نمودار تعادلی آهن وکربن وفازهای کربنی

دیاگرام فازی آهن-کربن

دیاگرام فازی آهن – کربن (Fe-C phase diagram) دیاگرامی تعادلی از کربن در محلول جامد آهن بوده که نشانگر تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن – کربن نسبت به درجه حرارت می باشد. این دیاگرام بر حسب درصد کربن آلیاژ، درجه حرارت، سرد کردن یا گرم کردن بسیار آهسته رسم شده و به همین علت به آن دیاگرام تعادلی آهن – کربن می گویند.

نمودار تعادلی آهن-کربن راهنمایی ست که به کمک آن می توان روش های مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. اما از آنجایی که بیشتر فولادهادارای عناصر آلیاژی دیگر می باشند و وجود این عناصر موقعیت مرزی بین مناطق فازی را نسبت به فولادهای ساده کربنی تغییر می دهد، از این نمودار تنها به عنوان راهنما استفاده می شود. نمودار آهن- کربن تحت فشار یک اتمسفر صادق بوده و در فشارهای بالاتر فصل مشترک های بین مناطق فازی تغییر مکان داده و فازهای جدید می تواند به وجود آید. مثلا؛ در مورد آهن خالص، در فشارهای بالا، آهن با شبکه کریستالی HCP موسوم به آهن اپسیلن ɛ به وجود می آید.

آلوتروپی های آهن

آهن خالص، نرم بوده و استحکام تسلیم آن حدود می باشد، کاربرد صنعتی نداشته و بیشتر جهت تحقیقات استفاده می شود. آهن خالص، به سه شکل آلفا  (α)، گاما (γ)، و دلتا (δ) وجود دارد. شکل زیر منحنی ایده آل سرد شدن آهن خالص را نشان می دهد.

 

در این منحنی گستره دمای پایداری هر یک از سه حالت بلوری آهن در فشار اتمسفر مشخص شده است.

آهن خالص از دمای اتاق تا 910 درجه سانتیگراد، دارای ساختار بلوری مکعبی مرکز پر (BCC) است و آهن آلفا α نامیده می شود. آهن آلفا فرومغناطیس بوده و با گرم شدن تا دمای 768 درجه سانتی گراد، این خاصیت آن از بین رفته ولی ساختار BCC آن حفظ می شود. آهن آلفا تا دمای 910 درجه سانتی گراد پایدار بوده و سپس به آهن گاما γ با ساختار مکعبی با سطوح مرکزدار FCC استحاله می یابد. با گرم کردن تا دمای 1403 درجه سانتی گراد، مجددا به ساختار BCC برگشته و تبدیل به  آهن دلتا δ می شود. این ساختار تا رسیدن به نقطه ذوب آهن خالص یعنی 1535 درجه سانتیگراد پایدار می ماند.

خواص بلوری آهن خالص در جدول زیر نشان داده شده است.

	ثابت شبکه Å		شبکه بلوری		نوع
تا 910ºC	2.86 (70ºF)		BCC		α
1403ºC - 910ºC	3.65 (1800ºF)		FCC		γ
535ºC - 1403ºC	2.93 (2650ºF)		BCC		δ
نقطه جوش 3000ºC(5432ºF)		نقطه ذوب 1535ºC(2795ºF)		چگالی 7.868 g/cm3

نمودار آهن - کربن

فازهای موجود در دماهای مختلف برای آلیاژهای Fe-C که خیلی آهسته سرد شده اند و حداکثر 6.67% کربن دارند، در نمودار زیر نشان داده شده است. ترکیب بین فلزی کاربید آهن که سمنتیت(Fe₃C) نامیده می شود، یک فاز تعادلی واقعی نبوده و در شرایطی خاص تبدیل به فازهای پایدارتر آهن و گرافیت می شود.

فازهای جامد دیاگرام فازی آهن-کربن

در دیاگرام فازی آهن – کربن (آهن-سمانتیت) چندین فاز و مخلوط جامد وجود دارد:

·         فریت α

·         آستنیت γ

·         سمانتیت (سمنتیت) Fe₃C

·         فریت δ

·         لدبوریت

·         پرلیت

1- فریت α

محلول جامد کربن در آهن α، فریت α یا فریت نامیده شده و ساختار بلوری آن BCC می باشد. نمودار فازی نشان می دهد که، کربن فقط اندکی در فریت حل شده و حداکثر حلالیت آن در 723 درجه سانتی گراد، 0.02% است. با کاهش دما، حلالیت کربن در فریت α کاهش یافته و در صفر درجه سانتی گراد به 0.008 % می رسد. در فریت α، اتم های کربن به علت کوچک بودن در فضاهای بین نشین شبکه بلوری آهن قرار می گیرند.

