IJzer-Koolstof Evenwichtsdiagram: Uitleg, Fasen en Toepassingen

Wat zijn fasendiagrammen?

Fasendiagrammen zijn grafische weergaven van de aanwezige fasen in een legering onder variërende temperatuur, druk en chemische samenstelling.

Verstarding van metalen wordt begrepen via evenwichtsdiagrammen: grafische voorstellingen van toestandveranderingen door temperatuur- en concentratievariaties. Aangezien ze aard en samenstelling van legeringen, hoeveelheid en samenstelling van fasen tonen, heten ze ook constitutiediagrammen of fasendiagrammen.

Kenmerken en toepassingen evenwichtsdiagrammen

Evenwicht impliceert dat veranderingen in één richting gecompenseerd worden door omgekeerde proces → dynamische balans tussen atomaire bewegingen met resultaat nul. Experimenteel: extreme langzame temperatuur-/samenstellingveranderingen → systeem 'komt tot rust' voor volgende verandering. Toestand van rust, niet verandering.

Evenwichtsdiagrammen tonen:

1. Temperatuur waarop vaste legering begint/plet smelten
2. Mogelijke fasovergangen bij samenstelling/temperatuurverandering

Wat vertegenwoordigt een evenwichtsdiagram?

Beschrijft voorwaarden voor coëxistentie van twee of meer fasen in evenwicht. Voorbeeld: waterfasendiagram → driedubbelpunt (0,01°C, 0,006 atm) waar vloeistof, vast, gas coëxisteren.

Toepassingen in metallurgie

• Ontwikkeling nieuwe legeringen op basis van toepassingseisen
• Productie van deze legeringen
• Ontwikkeling/uitvoering warmtebehandelingen voor verbeterde eigenschappen
• Probleemoplossing bij toepassing → betere productvoorspelbaarheid

IJzer-koolstof evenwichtsdiagram

Grafische voorstelling van microstructuurtijden van Fe-C legering afhankelijk van temperatuur en koolstofgehalte. Standaard voor begrip van staal en gietijzer fasen. Beiden zijn Fe-C legeringen met sporelementen. Diagram complex, maar onderzoek beperkt tot Fe₃C → max 6,67 gew.% C.

Typen ijzer-koolstof evenwichtsdiagrammen

Binaire diagram is basis voor staal/gietijzer. Transformaties van zuiver ijzer tot cementiet (6,67% C). Twee versies:

1. IJzer-cementietstelsel (metastaabiel)
2. IJzer-graafietstelsel (stabiel)

Afhankelijk van afkoelsnelheid:

• Snelle afkoeling → cementietvorming → ijzer-cementietstelsel. Structuren bereiken geen volledig evenwicht → metastaabiel.
• Langzame afkoeling → graafietvorming → ijzer-graafietstelsel. Structuren bereiken volledig evenwicht → stabiel.

Ferrolegeringen op het diagram

X-as: 0–6,67 gew.% C.

• Zuiver ijzer: ≤ 0,008% C → kamertemperatuur: ferriet (α-ijzer)
• Staal: 0,008–2,14% C → laagkoolstofstaal, middelkoolstofstaal, hoogkoolstofstaal
• Gietijzer: > 2,14% C → zeer hard, maar bros → beperkte toepassingen/vormgeving

IJzer-cementietstelsel

[Afbeelding: diagram]

Tijd-temperatuur verhitcurven voor verschillende koolstofgehaltes → kritieke punten → diagram (alleen bij langzame afkoeling). Kritieke punten: lijn PSK = A₁, lijn GS = A₃, lijn SE = A_cm. Toont juiste aanhardingtemperaturen voor koolstofstalen.

