دیاگرام آهن کربن | آچار فرانسه علم مواد و متالورژی

دیاگرام آهن کربن؛ آچار فرانسه علم مواد و متالورژی

دیاگرام آهن کربن (Fe-C) روشی برای نمایش تعادل کربن در محلول جامد آهن است. این نمودار تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن-کربن نسبت به درجه حرارت و درصد کربن را نشان می‌دهد. دیاگرام فازی آهن، بر حسب درصد کربن آلیاژ، درجه حرارت، سرد کردن یا گرم کردن بسیار آهسته رسم می‌شود. از این نمودار در صنعت و پژوهش‌های آزمایشگاهی استفاده می‌شود. برای مثال، روش‌های مختلف عملیات حرارتی، فرآیندهای انجماد، ساختار فولادها و چدن‌ها و غیره را می‌توان به وسیله دیاگرام آهن کربن بررسی کرد. در این مطلب قصد داریم به معرفی دیاگرام آهن کربن بپردازیم.

دیاگرام آهن کربن چه مواردی را نشان می‌دهد؟

با استفاده از دیاگرام آهن کربن می‌توان روش‌های مختلف عملیات حرارتی آلیاژهای آهن را بررسی و مطالعه کرد. ذکر این نکته ضروری است که از یک طرف، معمولا در فولادها از سایر عناصر آلیاژی نیز استفاده می‌شود و از طرف دیگر، این عناصر موقعیت مرزی میان نواحی فازی را در مقایسه با فولادهای ساده کربنی تغییر می‌دهند. به همین خاطر، از دیاگرام آهن کربن تنها به عنوان یک راهنما استفاده می‌شود.

گفتنی است دیاگرام آهن کربن تحت فشار یک اتمسفر قابل استفاده است. در فشارهای بالاتر فصل مشترک‌های بین مناطق فازی تغییر مکان می‌دهند و این امکان دارد که فازهای جدیدی به وجود بیایند. برای مثال در فشارهای بالا، در آهن خالص با شبکه کریستالی HCP، فازی موسوم به آهن اپسیلون (ɛ) به وجود می‌آید. آهن خالص، نرم است و استحکام تسلیم محدودی دارد. همچنین کاربرد صنعتی ندارد و بیشتر برای انجام کارهای تحقیقاتی از آن استفاده می‌شود.

فازهای تشکیل‌شده در دیاگرام آهن کربن

آهن خالص در سه فاز موسوم به آلفا (α)، گاما (γ) و دلتا (δ) وجود دارد. این فلز از دمای اتاق تا دمای ۹۱۰ درجه سانتی‌گراد ساختار بلوری مکعبی مرکز پر (BCC) دارد و محلول جامد کربن در آن، آلفا یا فریت نامیده می‌شود. آهن آلفا فرومغناطیس است و با اینکه همزمان با گرم شدن تا دمای ۷۶۸ درجه سانتی‌گراد این خاصیت از بین می‌رود، ولی ساختار BCC آن حفظ می‌شود.

آهن آلفا تا دمای ۹۱۰ درجه سانتیگراد پایدار است و پس از آن به آهن گاما با ساختار مکعبی با سطوح مرکزدار یا FCC استحاله می‌شود. محلول جامد کربن در آهن FCC فاز گاما یا آستنیت نامیده می‌شود. با گرم کردن آهن تا دمای ۱۴۰۳ درجه سانتی‌گراد، این فلز دوباره به ساختار BCC برمی‌گردد و این بار به آهن دلتا تبدیل می‌شود. این ساختار تا رسیدن به نقطه ذوب آهن خالص یعنی ۱۵۳۵ درجه سانتی‌گراد، همچنان پایدار خواهد بود.

آهن از جمله عناصری است که با کربن واکنش می‌دهد و کاربید آهن (Fe_۳C) تشکیل می‌دهد. این ترکیب با نام سمنتیت نیز شناخته می‌شود. سمنتیت به عنوان یک فاز، بسته به ترکیب شیمیایی فولاد و غلظت کربن در داخل آهن می‌تواند در دماهای بالا یا پایین تشکیل شود.

