Het ijzer-koolstof fasendiagram begrijpen: essentiële inzichten voor metallurgie

Fasendiagrammen zijn cruciale hulpmiddelen in de legeringstudie voor oplossingen van praktische problemen in de metallurgie. Ze definiëren stabiliteitsgebieden van een fase die kan bestaan in een legeringssysteem onder constante atmosferische druk. Voor een binair systeem zijn de coördinaten temperatuur en samenstelling. De onderlinge relaties tussen fasen, temperatuur en samenstelling worden door fasendiagrammen alleen onder evenwichtscondities weergegeven. Dergelijke condities treden op bij langzame verhitings- en afkoelsnelheden, wanneer transformatiekinetiek geen dominante rol speelt.

In hun eenvormste vorm zijn ijzer en stalen legeringen van ijzer (Fe) en koolstof (C). Drie typen ferreuse legeringen: (1) ijzer met C <0,0008% bij kamertemperatuur, (2) stalen met C 0,008-2,14% (meestal <1%), microstructuur ferriet en cementiet, (3) gietijzer met C 2,14-6,7% (meestal <4,5%). De studie van constitutie en structuur begint met het Fe-C fasendiagram (Afbeelding 1). Fe-C diagram is ook basis voor warmtebehandeling begrip.

Veel basiskenmerken van Fe-C systeem beïnvloeden gedrag van complexe legeringen. Fasen in binair Fe-C systeem blijven bestaan in complexe stalen, maar effecten van legeringselementen op vorming/eigenschappen van deze fasen moeten onderzocht worden. Fe-C diagram biedt waardevolle basis voor kennis van zowel koolstofstalen als legeringsstalen.

C is interstitiële onzuiverheid in Fe. Vormt vaste oplossing met alfa, gamma en delta fasen van ijzer. Max oplosbaarheid C in alfa-ijzer: 0,025% bij 727 °C. Lichaamgecentreerd kubisch (BCC) ijzer heeft kleine interstitiële posities. Max oplosbaarheid C in vlakgecentreerd kubisch (VCC/FCC) gamma-ijzer: 2,14% bij 1148 °C. VCC heeft grotere interstitiële posities. Mechanische eigenschappen van Fe-C legeringen hangen af van microstructuur: hoe fasen gemengd zijn.

Fe-C diagram in Afbeelding 2 toont twee diagrammen: (1) stabiel ijzer-grafiet diagram (rode lijnen), (2) metastabiel Fe-Fe3C diagram. Cementiet is metastabiel; ware evenwicht is tussen ijzer en grafiet (C). Hoewel grafiet veelvoorkomend in gietijzers, is het moeilijk dit evenwicht in stalen te verkrijgen. Stabiele toestand neemt lange tijd, vooral lage temperatuur/koolstof. Daarom is metastabiel Fe-Fe3C diagram de standaard (relevant voor gedrag van meeste stalen in praktijk).

Details van stabiele/metastabiele diagrammen, vooral Fe-rijke zijde, zijn beter bekend dan andere binaire systemen met gelijke complexiteit. Er zijn nog gebieden waar diagram niet goed vaststaat (temperatuur, samenstelling, druk ranges niet direct gerelateerd aan ijzer/staelproductie).

Belangrijke metallurgische fasen en microconstituenten

In Fe-Fe3C systeem is C interstitiële onzuiverheid in Fe. Vaste oplossing met alfa (alfa-ferriet), gamma (austeniet), delta (delta-ferriet) fasen. Belangrijke fasen. Tussen eenvoudige fasen: twee-fasengebieden: ferriet+cementiet, austeniet+cementiet, ferriet+austeniet. Bij hoogste temperaturen: vloeistofveld. Eronder: vloeistof+austeniet, vloeistof+cementiet, vloeistof+ferriet. Bij warmtebehandeling stalen: vloeistof gefase altijd vermeden. Bij eutectisch punt (4,26% C): vloeistoflegering bij afkoelen direct omgezet in austeniet+cementiet zonder twee-fasenveld. Bij eutectoïd punt (0,76% C): austeniet bij afkoelen direct omgezet in ferriet+cementiet zonder twee-fasenveld. Speciale namen voor belangrijke grenzen vergemakkelijken begrip.

