Het ijzer-koolstof-fasediagram

Het ijzer-koolstof-fasediagram

De fasediagrammen zijn zeer belangrijke hulpmiddelen bij de studie van legeringen voor oplossingen van veel praktische problemen in de metallurgie. Deze diagrammen definiëren de gebieden van de stabiliteit van een fase die kunnen bestaan ​​in een legeringssysteem onder de conditie van constante atmosferische druk. Voor een binair systeem zijn de coördinaten van deze diagrammen temperatuur en samenstelling. De onderlinge relaties tussen de fasen, de temperatuur en de samenstelling in een legeringssysteem worden normaal gesproken alleen onder evenwichtsomstandigheden door fasediagrammen weergegeven. Dergelijke omstandigheden doen zich voor tijdens langzame verwarmings- en afkoelsnelheden van de legeringen, wanneer de kinetiek van transformaties geen belangrijke rol speelt.

In hun eenvoudigste vorm zijn ijzer en staal legeringen van ijzer (Fe) en koolstof (C). Er zijn drie soorten ijzerlegeringen. Deze legeringen bestaan ​​uit (i) ijzer met een C-gehalte van minder dan 0,0008 % bij kamertemperatuur, (ii) staal met een C-gehalte van 0,008% tot 2,14% (normaal minder dan 1%) en met een microstructuur bestaande uit ferriet en cementiet ), en (iii) gietijzer met een C-gehalte van 2,14 % tot 6,7 % (normaal minder dan 4,5 %). De studie van de samenstelling en structuur van ijzer en staal begint met het ijzer-koolstof (Fe-C) fasediagram (Fig 1). Fe-C-fasediagram wordt ook gebruikt als basis voor het begrip van de warmtebehandelingsprocessen.

Veel van de basiskenmerken van het Fe-C-systeem beïnvloeden het gedrag van zelfs de meest complexe gelegeerde ijzer- en staalsoorten. De fasen die in het eenvoudige binaire Fe-C-systeem worden gevonden, blijven bijvoorbeeld bestaan ​​in complexe staalsoorten, maar het is noodzakelijk om de effecten te onderzoeken die legeringselementen hebben op de vorming en eigenschappen van deze fasen. Het Fe-C-diagram biedt een waardevolle basis waarop de kennis van zowel koolstofstaal als gelegeerd staal kan worden gebouwd.

Fig 1 IJzerkoolstoffasediagram

C is een interstitiële onzuiverheid in Fe. Het vormt een solide oplossing met alfa-, gamma- en delta-fasen van ijzer. De maximale oplosbaarheid van C in alfa-ijzer is 0,025 % bij 727 ° C. Lichaamsgecentreerd kubisch (BCC) ijzer heeft relatief kleine interstitiële posities. De maximale oplosbaarheid van C in het face-centered cubic (FCC) gamma-ijzer is 2,14 % bij 1148 ° C. FCC-ijzer heeft grotere interstitiële posities. Mechanische eigenschappen van ijzer-koolstoflegeringen (ijzer en staal) zijn afhankelijk van hun microstructuur, dat wil zeggen hoe de verschillende fasen worden gemengd.

Het ijzer-koolstoffasediagram in figuur 2 toont eigenlijk twee diagrammen, namelijk (i) het stabiele ijzer-grafietdiagram (rode lijnen), (ii) en het metastabiele Fe-Fe3C-diagram. Cementiet is metastabiel en het ware evenwicht is tussen ijzer en grafiet (C). Hoewel grafiet veel voorkomt in gietijzer, is het meestal moeilijk om deze evenwichtsfase in staal te verkrijgen. De stabiele toestand duurt meestal erg lang om zich te ontwikkelen, vooral in het lage temperatuur- en koolstofarme bereik. Daarom is het normale evenwichtsdiagram dat over het algemeen wordt gebruikt het metastabiele Fe-Fe3C-diagram omdat het relevant is voor het gedrag van de meeste staalsoorten in de praktijk.