2- آستنیت γ

محلول جامد کربن در آهن γ را آستنیت نامند. این فاز دارای ساختار بلوری FCC بوده و حلالیت کربن در آن خیلی بیشتر از فریت α است. حلالیت کربن در آستنیت در 1148 درجه سانتیگراد به حداکثر مقدار خود یعنی 2.08% رسیده و سپس در 723 درجه سانتیگراد به 0.8% کاهش می یابد. مشابه فریت، اتمهای کربن به صورت بین نشینی اما به میزان بیشتری درشبکه FCC حل می شوند.

3- سمانتیت Fe₃C

ترکیب بین فلزی آهن و کربن، سمانتیت نامیده می شود. حلالیت کاربید آهن ناچیز بوده و 6.67% کربن و 93.3% آهن دارد. سمانتیت یا سمنتیت، ترکیبی سخت و شکننده است که دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی بوده و هر سلول آن 12 اتم آهن و چهار اتم کربن دارد.

4- فریت δ

محلول جامد کربن در آهن دلتا را فریت δ می نامند. فریت دلتا دارای ساختار بلوری BCC بوده اما ثابت شبکه آن با ثابت شبکه فریت آلفا متفاوت است. حداکثر حلالیت کربن در فریت آلفا، در دمای 1495 درجه سانتی گراد و برابر با 0.09% است.

5- لدبوریت

مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمانتیت را، لدبوریت می نامند. این ترکیب در اثر واکنش یوتکتیکی که روی مذاب حاوی 4.3% کربن در دمای 1147 درجه سانتی گراد رخ می دهد، حاصل می شود. نکته قابل ذکر این است که آستنیت در دمای محیط پایدار نمی باشد و در اثر واکنش یوتکتوئیدی که در دمای 723 درجه سانتیگراد رخ می دهد، تبدیل به پرلیت شده و در نتیجه ساختمان لدبوریت در دمای محیط به شکل پرلیت و سمانتیت می باشد.

6- پرلیت

در اثر واکنش یوتکتوئیدی در دمای 723 درجه سانتی گراد مخلوطی از فریت و سمانتیت به دست می آید که به آن پرلیت گفته شده و ساختاری لایه لایه دارد.

واکنش های ثابت دیاگرام فازی آهن-کربن

نمودار فازی آهن- کربن دارای سه واکنش ثابت بوده که هر کدام شامل سه فاز  بوده و در دمای ثابت رخ می دهند. این واکنشها عبارتند از :

·         پری تکتیک

·         یوتکتیک

·         یوتکتوئید

1- واکنش پری تکتیک

درنقطه پری تکتیک، مذاب (%0.53C) با فریت  δ (%0.09C) در دمای 1493 درجه سانتی گراد ترکیب و آستنیت γ (%0.17C) به وجود می آید. این واکنش به صورت زیر نوشته می شود:

γ (%0.17C)

→

δ (%0.095C)

+

(%0.53) مذاب

2- واکنش یوتکتیک

در نقطه یوتکتیک، مذاب با %4.3C در دمای 1147 درجه سانتی گراد، به آستنیت γ با %2.08C ترکیب بین فلزی Fe₃C (سمانتیت) با %6.67C تجزیه می شود. این واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

Fe3C (%6.67C)

+

γ (%2.08C)

→

مذاب (4.3C %)

 3- واکنش یوتکوتئید

در نقطه یوتکتوئید، آستنیت جامد با %0.8C در دمای 723 درجه سانتیگراد به آهن α با %0.02C سمانتیت با %6.67C تجزیه می شود. واکنش آن به شرح زیر است:

Fe3C (%6.67C)

+

α فریت

→

(%0.8C) γ

منابع و پیوندها

نمودار فازی آهن-کاربید کربن

روش‌های مختلف عملیات حرارتی، فرآیندهای انجماد، ساختار فولادها و چدن‌ها و... را می توان به وسیله نمودار تعادلی آهن-کربن (Fe-C)برسی کرد. بیشترین قسمت از این نمودار که در متالوژی نیز اهمیت ویژه ای دارد، قسمت کاربید آهن (سمنتیت) می باشد. دیاگرام آهن-کربن را سیستم شبه‌ پایدار می گویند. دلیل این نامگذاری این است که ترکیب کاربید آهن یک شبه پایدار است. حالت پایدار کربن در فشار اتمسفر، کربن آزاد (گرافیت) است. قسمت‌هایی که در نمودار با حروف یونانی مشخص شده‌اند، نشانگر محلول‌های جامد از نوع بین‌نشینی هستند.