Hoofdfasen van ijzer en stalen in evenwicht

• Ferriet of alfa-ijzerfase: Stabiele vorm ijzer bij kamertemperatuur. Relatief zachte lage-temperatuurfase, stabiel evenwicht. Transformeert tot VCC austeniet (gamma) bij 910 °C. Veelvoorkomend in stalen, BCC structuur (minder dicht gepakt dan VCC). Zacht, tamelijk duktil. Magnetisch onder 768 °C. Lage sterkte, goede zwaarte.
• Austeniet of gamma-ijzerfase: Hoge-temperatuurfase. Vaste oplossing C in VCC ijzer. VCC structuur, dicht gepakt. Niet-magnetisch, duktil. Transformeert tot BCC delta-ferriet bij 1394 °C. Niet stabiel onder eutectoïde temperatuur (727 °C) tenzij snel afgekoeld. Goede sterkte en zwaarte.
• Delta-ferrietfase: Vaste oplossing C in BCC ijzer. Alleen stabiel >1394 °C. Smelt bij 1538 °C. Paramagnetische eigenschappen.
• Cementiet: Fe3C of ijzercarbide. Intermetallische verbinding Fe en C. Complex orthorhombische structuur, metastabiele fase. Hard, broos. Lage trekkracht, goede druksterkte, lage zwaarte. Ontbindt (zeer langzaam, jaren) in alfa-ferriet en C (grafiet) bij 650-700 °C.

Vergelijking austeniet vs ferriet: oplosbaarheid C hoger in austeniet (max 2,14% bij 1148 °C). Deze hoge oplosbaarheid is cruciaal in warmtebehandeling: oplossingsbehandeling in austeniet gevolgd door snelle afkoeling naar kamertemperatuur geeft supersatureerde vaste oplossing C in ijzer. Ferriet beperkt: max 0,025% C bij 727 °C. Gewone stalen: 0,05-1,5% C → ferriet normaal geassocieerd met cementiet. Delta-fase zeer beperkt: 1394-1538 °C, verdwijnt volledig bij 0,5% C.

Eutectoïde samenstelling (0,76% C) langzaam afgekoeld → pareliet: gelaagde structuur van alfa-ferriet en cementiet. Pareliet = ferriet-cementiet fasemengsel. Karakteristiek uiterstand, microstructuur entiteit. Aggregaat van afwisselende ferriet- en cementietlamellen, degenereert (sferoidiseert/vergroot) tot cementietdeeltjes in ferrietmatrix na langdurig houden <727 °C. Eutectoïde, BCC structuur. Gedeeltelijk oplosbare oplossing Fe en C. Mechanisch: eigenschappen tussen zacht/duktil ferriet en hard/broos cementiet. Hoge sterkte, lage zwaarte.

Hypo-eutectoïde legeringen: pro-eutectoïde ferriet (vormt boven eutectoïde temperatuur) + eutectoïde pareliet (eutectoïde ferriet+cementiet). Hyper-eutectoïde legeringen: pro-eutectoïde cementiet (boven eutectoïde temperatuur) + pareliet.

Niet-evenwichtsverstolking: additionele microstructuren

• Bainiet: Fase tussen pareliet en martensiet. Harde metastabiele microconstituent, niet-gelaagd mengsel ferriet+cementiet op extreem fijne schaal. Bovenbainiet: hogere temperatuur, veerachtig uiterstand. Onderbainiet: lagere temperatuur, naaldachtig. Hardheid neemt toe met dalende vormingstemperatuur. Goede sterkte en zwaarte.
• Martensiet: Zeer harde kristallijne staalstructuur. Naam naar Adolf Martens. Vormt bij snelle afkoeling, hard en broos. Lichaamgecentreerd tetragonaal (BCT) ijzer met C opgelost. Vormt bij afschrikken: VCC rooster austeniet vervormt tot BCT zonder verlies C-atomen naar cementiet/ferriet. Supersatureerde oplossing C-atomen in ferriet. Harde metastabiele fase. Lath morfologie bij C<0,6%, plaat morfologie bij C>1%, mengvormen ertussen. Hoge sterkte/hardheid, lage zwaarte.
• Sorbiet/Troostiet: Structuren van lagere parelietfase met zeer fijne lamellen. Transformatestructuren parelietfase corresponderend met toenemende afkoelsnelheden. Verandert structuurverhouding en parelietvorming (lamelafstand). Niet zichtbaar onder optische microscoop.
• Widmanstätten-ferriet: Bij snelle afkoeling hypo-eutectoïde koolstofstaal vanaf >A3 temperatuur. Weinig tijd voor ferrietkristallen te nucleeren op korrelgrens én binnen grote austenietkorrels. Groeien snel in voorkeursrichting binnen korrel → langgerekt. Naalden (laths) of platen, uitgelijnd in zelfde richting binnen één korrel.