De details van de stabiele en metastabiele fasediagrammen van het Fe-C-systeem, vooral aan de Fe-rijke kant, zijn veel beter bekend dan enig ander binair systeem met vergelijkbare complexiteit. Er zijn echter nog steeds substantiële gebieden waar het fasediagram niet goed is vastgesteld, zoals in de temperatuur-, samenstellings- en drukbereiken die niet direct verband houden met het maken van ijzer en staal.

Fig 2 IJzer-koolstofdiagram met stabiele en metastabiele fasen

Er zijn enkele belangrijke metallurgische fasen en microbestanddelen in het ijzer-koolstofsysteem. In het Fe-Fe3C-systeem is koolstof een interstitiële onzuiverheid in Fe. Het vormt een vaste oplossing met alfa- (alfa-ferriet), gamma- (austeniet) en delta- (delta-ferriet) fasen van ijzer. Dit zijn belangrijke fasen in het Fe - Fe3C-fasediagram. Tussen de enkelfasige velden bevinden zich gebieden met mengsels van twee fasen, zoals ferriet en cementiet, austeniet en cementiet, en ferriet en austeniet. Bij de hoogste temperaturen is het vloeistoffaseveld te vinden en daaronder bevinden zich de tweefasenvelden vloeistof en austeniet, vloeistof en cementiet, en vloeistof en ferriet. Bij de warmtebehandeling van staal wordt de vloeibare fase altijd vermeden. Op het eutectische punt (4,26 % C) wordt vloeibare legering bij afkoeling direct omgezet in austeniet en cementiet zonder enig tweefasenveld. Evenzo wordt op het Eutectoid-punt (0,76 % C) de austenietfase bij afkoeling direct omgezet in ferriet en cementiet zonder enig tweefasenveld. Sommige belangrijke grenzen bij enkelfasige velden hebben speciale namen gekregen die het begrip van het diagram vergemakkelijken.

De belangrijkste fasen van ijzer en staal in evenwicht zijn de volgende fasen.

• Ferriet- of alfa-ijzerfase:het is een stabiele vorm van ijzer bij kamertemperatuur. Het is een relatief zachte fase bij lage temperatuur en is een stabiele evenwichtsfase. Het transformeert naar FCC-austeniet (gammafase) bij 910 ° C. Ferriet is een veelgebruikt bestanddeel in staal en heeft een BCC-structuur, die minder dicht opeengepakt is dan de FCC-structuur. Het is zacht en redelijk kneedbaar. Het is magnetisch onder 768 ° C. Het heeft een lage sterkte en een goede taaiheid.
• Austenitische of gamma-ijzerfase - Austeniet is een fase bij hoge temperatuur. Het is een solide oplossing van C in het FCC-ijzer. Daarom heeft het een FCC-structuur, wat een dicht opeengepakte structuur is. Het is een niet-magnetische en ductiele fase. Het transformeert in BCC-delta-ferriet bij 1394 ° C. Het is niet stabiel onder de eutectische temperatuur (727 ° C) tenzij het snel wordt afgekoeld. Austeniet heeft een goede sterkte en taaiheid.
• Delta-ferrietfase - Het is een solide oplossing van C in BCC-ijzer. Het is alleen stabiel bij een temperatuur hoger dan 1394 ° C. Het smelt bij 1538 ° C. Het heeft paramagnetische eigenschappen.
• Cementiet - Het is Fe3C of ijzercarbide. Het is een intermetallische verbinding van Fe en C. Het heeft een complexe orthorhombische structuur en is een metastabiele fase. Het is een harde, broze fase. Het heeft een lage treksterkte, goede druksterkte en lage taaiheid. Het ontleedt (zeer langzaam, binnen enkele jaren) in alfa-ferriet en C (grafiet) bij een temperatuurbereik van 650 ° C tot 700 ° C.

