CURSUL NR. 7

CAPITOLUL III

ALIAJE FIER CARBON

SISTEMUL Fe-Fe3C I SISTEMUL Fe-GRAFIT

n prezent aliajele cele mai utilizate n industria mondial sunt aliajele fierului cu carbonul, adic fontele i oelurile. Aceste aliaje sunt cuprinse n diagrama Fe-C, diagram care arat strile n care se afl acestea la diferite temperaturi, precum i punctele critice la care n aceste aliaje se vor produce transformri.

3.1. DIAGRAMA DE ECHILIBRU Fe-C. ASPECTUL I PARTICULARITILE DIAGRAMEI Fe-C

Aspectul diagramei Fe-C prezentat n figura 3.1 este dup STAS 2500/80. Analiznd diagrama Fe-C constatm c ea prezint o serie de particulariti i anume:

a) diagrama este aparent complicat; b) diagrama este incomplet, n ea fiind reprezentate numai aliajele cu coninut de carbon de pn

la 6,67 %;

c) diagrama prezint dou feluri de linii: linii continue i linii ntrerupte. Studiind amnunit particularitile diagramei vom observa urmtoarele:

a) ntr-adevr, diagrama este doar aparent complicat. Ea prezint transformri n stare solid care se datoreaz:

- transformrilor alotropice ale fierului - variaiei cu temperatura a solubilitii carbonului n soluiile solide i .

b) Diagrama este incomplet, adic este construit doar pn la 6,67 % C i nu pn la 100 % C, deoarece aliajele coninnd mai mult de 6,67 % C sunt greu de obinut i sunt puin utilizate.

c) Existena a dou feluri de linii n diagram este determinat de viteza de rcire la solidificare i de prezena n topitur a unor anumite elemente. Astfel, transformrile pot avea loc dup liniile continue (sistemul Fe-C nestabil) sau dup liniile ntrerupte (sistemul Fe-C stabil).

Figura 3.1. Diagrama de echilibru

Fe-C: sistemul nestabil (Fe-Fe3C),

- - - - sistemul stabil (Fe-grafit).

Sistemul reprezentat prin linii continue, adic sistemul Fe-C nestabil sau metastabil, numit i sistemul Fe-Fe3C, este valabil n cazul cnd topitura este rcit cu o vitez mai mare sau cnd n lichid se gsesc n

cantiti ceva mai mari de elemente carburigene (Mn, Cr, V, Mo etc.), iar carbonul se afl n cantiti mai reduse, separarea fcndu-se sub form de carbur de fier (Fe3C) numit i cementit.

Sistemul reprezentat prin linii ntrerupte, adic sistemul Fe-C stabil, numit i sistemul Fe-grafit, este valabil n cazul cnd topitura este rcit cu o vitez mai mic i cnd n lichid sunt prezente n cantiti mai mari elemente grafitizante (Si, Ni, Al etc.), iar carbonul se afl n cantiti mai mari, separarea fcndu-se sub form de grafit.

5.2. SISTEMUL Fe-Fe3C

3.2.1. Aspectul diagramei Fe-Fe3C. Mecanismul formrii structurilor n diagrama Fe-Fe3C

Aspectul diagramei Fe-Fe3C este prezentat n figura 3.2.

Linia ABCD este linia lichidus, deasupra creia toate aliajele se vor afla n stare lichid, iar linia AHJECFD este linia solidus, dedesubtul creia toate aliajele vor fi complet solidificate. ntre cele dou linii se vor afla, n echilibru, soluie lichid i cristale.

Figura 3.2. Diagrama Fe-Fe3C.

Punctul B este un punct de inflexiune pe linia lichidus, fiind un punct peritectic, iar orizontala HJB o

orizontal peritectic. La traversarea acestei orizontale peritectice, n aliajele situate n dreptul ei, se produce transformarea peritectic:

Punctul C este punctul eutectic al diagramei Fe-Fe3C, iar orizontala ECF este orizontala eutectic. La

traversarea acestei orizontale eutectice, se produce transformarea eutectic:

Punctul S este punctul eutectoid al diagramei Fe-Fe3C iar orizontala PSK este orizontala eutectoid.

La temperatura acestei orizontale eutectoide se produce transformarea eutectoid:

3.2.2. Punctele critice din sistemul Fe-Fe3C

Punctele critice reprezint temperaturi la care n structura aliajelor fier-carbon au loc transformri. Cunoaterea acestor puncte este deosebit de important pentru tratamentele termice, n vederea stabilirii parametrilor termici optimi.

n diagrama Fe-Fe3C, exist ase puncte critice care sunt prezentate n figura 3.3 i tabelul 3.1.

Figura 3.3. Punctele critice ale diagramei Fe-Fe3C.