واکنش‌هایی که در دیاگرام آهن کربن به وقوع می‌پیوندند

در دیاگرام آهن کربن سه نوع واکنش به وقوع می‌پیوندند. این واکنش‌ها با خطوط افقی روی نمودار مشخص می‌شوند. اولین واکنش که در دمای ۱۴۹۵ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد، واکنش پریتکتیک نام دارد. در طی این واکنش، فاز مذاب با فاز δ واکنش می‌دهد و در نقطه پریتکتیک آستنیت حاوی ۱۷/۰ درصد کربن تشکیل می‌شود. دومین واکنش در دمای ۱۱۴۸ رخ می‌دهد و واکنش یوتکتیک نام دارد. البته این واکنش بیشتر به چدن‌ها مربوط می‌شود. در طی این واکنش، مذاب فولاد حاوی ۴.۳۲ درصد کربن در نقطه یوتکتیک به یک مخلوط درهم‌تنیده از دو فاز آستنیت و سمنتیت (که لدبوریت نام دارد) تبدیل می‌شود.

سومین واکنش نیز در دمای ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد به وقوع می‌پیوندد. این واکنش یوتکتوئید نام دارد و در طی آن فاز آستنیت با ۰.۷۷ درصد وزنی کربن در نقطه یوتکتوئید، به مخلوطی درهم‌تنیده از دو فاز فریت و سمنتیت تبدیل می‌شود که پرلیت نام دارد. البته هر یک از فازهای موجود در دیاگرام آهن کربن، خواص فیزیکی و مکانیکی خاص خود را دارند.

مناطق تک‌فازی و دوفازی روی دیاگرام آهن کربن

روی دیاگرام آهن کربن دو منطقه دیده می‌شود: مناطق تک‌فازی و مناطق دوفازی. در مناطق تک‌فازی که تنها با یک حرف مشخص می‌شوند، ساختار فولاد به طور کامل از همان فاز تشکیل شده است. برای مثال، همزمان با افزایش دمای یک ساختار فریتی-پرلیتی و وارد شدن به ناحیه آستنیت و سپس نگهداری به مدت کافی در این منطقه، ساختار فولاد کاملا به فاز آستنیت تبدیل می‌شود. اما در مقابل، منطقه‌هایی مانند α+γ که با دو فاز نام‌گذاری شده‌اند، در میان دو منطقه تک‌فاز α و γ قرار می‌گیرند. این مساله نشان می‌دهد که ساختار فولاد با قرار گرفتن در این مناطق، از این دو فاز تشکیل خواهد شد. استفاده از قانون اهرم می‌تواند تا حد زیادی به درک دیاگرام آهن کربن کمک کند.

قانون اهرم در دیاگرام آهن کربن

برای محاسبه درصد یا کسر حجمی هر فاز در مناطق دوفازی در دیاگرام آهن کربن، از قانون اهرم استفاده می‌شود. بر اساس این قانون، یک خط افقی (به عنوان یک اهرم) در دمای مورد نظر در ناحیه دوفازی رسم می‌کنیم تا از دو طرف به نواحی تک فاز ختم شود. سپس برای محاسبه درصد هر یک از فازها، طول بازوی مخالف اهرم را به طول کل اهرم تقسیم می‌کنیم و عدد به دست آمده را در ۱۰۰ ضرب می‌کنیم.

مثالی از قانون اهرم

برای درک بهتر قانون اهرم در نمودار آهن کربن، به مثال زیر توجه کنید. فولادی که حدود ۰.۵۲ درصد وزنی کربن در ساختار خود دارد، پس از آستنیته شدن در دمای بالا به آرامی و در امتداد خط ae شروع به سرد شدن می‌کند. با رسیدن به نقطه b و قطع کردن خط مرزی میان منطقه تک‌فازی آستنیت و منطقه دوفازی فریت + آستنیت، فاز فریت در مرز دانه‌های آستنیت شروع به جوانه‌زنی می‌کند و تا رسیدن به نقطه c روی خط افقی مربوط به واکنش یوتکتوئید به رشد خود ادامه می‌دهد.