Bij het vergelijken van austeniet met ferriet, is de oplosbaarheid van koolstof meer in austeniet met een maximale waarde van 2,14% bij 1148 ° C. Deze hoge oplosbaarheid van koolstof in austeniet is uiterst belangrijk bij warmtebehandeling, wanneer oplossingsbehandeling in austeniet gevolgd door snel afschrikken tot kamertemperatuur maakt de vorming van een oververzadigde vaste oplossing van koolstof in ijzer mogelijk. De ferrietfase is beperkt met een maximale koolstofoplosbaarheid van 0,025% bij 727°C. Aangezien het koolstofbereik dat beschikbaar is in gewone staalsoorten van 0,05% tot 1,5% is, wordt ferriet normaal gesproken geassocieerd met cementiet in een of andere vorm. Evenzo is de delta-fase zeer beperkt en bevindt deze zich in het temperatuurbereik tussen 1394 deg C en 1538 deg C/ Het verdwijnt volledig wanneer het koolstofgehalte 0,5% bereikt.

Legering van eutectoïde samenstelling (0,76% C) vormt, wanneer langzaam afgekoeld, perliet, een gelaagde structuur van twee fasen, namelijk alfa-ferriet en cementiet. Pearlite is het ferriet-cementietfasemengsel. Het heeft een karakteristieke uitstraling en kan worden behandeld als een microstructureel geheel of microbestanddeel. Het is een aggregaat van afwisselende ferriet- en cementietlamellen dat degenereert (sferoïdiseert of grover wordt) tot cementietdeeltjes gedispergeerd met een ferrietmatrix na langdurig vasthouden beneden 727 ° C. Het is een eutectoïde en heeft een BCC-structuur. Het is een gedeeltelijk oplosbare oplossing van Fe en C. Mechanisch gezien heeft het perliet eigenschappen van gemiddeld tot zacht, ductiel ferriet en hard, bros cement. Het heeft een hoge sterkte en een lage taaiheid.

Hypo-eutectoïde legeringen bevatten pro-eutectoïde ferriet (gevormd boven de eutectoïde temperatuur) samen met de eutectoïde perliet die eutectoïde ferriet en cementiet bevatten. Hyper-eutectoïde legeringen bevatten pro-eutectoïde cementiet (gevormd boven de eutectoïde temperatuur samen met perliet die eutectoïde ferriet en cementiet bevatten.

In het geval van niet-evenwichtige stolling van het Fe-C-systeem kunnen ook enkele aanvullende soorten microstructuren worden gevormd. Enkele van deze microstructuren worden hieronder gegeven.

• Bainiet – Het is een fase tussen perliet en martensiet. Het is een hard metastabiel microbestanddeel en bestaat uit een niet-lamellair mengsel van ferriet en cementiet op een uiterst fijne schaal. Bovenbainite wordt gevormd bij hogere temperaturen en heeft een vederachtig uiterlijk. Lager bainiet wordt gevormd bij lagere temperaturen en heeft een naaldvormig uiterlijk. De hardheid van bainiet neemt toe met afnemende temperatuur van zijn vorming. Het heeft een goede sterkte en taaiheid.
• Martensiet - Het is een zeer harde vorm van stalen kristallijne structuur. Het is vernoemd naar de Duitse metallurg Adolf Martens. Het wordt gevormd door snelle afkoeling en is hard en broos. Het is een lichaamsgerichte tetragonale (BCT) vorm van ijzer waarin wat koolstof is opgelost. Het wordt gevormd tijdens het afschrikken, wanneer het op het oppervlak gecentreerde kubische rooster van austeniet wordt vervormd tot de tetragonale structuur waarin het lichaam is gecentreerd zonder het verlies van de aanwezige koolstofatomen in cementiet en ferriet. Het is een superverzadigde oplossing van C-atomen in ferriet. Het is een hard metastabiele fase. Het heeft een latmorfologie wanneer C minder is dan 0,6%, plaatmorfologie wanneer C meer dan 1% is, en een mengsel van die daartussenin. Het heeft een hoge sterkte en hardheid en een lage taaiheid.
• Sorbiet / troostiet – Structuren van het onderste perlietstadium met zeer fijne vlokken worden sorbiet en troostiet genoemd. Het zijn de transformatiestructuren van het perlietstadium die overeenkomen met de toenemende koelsnelheden. Het verandert echter de structuurverhouding en de vorming van parelliet met betrekking tot de vlokafstand. De structuur kan niet worden gezien onder een optische microscoop.
• Widmanstatten-ferriet - Het wordt verkregen wanneer hypo-eutectisch gewoon koolstofstaal snel wordt afgekoeld tot een temperatuur boven de A3-temperatuur. Door de snelle afkoeling is er weinig tijd om de ferrietkristallen te kiemen, niet alleen op de korrelgrens maar ook binnen de grote austenietkorrels. Ze groeien snel in een bepaalde kristalrichting die de voorkeur heeft in de korrel en worden dus vrij lang. De structuur heeft de vorm van naalden (latten) of platen die de neiging hebben om in dezelfde richting binnen één korrel uit te lijnen.

