºF)

BCC

α

1403ºC - 910ºC

3.65 (1800ºF)

FCC

γ

535ºC - 1403ºC

2.93 (2650ºF)

BCC

δ

نقطه جوش 3000ºC(5432ºF)

نقطه ذوب 1535ºC(2795ºF)

چگالی 7.868 g/cm3

 

 
 

فازهای موجود در دماهای مختلف برای آلیاژهای Fe-C که خیلی آهسته سرد شده اند و حداکثر 6.67% کربن دارند، در نمودار زیر نشان داده شده است. ترکیب بین فلزی کاربید آهن که سمنتیت(Fe3C) نامیده می شود، یک فاز تعادلی واقعی نبوده و در شرایطی خاص تبدیل به فازهای پایدارتر آهن و گرافیت می شود.

دیاگرام آهن-کربن

 

 
 

در دیاگرام فازی آهن – کربن (آهن-سمانتیت) چندین فاز و مخلوط جامد وجود دارد:

  • فریت α
  • آستنیت γ
  • سمانتیت (سمنتیت) Fe3C
  • فریت δ
  • لدبوریت
  • پرلیت

1- فریت α

محلول جامد کربن در آهن α، فریت α یا فریت نامیده شده و ساختار بلوری آن BCC می باشد. نمودار فازی نشان می دهد که، کربن فقط اندکی در فریت حل شده و حداکثر حلالیت آن در 723 درجه سانتی گراد، 0.02% است. با کاهش دما، حلالیت کربن در فریت α کاهش یافته و در صفر درجه سانتی گراد به 0.008 % می رسد. در فریت α، اتم های کربن به علت کوچک بودن در فضاهای بین نشین شبکه بلوری آهن قرار می گیرند.

2- آستنیت γ

محلول جامد کربن در آهن γ را آستنیت نامند. این فاز دارای ساختار بلوری FCC بوده و حلالیت کربن در آن خیلی بیشتر از فریت α است. حلالیت کربن در آستنیت در 1148 درجه سانتیگراد به حداکثر مقدار خود یعنی 2.08% رسیده و سپس در 723 درجه سانتیگراد به 0.8% کاهش می یابد. مشابه فریت، اتمهای کربن به صورت بین نشینی اما به میزان بیشتری درشبکه FCC حل می شوند.

3- سمانتیت Fe3C

ترکیب بین فلزی آهن و کربن، سمانتیت نامیده می شود. حلالیت کاربید آهن ناچیز بوده و 6.67% کربن و 93.3% آهن دارد. سمانتیت یا سمنتیت، ترکیبی سخت و شکننده است که دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی بوده و هر سلول آن 12 اتم آهن و چهار اتم کربن دارد.

4- فریت δ

محلول جامد کربن در آهن دلتا را فریت δ می نامند. فریت دلتا دارای ساختار بلوری BCC بوده اما ثابت شبکه آن با ثابت شبکه فریت آلفا متفاوت است. حداکثر حلالیت کربن در فریت آلفا، در دمای 1495 درجه سانتی گراد و برابر با 0.09% است.

5- لدبوریت

مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمانتیت را، لدبوریت می نامند. این ترکیب در اثر واکنش یوتکتیکی که روی مذاب حاوی 4.3% کربن در دمای 1147 درجه سانتی گراد رخ می دهد، حاصل می شود. نکته قابل ذکر این است که آستنیت در دمای محیط پایدار نمی باشد و در اثر واکنش یوتکتوئیدی که در دمای 723 درجه سانتیگراد رخ می دهد، تبدیل به پرلیت شده و در نتیجه ساختمان لدبوریت در دمای محیط به شکل پرلیت و سمانتیت می باشد.

6- پرلیت

در اثر واکنش یوتکتوئیدی در دمای 723 درجه سانتی گراد مخلوطی از فریت و سمانتیت به دست می آید که به آن پرلیت گفته شده و ساختاری لایه لایه دارد.

 
 

نمودار فازی آهن- کربن دارای سه واکنش ثابت بوده که هر کدام شامل سه فاز  بوده و در دمای ثابت رخ می دهند. این واکنشها عبارتند از :

1- واکنش پری تکتیک

درنقطه پری تکتیک، مذاب (%0.53C) با فریت  δ (%0.09C) در دمای 1493 درجه سانتی گراد ترکیب و آستنیت γ (%0.17C) به وجود می آید. این واکنش به صورت زیر نوشته می شود:

γ (%0.17C) δ (%0.095C)  + (%0.53) مذاب

2- واکنش یوتکتیک

در نقطه یوتکتیک، مذاب با %4.3C در دمای 1147 درجه سانتی گراد، به آستنیت γ با %2.08C ترکیب بین فلزی Fe3C (سمانتیت) با %6.67C تجزیه می شود. این واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

Fe3C (%6.67C) +   γ (%2.08C) مذاب (4.3C %)

 3- واکنش یوتکوتئید

در نقطه یوتکتوئید، آستنیت جامد با %0.8C در دمای 723 درجه سانتیگراد به آهن α با %0.02C سمانتیت با %6.67C تجزیه می شود. واکنش آن به شرح زیر است:

Fe3C (%6.67C) + α فریت (%0.8C) γ
 
 
 

نمودار تعادلی آهن-کربن (Fe-C) راهنمایی است که به کمک آن می‌توان روش‌های مختلف عملیات حرارتی، فرآیندهای انجماد ، ساختار فولادها و چدن‌ها و... را بررسی کرد.
قسمتی از این نمودار که در متالورژی اهمیت بیشتری دارد، قسمت آهن-کاربیدآهن (سمنتیت) است.
چون کاربید آهن یک ترکیب شبه‌پایدار است، بنابراین دیاگرام آهن-کربن را سیستم شبه‌پایدار می‌نامند. حالت پایدار کربن در فشار اتمسفر، کربن آزاد (گرافیت) است.
قسمت‌هایی که در نمودار با حروف یونانی مشخص شده‌اند، نشانگر محلول‌های جامد از نوع بین‌نشینی هستند... ادامه

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
سعید محبوب
با عرض سلام و خسته نباشی، ممنونم از وبلاگ خوبتون واقعا عالیه ،من خودم دانشجوی رشته مهندسی جوش هستم کمک خیلی خوبیه به دانشجویان،، دستتون درد نکنه
<<پاسخ به این نظر
14:02 15 دي 91
plus  6  
min   0
مجید
خیلی حال کردم بسیار زیبا کار کرده اید من که دانشجویه متالوژی هستم واقعا حال کردم
<<پاسخ به این نظر
15:44 18 اسفند 91
plus  4  
min   0
mohammad
سلام.من دانشجوی مکانیک هستم....وبلاگتون عالیه
<<پاسخ به این نظر
21:08 19 فروردين 92
plus  3  
min   0
ehsan
تنها سایتی که به درد بخور هست تشکر از خود کتابهای متالوژی هم بهتر هست
<<پاسخ به این نظر
13:32 01 خرداد 92
plus  3  
min   0
محمد یوسفی پور
متشکر واقعا زحمت کشیدین ، به حرحال زکات علم آموختن هست امیدوارم که موفق باشید
<<پاسخ به این نظر
19:37 24 شهريور 92
plus  6  
min   0
مطالب مرتبط