فاز فریت که پیش از واکنش یوتکتوئید تشکیل می‌شود، اصطلاحا فریت پرویوتکتوئید نام دارد. در ادامه با رسیدن به نقطه c و انجام واکنش یوتکتوئید، تمام آستنیت باقی به مخلوط درهم‌تنیده از فاز فریت و سمنتیت تبدیل می‌شود. محصول این واکنش یوتکتوئید است و پرلیت نامیده می‌شود. برای محاسبه درصد آستنیت و فریت پرویوتکتوئید درست پیش از وقوع استحاله یوتکتوئید (در نقطه c پیش از انجام واکنش) از قانون اهرم به شکل زیر استفاده می‌شود.

درصد کربن محلول در فاز فریت بسیار پایین است و به همین خاطر تقریبا معادل با صفر در نظر گرفته می‌شود. برای محاسبه درصد آستنیت پیش از واکنش یوتکتوئید، باید طول بازوی مخالف فاز آستنیت (از نقطه c تا جایی که خط افقی به ناحیه تک فاز فریت می‌رسد؛ یعنی تقریبا صفر) را بر طول کل خط تقسیم کنیم. بدین ترتیب، درصد فاز آستنیت برابر با ۶۷ درصد خواهد بود. نتیجه این که ساختار نهایی فولاد، شامل ۳۳ درصد فریت پرویوتکتوئید به همراه ۶۷ درصد آستنیت. با کاهش دما و انجام واکنش یوتکتوئید، تمام آن به پرلیت تبدیل می‌شود.

فازهای غیر تعادلی

باید گفت فازهای نشان داده‌شده روی دیاگرام آهن کربن در واقع فازهای تعادلی سیستم آلیاژی آهن-سمنتیت هستند. این فازها بر اثر سرد شدن فولاد مذاب به صورت بسیار آهسته تشکیل می‌شوند. البته فازهای دیگری نیز در طی برخی از عملیات حرارتی و در اثر سرد شدن سریع ساختار تشکیل می‌شوند. از میان این فازها می‌توان به بینیت و مارتنزیت اشاره کرد که فازهای غیر تعادلی هستند و به همین خاطر روی دیاگرام آهن کربن نمایش داده نمی‌شوند. در عوض برای نمایش دادن فازهای غیر تعادلی، از دیاگرام‌هایی موسوم به CCT یا TTT استفاده می‌شود.

دیاگرام آهن کربن به انتخاب عملیات حرارتی فرایند کمک می‌کند

در این مطلب به شکل خیلی ساده دیاگرام آهن کربن را توضیح دادیم. بیشترین بخش این دیاگرام که در متالورژی اهمیت ویژه‌ای دارد، قسمت کاربید آهن یا سمنتیت است. لازم به ذکر است که به دیاگرام آهن کربن، سیستم شبه‌‌پایدار می‌گویند؛ به این خاطر که کاربید آهن یک ترکیب شبه‌پایدار است. در واقع حالت پایدار کربن در فشار اتمسفر، کربن آزاد یا همان گرافیت است.

متالکست سامانه آنلاین پذیرش سفارشات ریخته‌گری در ایران است. ما در متالکست توانایی مدل‌سازی و ریخته‌گری و ماشینکاری انواع قطعات صنعتی را داریم و با تکیه بر تجربه خود در ریخته‌گری قطعات بی‌شمار آماده هستیم تا کار ریخته‌گری مورد نظر شما را نیز با بالاترین کیفیت و مناسب‌ترین قیمت انجام دهیم. در متالکست انجام سفارش مشتریان در کوتاه‌ترین زمان ممکن انجام می‌شود. با کارشناسان واحد فنی ما تماس بگیرید. ۰۲۱۹۱۰۳۵۵۹۰