Er zijn veel temperaturen en kritieke punten in het Iron-C-diagram die zowel vanuit fundamenteel als praktisch oogpunt belangrijk zijn. Dit zijn de temperaturen wanneer tijdens het koelen of verwarmen de transformaties van zowel fase als magnetisch daarin plaatsvinden. De temperaturen waarbij de transformaties plaatsvinden in de vaste toestand worden kritische temperaturen of kritische punten genoemd. De belangrijkste temperaturen en kritische punten worden hieronder gegeven.

• A0-temperatuur - Het is de Curie-temperatuur wanneer de magnetische naar niet-magnetische verandering van cementiet optreedt bij verwarming. De structuur kan defecten ontwikkelen zoals dislocaties, fouten en leegstand. Cementiet is metallisch en ferromagnetisch met een Curie-temperatuur van ongeveer 210 ° C. Wanneer gelegeerd, vervangen metalen opgeloste stoffen zich op de ijzerplaatsen; kleinere atomen zoals boor vervangen koolstof op interstitiële plaatsen.
• A1-temperatuur - Dit is de temperatuur (727 ° C) wanneer de eutectoïde transformatie plaatsvindt. Bij deze temperatuur verandert perliet bij verhitting in austeniet en vice versa
• A2-temperatuur - Het wordt de Curie-temperatuur van ferriet (768 ° C) genoemd, waarbij ferromagnetisch ferriet bij verwarming verandert in paramagnetisch. Bij deze temperatuur is er geen verandering in microstructuur betrokken
• A3-temperatuur - Het is de temperatuur waarbij ferriet zich net begint te vormen uit austeniet, bij afkoeling van hypo-eutectisch staal of laatste sporen van vrij ferriet verandert in austeniet, bij verwarming. Het is dus de temperatuur die overeenkomt met de gamma + alfa/gamma-fasegrens voor hypo-eutectoïde staal en is een functie van het koolstofgehalte van het staal, aangezien het daalt van 910 deg C bij 0% C tot 727 deg C bij 0,76% C Het wordt ook wel de bovenste kritische temperatuur van hypo-eutectische staalsoorten genoemd. Het temperatuurinterval tussen A1- en A3-temperaturen wordt het kritische bereik genoemd waarin het austeniet in evenwicht met ferriet bestaat.
• Acm-temperatuur - Het is de temperatuur, in een hyper-eutectoïde staal, waarbij pro-eutectoïde cementiet zich net begint te vormen (bij afkoeling) uit austeniet. Het vertegenwoordigt de temperatuur van gamma/gamma + Fe3C-fasegrens en is een functie van koolstof. De Acm-lijn illustreert dat de vaste oplosbaarheid van koolstof in austeniet zeer snel afneemt van maximaal 2,14% bij 1148°C tot maximaal 0,76% bij 727°C, als gevolg van een grotere stabiliteit van cementiet bij lagere temperaturen. De extra koolstof slaat neer uit austeniet als pro-eutectoïde cementiet in hypereutectoïde staalsoorten (ook wel secundair cementiet genoemd in gietijzer). Scheiding van cementiet van austeniet (bij afkoeling) gaat ook gepaard met warmteontwikkeling.
• A4-temperatuur - Het is de temperatuur waarbij austeniet wordt omgezet in delta-ijzer. De laagste waarde voor deze temperatuur is 1394 deg C wat in het geval van zuiver ijzer is. Deze temperatuur neemt toe naarmate het koolstofpercentage wordt verhoogd.
• Mevrouw temperatuur - Dit is de temperatuur waarbij de transformatie van austeniet naar martensiet begint tijdens het afkoelen.
• Mf-temperatuur - Dit is de temperatuur waarbij de vorming van martensiet eindigt tijdens het afkoelen. Alle veranderingen, behalve de vorming van martensiet, vinden plaats bij lagere temperaturen tijdens afkoeling dan tijdens verwarming en zijn afhankelijk van de snelheid van temperatuurverandering.