تحولات هم ‌دما (ایزوترم) در سیستم آهن-کربن شبه پایدار

خطوط افقی در نمودار، نشان دهندهٔ استحاله‌های هم‌دما هستند.
• استحالهٔ یوتکتیک : دما ۱۱۴۸ºC، غلظت کربن ۴٫۲۰ درصد 
• استحالهٔ یوتکتوئید : دما ۷۲8ºC، غلظت کربن ۰٫۸۰ درصد 
• استحالهٔ پریتکتیک : دما ۱۴۹۵ºC، غلظت کربن ۰٫۱۸ درصد 
البته باید توجه داشت که غلظت‌ها و دماهای ذکرشده برای آهن-کربن خالص بوده و با حضور عناصر آلیاژی دیگر، این ثابت‌ها تغییر می‌کنند.
 

آلوتروپ‌ های آهن

• آهن آلفا 
• آهن گاما 
• آهن دلتا 
 

فازها و ساختارهای مخلتف نمودار فازی

• فریت 
• اوستنیت 
• سمنتیت 
• لدبوریت 
• پرلیت 
• بینیت 
• مارتنزیت 
 

آهن آلفا

به یکی از آلوتروپ‌های آهن، آهن آلفا می گویند. این آلوتروپ از دمای ۲۷۳- درجه سانتیگراد تا ۹۱۰ درجه سانتیگراد پایدار است. همچنین این دارای یک ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر می باشد. شبکهٔ آهن آلفای فرومغناطیس بطور ثابت، ۲/۸۶ آنگستروم است.

آهن گاما

آهن گاما یکی از آلوتروپ‌های آهن است که در محدودهٔ دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد پایدار بوده و ساختمان بلوری fcc (مکعبی مرکزپر) دارد.

آهن دلتا

آهن دلتا یکی از آلوتروپ‌های آهن است که از دمای ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تا ۱۵۳۹ درجه سانتیگراد (نقطهٔ ذوب آهن) پایدار است. آهن دلتا دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر (bcc) است. آهن دلتا دارای خاصیت پارامغناطیس بوده و ثابت شبکه‌ ی آن بزرگ ‌تر از آهن آلفا است. همچنین ثابت شبکهٔ آهن دلتا، ‎۲/۹۳ آنگستروم است.
 

فریت

فریت عبارت است از یک محلول جامد از توع بین نشینی کربن در آهن آلفا α-Fe آهن مکعبی مرکزپر. آنچه که از برسی ها و پژوهش های اخیر مشخص شده است، این است که مقاومت کششی فریت چیزی در حدود 40000 پسی می باشد. همچنین لازم به ذکر است که حداکثر غلظت کربن در فریت حدود ۲/. درصد وزنی و در دمای ۷۲۷ درجه سانتیگراد است.
 

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن

اوستِنیت (به انگلیسی: Austenite) محلول جامد از نوع بین‌نشینی کربن در آهن گاما (آهن مکعبی وجوه مرکزپر) است.
حداکثر حلالیت کربن در آهن گاما، ۲ درصد در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتیگراد است. اوستنیت در دمای محیط پایدار نیست.
 

سمنتیت

سِمِنتیت یا کاربید آهن یک ماده مرکب شیمیایی به فرمول شیمیایی Fe3C دارای ‎۶/۶۷ درصد کربن با ساختار بلوری ارتورومبیک است. سمنتیت فازی بسیار سخت و شکننده است. 
 

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن

لدبوریت (به آلمانی: Ledeburit) به مخلوط یوتکتیکی اوستنیت و سمنتیت گفته می‌شود که از مذابی با ۴/۳ درصد کربن در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتیگراد تحت یک واکنش یوتکتیکی حاصل می‌شود. از آنجایی که اوستنیت در دمای محیط پایدار نیست و بر اساس یک واکنش یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل می‌شود، بنابراین ساختمان لدبوریت در دمای محیط بصورت پرلیت و سمنتیت خواهد بود. نام این ساختار از کارل هاینریش آدولف لدبور متالورژیست آلمانی گرفته شده است.

پرلیت

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن
پرلیت به مخلوط یوتکتوئیدی فریت و سمنتیت ‌گفته می‌شود.
پرلیت تحت یک تحول یوتکتوئیدی از آهن گاما با ۰/۸ درصد کربن در ۷۲۳ درجه سانتیگراد حاصل می‌شود.

علی اصغر سرابیان مقدم مربی کارگاه جوشکاری مرکز 14 قوچان

آذر ماه 1399