Punctele critice ale sistemului Fe-Fe3C Tab3.1

5.2.3. Constituenii de echilibru ai aliajelor Fe-Fe3C

Constituenii metalografici, prezentai n diagrama Fe-Fe3C, arat structura pe care o prezint

diferitele aliaje cuprinse n acest sistem. Proprietile diferitelor aliaje cuprinse n sistemul Fe-Fe3C

depind de natura, ponderea i proprietile diferiilor constitueni, care vor forma structura lor. Ferita este o soluie solid de carbon n fierul cu reeaua cubic cu volum centrat, motiv pentru

care se mai numete i soluie solid . Deoarece fierul dizolv foarte puin carbon (0,02 % la temperatura de 727 C i 0,002 % la temperatura ordinar) aceast soluie solid este foarte apropiat de fierul tehnic, motiv pentru care a primit denumirea de ferit.

Compoziia chimic a feritei este apropiat de cea a fierului pur, motiv pentru care proprietile feritei sunt i ele apropiate de cele ale fierului pur.

Din punct de vedere magnetic, ferita este feromagnetic pn latemperatura de 770 C (punctul critic A2, cunoscut i sub denumirea de punctul Curie).

Datorit faptului c ferita este un constituent moale i plastic, prezena ei n structura aliajelor Fe-C contribuie la obinerea unei plasticiti ridicate n aceste aliaje i a unei duriti i rezistene la rupere mai sczute, motiv pentru care ferita este structura de baz a oelurilor moi cu structur feritic, folosite pe scar larg n industrie i mai ales n construcia de autovehicule, supunndu-se operaiilor de deformare la rece.

Austenita este o soluie solid de ntreptrundere de carbon n fierul , cu reeaua cubic cu fee centrate, motiv pentru care se numete i soluie solid .

Austenita dizolv carbon n cantiti mai mari dect ferita, cantitatea maxim de carbon, dizolvat n soluia solid , este dat de punctul E din diagrama Fe-C, care indic concentraia de 2,11 % C.

n oelurile carbon, austenita este stabil numai la temperaturi ridicate, peste 727 C. n cazul n care aliajul conine ns elemente de aliere, care deplaseaz liniile de transformare din diagram i lrgesc domeniul soluiei solide , austenita poate s apar i la temperatura ordinar.

Cementita este un compus chimic respectiv o carbur de fier cu formula Fe3C, coninnd 6,67 % C,

avnd o reea ortorombic. Datorit acestei reele cementita are posibiliti reduse de alunecare motiv pentru care are o duritate foarte ridicat i o fragilitate foarte mare. S-a stabilit c valoarea duritii variaz ntre 700-800 HB. Din cauza fragilitii ridicate, ct i din cauz c nu pot fi obinute epruvete exclusiv din cementit pentru ncercarea la traciune, rezistena la rupere i alungirea la rupere nu pot fi determinate.

Din punct de vedere magnetic, cementita este feromagnetic sub temperatura de 210 C (notat cu A0 n diagrama Fe-C) i paramagnetic, peste aceast temperatur.

La microscop cementita apare de culoare alb strlucitoare, n cazul n care developarea structurii s-a fcut prin utilizarea reactivului obinuit Nital, sau de culoare brun rocat, n cazul atacului cu picrat de sodiu n soluie alcalin la cald. Prin acest din urm atac, cementita poate fi deosebit de ferit, care apare tot de culoare alb ca i cementita, la atacul cu Nital.

Din punct de vedere al formei sub care apare la microscop, se disting urmtoarele categorii de cementit:

- cementita acicular (sub form de cristale primare n fontele albe hipereutectice); - cementit sub form de reea (n oelurile hipereutectoide); - cementit globular sau grunoas (n oelurile hipereutectoide, n care reeaua a fost sfrmat

prin forjare sau tratament termic sau n oelurile eutectoide n perlit) i - cementit lamelar (n oelurile eutectoide cu structur perlitic lamelar).

Perlita este eutectoidul diagramei Fe-Fe3C, fiind deci un amestec mecanic, care apare n urma

reaciei eutectoide:

Perlita va avea proprieti intermediare ntre cele ale feritei, care este un constituent moale i cele ale cementitei, care este un constituent dur i fragil. Este necesar s cunoatem care este ns ponderea n structura perlitei, a celor doi constitueni care o formeaz, pentru a-i ti ct mai exact proprietile.

Ledeburita este eutecticul diagramei Fe-Fe3C, fiind i ea un amestec mecanic ca i perlita, rezultnd

n urma reaciei eutectice. La temperatura ordinar este format din perlit i cementit Ledeburita apare la microscop sub un aspect pestri fiind format din insule de culoare nchis de

perlit, pe fond de cementit de culoare deschis. Din punct de vedere magnetic, ledeburita este feromagnetic deoarece conine perlit feromagnetic.