IJzer-koolstof evenwichtsdiagram met uitleg

Austeniet (γ-ijzer)

Vaste oplossing van koolstof in γ-ijzer (KBC rooster, niet-magnetisch). Voorbeeld: 0,20% C staal verhit tot 850°C. Boven A_r3 (GS lijn): austeniet. Max 2% C bij 1130°C. Afkoeling: onder A_r3 vormt zich ferriet (α-ijzer) (LBC rooster, max 0,008% C bij kamertemperatuur). Bij A_r1 (PSK lijn): resterende austeniet → parelliet (parelglans, afwisselende ferriet/cementiet platen, ~87% ferriet). Parelliet: fijn-groflamellaire of korrelige structuur. Goed bewerkbaar.

Eutectoïde staal

Bij >0,20% C daalt ferrietafscheidingstemperatuur tot ~0,80% C (punt S): geen vrije ferriet meer → eutectoïde staal = 100% parelliet.

Eutectoïde punt

Laagste temperatuur waar veranderingen in vaste oplossing plaatsvinden. Bij >0,8% C: nieuwe lijn A_cm (S lijn) → temperatuur waar ijzercarbide (cementiet) uit austeniet afscheidt (in plaats van ferriet).

Cementiet (Fe₃C): extreem hard, bros, lamellaire platen, spheroïden of omhullingen om parellietkorrels. Punt C: eutectische mengsel 4,3% C = ledeburiet (zelden bij langzame afkoeling, onstabiel → ontbindt).

Hypo- en hypereutectoïde

Hypoeutectoïde: < 0,80% C. Hypereutectoïde: > 0,8% C. Geldt voor gewone/laaggelegerde stalen. Hooggelegerde stalen: eutectoïde samenstelling verschuift, structuur kan ontbreken.

Normaal diagram = metastaabiel evenwicht Fe-Fe₃C. Cementiet is metastaabiel; ware evenwicht = Fe-graafiet. Graafiet veel in gietijzer (2–4% C), moeilijk in staal (0,03–1,5% C). Metastaabiel evenwicht relevant voor staalgedrag.

IJzer-graafietstelsel

Cementiet ontbindt: Fe₃C → 3Fe + C. In stabiele fase: vrije koolstof/graafiet ipv cementiet. Bij lichte onderkoeling: graafiet bij verstarding uit vloeistof. Langzame afkoeling → vergraafiting. Snelle afkoeling → onderdrukking vergraafiting → cementiet.

[Afbeelding: diagram met stippenlijnen]

Voorbeeld: 3,5% C legering. Punt 1: vloeistof. Punt 2: reactie L → γ + Gr. Tussen 2–3: overmaat C in austeniet neerslaat als graafiet. Punt 3: eutectoïde reactie: γ → α + Gr.

Eutectoïde transformatie: één vaste fase → twee andere met verschillende samenstelling. Voorbeeld: austeniet 0,8% C → ferriet (~0% C) + cementiet (25 at% C). Koolstofatomen diffunderen lokaal → platen groeien → parelliet. Vergraafiting beheersd door afkoelsnelheid en legering.

Termen in het ijzer-koolstof evenwichtsdiagram

Eutectisch punt

Laagste temperatuur voor veranderingen in vaste oplossing. Eutectische reactie: vloeistof → twee vaste fasen. Eutectische legeringen vormen hier. Links/rechts: hypo-/hypereutectische legeringen.

Austeniet

Vaste oplossing C in KBC Fe, max 2,14% C. Bij verdere verhitting → BCC ferriet bij 1395°C. Onstabiel < 727°C (eutectische temp) tenzij snelle afkoeling.

α-ijzer of ferriet

Lage temperatuur, laag C. Vaste oplossing C in LBC Fe. Stabiel bij kamertemperatuur. Links in diagram (smalle zone). Magnetisch < 768°C. Max 0,022% C. Transformeert tot γ-austeniet bij 912°C.

Cementiet

Metastaabiele fase, vaste samenstelling Fe₃C. Bij kamertemperatuur extrem langzaam ontbinding → Fe + C (graafiet). Tijdschaal ≫ levensduur toepassing. Hoge temperaturen/legeringselementen bevorderen graafietvorming. Hard, bros → ideaal voor staalversterking. Mechanische eigenschappen afhankelijk van microstructuur (menging met ferriet).