21

Diagrama de echilibru metastabil permite cunoaterea att a structurilor oelurilor recoapte, ct i a celor normalizate. In aceste oeluri se regsesc structurile din diagrama de echilibru, puin modificate n ce privete morfologia i fineea constituenilor metalografici, precum i n privina proprietilor acestora. Condiiile de tratamente termice i termochimice (de recoacere, normalizare, clire i revenire, carburare etc.) se stabilesc n funcie de punctele critice i de coninutul de carbon din diagrama de echilibru. Punctele critice ale oelurilor slab aliate i concentraia eutectoid sunt raportate la valorile existente n diagrama de echilibru, iar structurile acestor oeluri sunt similare cu cele din diagrama de echilibru, deosebindu-se de acestea prin fineea fazelor i prin proporia acestora sub aspect cantitativ. Fontele albe destinate maleabilizrii i cele nealiate i slab aliate utilizate n condiii de uzur abraziv au structurile n concordan cu diagrama de echilibru. 2.5.3.1. Liniile componente ale diagramelor Fe-C. Diagrama este trasat n coordonate temperatur - coninut de carbon. Temperatura, n grade Celsius, este nscris n ordonat, iar coninutul de carbon, n procente de mas, este nscris n abscis. Orice punct figurativ din diagram corespunde unui anumit coninut de carbon i unei anumite temperaturi. Orice orizontal din diagram reprezint o temperatur dat i orice vertical un anumit coninut de carbon. Curba ABCD (ABC'D' n diagrama de echilibru stabil), format din ramurile AB, BC (BC') i CD (C'D') reprezint curba lichidus, curba de echilibru termodinamic dintre lichid i primii germeni de cristalizare. La temperaturile corespunztoare curbei AB, din lichid ncepe s se separe ferita , iar la cele corespunztoare curbei BC, din lichid ncepe s se separe austenita. CD este curba de echilibru termodinamic dintre lichid i cementit (C'D' - n diagrama de echilibru stabil - curba de echilibru termodinamic dintre lichid i grafit); la temperaturile corespunztoare acestei curbe, din lichid ncepe s se separe cementita primar (grafitul primar). Curba AHJECF (AHJE'C'F' n diagrama de echilibru stabil), format din ramurile AH, HJ, JE (JE') i ECF (E'C'F'), constituie curba solidus, curba de echilibru termodinamic dintre solid i ultimele microvolume de lichid nesolidificat. Pe linia AH se termin cristalizarea primar a feritei , iar pe curba JE (JE' n diagrama de echilibru stabil) se ncheie cristalizarea primar a austenitei. Orizontala HJB este temperatura de echilibru termodinamic a fazelor care particip la reacia (transformarea) peritectic; orizontala ECF (E'C'F' n diagrama de echilibru stabil) reprezint temperatura de echilibru termodinamic a fazelor ce particip la reacia (transformarea) eutectic, iar orizontala PSK (P'S'K' n diagrama de echilibru stabil) este temperatura de echilibru termodinamic a fazelor care particip la reacia (transformarea) eutectoid, aceast orizontal reprezentnd locul geometric a punctelor critice A1. Pe linia HN ncepe transformarea alotropic a feritei n austenit, transformare ce se termin pe linia NJ. Curba GS (GS' n diagrama de echilibru stabil) - locul geometric a punctelor critice A3 - este curba de echilibru termodinamic dintre austenit i ferit; la temperaturi corespunztoare acestei linii ncepe transformarea alotropic a austenitei n ferit, transformare care se termin la temperaturi corespunztoare curbei GP. SE - locul geometric a punctelor critice Acem - reprezint curba de echilibru termodinamic dintre austenit i cementit (S'E' - n diagrama de echilibru stabil - curba de echilibru termodinamic dintre austenit i grafit) sau curba de variaie a solubilitii carbonului cu temperatura n austenit. Pe aceast curb (ca urmare a scderii cu temperatura a solubilitii carbonului n austenit) se separ cementita secundar (grafitul secundar). PQ este curba de echilibru termodinamic dintre ferit i cementit (P'Q' - n diagrama de echilibru stabil - curba de echilibru termodinamic dintre ferit i grafit) sau de variaie a solubilitii carbonului n ferit, n funcie de temperatur. Pe aceast curb (ca urmare a

22

scderii cu temperatura a solubilitii carbonului n ferit) se separ cementita teriar (grafitul teriar). Orizontala de 770 C reprezint temperatura de transformare magnetic (punctul critic A2) pentru ferit, iar orizontala de 210 C reprezint temperatura de transformare magnetic (punctul critic Ao) pentru cementit. 2.5.3.2. Transformri invariante la solidificare i n stare solid.