Austenite-ferriet transformatie – Onder evenwichtsomstandigheden wordt pro-eutectoide ferriet gevormd in ijzer-koolstoflegeringen die tot 0,76% koolstof bevatten. De reactie vindt plaats bij 910°C in zuiver ijzer, maar vindt plaats tussen 910°C en 727°C in ijzer-koolstoflegeringen. Door echter van de austenitische toestand af te koelen naar temperaturen onder de eutectoïde temperatuur, kan ferriet worden gevormd tot temperaturen zo laag als 600 ° C. Er zijn uitgesproken morfologische veranderingen als de transformatietemperatuur wordt verlaagd, die normaal gesproken in het algemeen gelden voor hypo-eutectische en hyper-eutectoide fasen, hoewel er in elk geval variaties zijn vanwege de precieze kristallografie van de betrokken fasen. Zo gelden dezelfde principes voor de vorming van cementiet uit austeniet, maar is het morfologisch niet moeilijk om ferriet van cementiet te onderscheiden.

Austeniet-cementiet transformatie – Er zijn verschillende morfologieën van cementiet die worden gevormd bij steeds lagere transformatietemperaturen. De initiële ontwikkeling van allotriomorfen aan de korrelgrens lijkt sterk op die van ferriet en de groei van zijplaten of Widmanstatten-cementiet volgt hetzelfde patroon. De allotriomorph heeft een vorm die zijn interne kristallijne symmetrie niet weerspiegelt. Dit komt omdat het de neiging heeft om te kiemen op de austenietkorreloppervlakken, waardoor lagen worden gevormd die de korrelgrenscontouren volgen. De cementietplaten hebben een meer rigoureuze kristallografische vorm, ondanks het feit dat de oriëntatierelatie met austeniet complexer is. Net als in het geval van ferriet, zijn de meeste zijplaten afkomstig van allotriomorfen aan de korrelgrens, maar in de cementietreactie kiemen meer zijplaten bij dubbele grenzen in austeniet.

Austeniet-perlietreactie – Perliet is de meest bekende microstructuur in het ijzerkoolstoffasediagram. Het werd meer dan een eeuw geleden ontdekt door Sorby, die er terecht aannam dat het een lamellair mengsel van ijzer en ijzercarbide was. Het is een veel voorkomend bestanddeel van een grote verscheidenheid aan staalsoorten, waar het een substantiële bijdrage levert aan de sterkte. Lamellaire eutectoïde structuren van dit type zijn wijdverbreid in de metallurgie van staal. Deze structuren hebben veel gemeen met de cellulaire neerslagreacties. Beide soorten reacties vinden plaats door kiemvorming en groei, en zijn daarom diffusiegecontroleerd. Perlietkernen komen voor op austenietkorrelgrenzen, maar het is duidelijk dat ze ook kunnen worden geassocieerd met zowel pro-eutectoide ferriet als cementiet. In commerciële staalsoorten kunnen perlietknobbeltjes kiemen op insluitsels.