Belangrijke temperaturen en kritieke punten

Veel temperaturen/kritieke punten in Fe-C diagram, belangrijk basaal en praktisch. Temperaturen waarbij transformaties (fasen en magnetisch) optreden bij afkoelen/verhitten. Temperaturen voor vaste-stof transformaties: kritieke temperaturen/punten.

• A0 temperatuur: Curie-temperatuur: magnetisch naar niet-magnetisch verandering cementiet bij verwarmen. Structuur kan defecten ontwikkelen (dislocaties, fouten, vacatures). Cementiet: metalisch, ferromagnetisch, Curie ~210 °C. Bij legering: metalische solute substitueren op ijzerplaatsen; kleinere atomen (boor) vervangen C op interstitiële plaatsen.
• A1 temperatuur: 727 °C: eutectoïde transformatie. Pareliet ↔ austeniet bij verwarmen/afkoelen.
• A2 temperatuur: Curie-temperatuur ferriet (768 °C): ferromagnetische ferriet → paramagnetisch bij verwarmen. Geen microstructuurverandering.
• A3 temperatuur: Temperatuur waarop ferriet begint te vormen uit austeniet bij afkoelen hypo-eutectoïde staal, of laatste vrije ferriet → austeniet bij verwarmen. Gamma+alfa/gamma grens voor hypo-eutectoïde staal, functie van C-gehalte: daalt van 910 °C (0% C) naar 727 °C (0,76% C). Ook bovenste kritieke temperatuur hypo-eutectoïde stalen. Interval A1-A3 = kritiek gebied (austeniet in evenwicht met ferriet).
• Acm temperatuur: Bij hyper-eutectoïde staal: temperatuur waar pro-eutectoïde cementiet begint te vormen (afkoelen) uit austeniet. Gamma/gamma+Fe3C grens, functie van C. Acm-lijn toont oplosbaarheid C in austeniet daalt snel van max 2,14% (1148 °C) naar 0,76% (727 °C) door grotere stabiliteit cementiet bij lagere temperaturen. Extra C neerslaat als pro-eutectoïde cementiet (ook secundaire cementiet in gietijzers). Cementietscheiding uit austeniet (afkoelen) vergezeld van warmte-evolutie.
• A4 temperatuur: Austeniet → delta-ijzer. Laagste waarde 1394 °C (zuiver ijzer). Stijgt met C-gehalte.
• Ms temperatuur: Start transformatie austeniet → martensiet bij afkoelen.
• Mf temperatuur: Einde martensietvorming bij afkoelen. Alle veranderingen, behalve martensietvorming, treden op lagere temperaturen bij afkoelen dan verwarmen, afhankelijk van temperatuursnelheid.

Transformatiemechanismen

Austeniet-ferriet transformatie

Onder evenwicht: pro-eutectoïde ferriet in Fe-C legeringen tot 0,76% C. Reactie bij 910 °C in zuiver ijzer, maar 910-727 °C in legeringen. Echter, door afschrikken uit austenietische toestand naar <eutectoïde temperatuur, kan ferriet vormen tot 600 °C. Uitgesproken morfologische veranderingen bij dalende transformatietemperatuur, geldt algemeen voor hypo-/hyper-eutectoïde fasen (met variaties door kristallografie). Principes gelden ook voor cementietvorming uit austeniet, maar ferriet en cementiet morfologisch onderscheidbaar.

Austeniet-cementiet transformatie

Verschillende cementietmorfologieën bij progressief lagere transformatietemperaturen. Initiële korrelgrensallotriomorven vergelijkbaar met ferriet; zijplaten/Widmanstätten-cementiet volgen hetzelfde patroon. Allotrioorm: vorm weerspiegelt niet interne kristallijne symmetrie (nucleeert op austenietkorreloppervlakken, volgt korrelgrenscontouren). Cementietplaten strikt kristallografisch, ondanks complexere oriëntatierelatie met austeniet. Zoals bij ferriet: meeste zijplaten oorsprong korrelgrensallotriomorven, maar bij cementiet meer nucleatie op tweelinggrenzen in austeniet.

Austeniet-pareliet reactie

Pareliet: bekendste microstructuur in Fe-C diagram. Ontdekt door Sorby (> eeuw geleden), correct aanname: lamellaire mengsel ijzer en ijzercarbide. Veelvoorkomend in diverse stalen, substantiële bijdrage aan sterkte. Lamellaire eutectoïde structuren wijdverspreid in staalmetallurgie. Overeenkomsten met cellulaire neerslagreacties. Beiden: nucleatie en groei, diffusie-gecontroleerd. Parelietkernen op austenietkorrelgrenzen, maar ook geassocieerd met pro-eutectoïde ferriet/cementiet. In commerciële stalen: nucleatie op inclusies.