Transformarea peritectic Este prezent n aliajele care au carbonul cuprins ntre 0,09% i 0,53% (att n aliajele din diagrama Fe-Fe3C, ct i n cele din diagrama Fe-grafit). La temperatura de 1495 C sunt n echilibru urmtoarele faze: ferita cu un coninut de 0,09% C, lichidul cu 0,53% C i austenita cu 0,17% C, iar la (1495 - ) C se desfur transformarea (reacia) peritectic ( este o subrcire foarte mic, ns suficient pentru ca transformarea s poat s se produc):

C %17,0C ) 1495(

C %53,0C %09,0 ALF + o

Transformarea se desfoar n mod diferit, dup cum procentul de carbon este mai mic sau mai mare de 0,17%. Astfel, la aliajele cu un coninut de carbon cuprins ntre 0,09% i 0,17%, reacia are loc pn cnd se consum lichidul (L0,53% C), iar la aliajele cu carbonul cuprins ntre 0,17% si 0,53% transformarea continu pn la consumarea feritei , (F0,09% C). Transformarea eutectic a) diagrama Fe-Fe3C (diagrama de echilibru metastabil); Aceast transformare are loc n toate aliajele care au un coninut de carbon mai mare de 2,11%. La temperatura de 1148 C sunt n echilibru urmtoarele faze: austenita cu 2,11% C, lichidul cu 4,3% C i cementita (cu 6,67% C), iar la (1148 - ) C:

)CFeA(EL E3C %11,2C ) 1148(

C %3,4 + o

Transformarea are loc pn la dispariia fazei lichide (L4,3% C). In urma acestei transformri se formeaz un eutectic (E) alctuit din austenit cu un coninut de 2,11% C i cementit, numit cementit eutectic (Fe3CE); este o cementit primar, separat din lichid, ns inclus ntr-o formaiune eutectic (E), un amestec mecanic format la solidificare. b) diagrama Fe-grafit (diagrama de echilibru stabil). Transformare este ntlnit n toate aliajele care au un coninut de carbon mai mare de 2,08%. La temperatura de 1154 C sunt n echilibru urmtoarele faze: austenita cu 2,08% C, lichidul cu 4,26% C i grafitul, iar la (1154 - ) C:

)GrA(EL EC %08,2C ) 1154(

C %26,4 + o

Transformarea are loc pn la consumarea fazei lichide (L4,26% C). In urma acestei reacii se formeaz un eutectic (E) alctuit din austenit cu un coninut de 2,08% C i grafit, numit grafit eutectic, GrE (grafit primar, separat din lichid, inclus ntr-o formaiune eutectic, E). Transformarea eutectoid a) diagrama Fe-Fe3C (diagrama de echilibru metastabil); Aceast transformare este prezent n toate aliajele sistemului Fe-Fe3C, cu excepia

23

celor ce au un coninut de carbon mai mic de 0,0218%. La temperatura de 727 C sunt n echilibru urmtoarele faze: ferita cu 0,0218% C, austenita cu 0,77% C i cementita (cu 6,67% C), iar la (727 - ) C:

)CFeF(eA e3C %0218,0C ) 727(

C %77,0 + o

Transformarea se desfoar pn la dispariia austenitei (A0,77% C). Rezult un eutectoid (e) alctuit din ferit cu 0,0218% C i dintr-o cementit secundar, numit n acest caz cementit eutectoid (Fe3Ce), deoarece este inclus n formaiunea eutectoid (e), un amestec mecanic format n urma unei transformri n stare solid. b) diagrama Fe-grafit (diagrama de echilibru stabil). Transformare este prezent n toate aliajele sistemului Fe-grafit, cu excepia celor ce au un coninut de carbon mai mic de 0,0206%. La temperatura de 738 C sunt n echilibru urmtoarele faze: ferita cu 0,0206% C, austenita cu 0,68% C i grafitul, iar la (738 - ) C:

)GrF(eA eC %0206,0C ) 738(

C %68,0 + o

Transformarea are loc pn la dispariia austenitei. Rezult un eutectoid (e) alctuit din ferit cu un coninut 0,0206% C i din grafit, numit grafit eutectoid, Gre (grafit secundar format n urma unei transformri n stare solid, inclus ntr-o formaiunea eutectoid, e). 2.5.3.3. Faze i constitueni n sistemul de aliaje Fe-C. In diagrama Fe Fe3C se gsesc dup solidificare patru faze stabile, respectiv un numr de patru tipuri de cristale omogene ce intr n alctuirea structurii aliajelor fierului cu carbonul la temperaturi nalte sau la cea ambiant, i anume: - soluiile solide de carbon n Fe (ferita ), Fe (austenita), Fe (ferita); - compusul chimic Fe3C (cementita). Acestor constitueni monofazici li se adaug i dou amestecuri mecanice: - eutectoidul - perlita; - eutecticul - ledeburita. Soluia solid de carbon n Fe cunoscut sub numele de ferit (notat cu Fe(C), , sau F) cristalizeaz n reeaua CVC i este instabil la temperaturi joase, existnd n structura oelurilor (pn la 0,17% C), numai n intervalul de temperaturi 1538 1392 C. Soluia solid de carbon n Fe cunoscut sub denumirea de austenit (notat cu Fe(C), , sau A) are la baz reeaua cristalin a Fe (CFC) n care se dizolv interstiial atomii de carbon n proporie variabil, atingnd maximum 2,11% la 1148 C (punctul E), dup care solubilitatea scade la 0,77% C (punctul S) la 727 C. Domeniul de existen al austenitei este mult mai extins n raport cu cel al feritei , constituind pentru toate oelurile (de la 0 la 2,11% C) un domeniu comun la temperaturi nalte (peste curbele GS i SE) n care se pot nclzi, n condiii de omogenitate perfect, n vederea deformrilor plastice i a tratamentelor termice. Austenita poate dizolva interstiial sau prin substituie i alte elemente chimice, devenind austenit aliat, cu alte domenii de stabilitate, extinse chiar pn la temperatura ambiant (oeluri austenitice). Acest constituent metalografic este foarte plastic, are limita de elasticitate i rezistena la rupere sczute, prezint rezisten la coroziune i este nemagnetic Soluia solid de carbon n Fe, cunoscut sub denumirea de ferit (notat cu Fe(C), , sau F), cristalizeaz n reeaua CVC. Solubilitatea maxim a carbonului n Fe este de

24

0,0218% la temperatura de 727 C (punctul P). La 20 C solubilitatea carbonului n Fe este de numai 0,002% (punctul Q). Dup modul de formare, ferita poate fi proeutectoid care se depune la coninuturi de carbon mai mici de 0,77% sau eutectoid (ferita din perlit). La temperatura ambiant proprietile acestei faze sunt foarte apropiate de cele ale fierului pur; este magnetic (sub 770 C; punctul Curie) i confer oelurilor plasticitate i tenacitate. Carbura de fier, cunoscut sub denumirea de cementit, este un compus chimic reprezentat prin formula Fe3C, ce conine 6,67% C i care prezint o reea cristalin ortorombic. Cementita poate cristaliza direct din topitur la solidificarea fontelor albe (curba CD din diagrama de echilibru), caz n care se numete cementit primar (Fe3CI) sau poate precipita din austenit (curba SE) sau ferit (curba PQ), datorit scderii solubilitii carbonului cu temperatura, ca cementit secundar (Fe3CII), respectiv cementit teriar (Fe3CIII). In plus, cementita format n timpul transformrii eutectice (orizontala ECF) poart denumirea de cementit eutectic (Fe3CE), iar cea separat n timpul transformrii eutectoide (orizontala PSK) se numete cementit eutectoid (Fe3Ce). Este un constituent dur i fragil (HB = 800 daN/mm2, KCU = 0) i are proprieti magnetice sub 210 C (punctul critic Ao). Amestecul mecanic eutectoid, cunoscut sub denumirea de perlit (P), este alctuit din ferit i cementit i rezult din austenit n urma transformrii eutectoide la (727 - ) C, temperatura

1rA ; conine 0,77% C, are o duritate medie (HB = 200 300 daN/mm2), o rezisten mecanic nalt (Rm = 800 850 MPa), alungire la rupere bun (A = 8 10 %), o rezilien satisfctoare i este feromagnetic. Dup aspectul metalografic perlita poate fi lamelar sau globular. Amestecul mecanic eutectic numit i ledeburit se formeaz la solidificarea topiturii cu 4,3% C, la (1148 ) C, conform transformrii eutectice; acest amestec mecanic, alctuit din austenit cu 2,11% C (concentraia punctului E din diagrama de echilibru) i cementit (eutectic), mai poart denumirea i de ledeburit primar (LedI). La temperatura ambiant ledeburita este format din perlit i cementit i ea mai poart numele de ledeburit secundar (LedII) sau transformat (Ledtr); conine 4,3% C, este dur (HB = 600 700 daN/mm2) i fragil, iar la microscop are un aspect de piele de leopard. In diagrama Fe - grafit sunt ntlnite dup solidificare tot patru faze stabile, i anume: - soluiile solide de carbon n Fe (ferita ), Fe (austenita), Fe (ferita) care sunt identice cu cele existente n diagrama Fe - Fe3C; - grafitul. In acest tip de diagram sunt prezente i dou amestecuri (agregate) mecanice: un eutectoid i un eutectic.

Bibliografie

1. Baciu, C., .a., tiina materialelor metalice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1996. 2. Bibu, M., Studiul metalelor, Editura Universitii Lucian Blaga, Sibiu, 2000. 3. Bolundu, I.L., tiina i ingineria materialelor, Editura Tehnica - Info, Chiinu, 2010.

4. Cazimirovici, E., Teoria deformrii plastice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981.

5. Colan, H., .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983. 6. Dieter, G.E., Metalurgie mecanic, Editura Tehnic, Bucureti, 1970. 7. Drgan, I., .a., Tehnologia deformrilor plastice, Editura Didactic i Pedagogic,

Bucureti, 1979.

25

8. Dulucheanu, C., Bncescu, N., Introducere n tiina materialelor metalice, Editura PIM, Iai, 2013. 9. Dumitrescu, T., Diagrama de echilibru metastabil Fe-C, Universitatea din Galai, 1988. 10. Dumitrescu, T., Diagrama de echilibru stabil Fe-C, Universitatea din Galai, 1989. 11. Dumitrescu, T., Vasilescu, E., Aliaje fier-carbon. Constitueni microstructurali, Editura Macarie, Trgovite, 1999.

12. Gdea, S., Petrescu, M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol.II, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981.

13. Gdea, S., Petrescu, M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol.III, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983.

14. Geru, N., Teoria structural a proprietilor metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1980.

15. Geru, N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981. 16. Geru, N., .a., Materiale metalice. Structur, proprieti, utilizri, Editura

Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1985. 17. Popescu, N., .a., tiina materialelor pentru ingineria mecanic, vol. 1, Edidura Fair Partners, Bucureti, 1999.

18. Protopopescu, H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983.

19. Rdulescu, M., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982. 20 erban, V.A., Rdu, A., tiina i ingineria materialelor, Editura Politehnica, Timioara, 2012.

21. Suciu, V., Suciu, M.V., Studiul materialelor, Edidura Fair Partners, Bucureti, 2008. 22. Truculescu, M., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1977. 23. Ursache, M., Chirc, D., Proprietile metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982. 24. * * *, Manualul inginerului metalurg, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 1978. 25. * * *, Tratat de tiina i ingineria materialelor metalice, vol.3. Metale. Aliaje. Materiale speciale. Materiale compozite, AGIR, Bucureti, 2009.