دیاگرام فازی آهن کربن ، فازهای پایدار و استحاله‌های فازی

دیاگرام فازی آهن – کربن (Fe-C phase diagram) دیاگرامی تعادلی از کربن در محلول جامد آهن است که 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 شده و به همین علت به آن دیاگرام تعادلی آهن – کربن می‌گویند. این نمودار در صنعت و تخقیقات آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد. با مشخص کردن درصد کربن می توان دمای استحاله های فازی را مشخص نمود. دیاگرام فازی آهن کربن به عنوان یکی از مهم ترین موضوعات در متالورژی مطرح است و آشنایی با آن اجازه کنترل و پیش بینی فرآیند را به صاحبان صنایع می دهد. در این مقاله به بررسی فازهای مختلف آهن و همچنین استحاله های فازی می پردازیم.

همانطور که در مقاله‌ای پیش از این به آن پرداخته شد، دیاگرام فازی آهن -کربن راهنمایی است که به کمک آن می‌توان روش‌های مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. اما باید این نکته را در نظر داشت که بیشتر فولادها دارای عناصر آلیاژی دیگر هم هستند و وجود این عناصر موقعیت مرزی بین مناطق فازی را نسبت به فولادهای ساده کربنی تغییر می‌دهد. نخستین بار برای تهیه دیاگرام فازی آهن ،فولاد این آلیاژ در تمام محدوده دمایی اتاق تا فوق ذوب و در محدوده ترکیب شیمیایی 0 تا 6/67 درصد کربن مورد بررسی قرار گرفت.

ریز ساختار فولاد در تمامی این نقاط مورد بررسی قرار گرفت و حاصل آن خطوط تعادلی بین فازها بود. فاز به بخشی از ماده گفته می‌شود که خواص شیمیایی و فیزیکی در تمام آن یکسان است. فولاد در دما و ترکیبات شیمیایی مختلف فازهای پایدار متفاوتی دارد. انواع مختلفی فولاد وجود دارد که هرکدام کاربرد خاصی دارند. با کمک دیاگرام فازی آهن کربن می توان بهترین ترکیب آلیاژی برای تولید مقاطع فولادی مختلف مانند انواع لوله گازی ، ورق، نبشی و انواع دیگر مقاطع را مشخص کرد.

اصطلاحات رایج در دیاگرام فازی آهن کربن

برای بررسی دقیق دیاگرام فازی آهن لازم است با برخی اصطلاحات مورد استفاده در آن آشنا شوید:

آلوتروپی‌های آهن

آلوتروپی یا دگر شکل یک عنصر بیانگر ساختارهای کریستالی متفاوت از یک عنصر هستند. به این معنا که در یک ترکیب شیمیایی ثابت می‌توان با تغییر دما ساختار پایدار یک عنصر را تغییر داد. آهن نیز دارای سه آلوتروپی اصلی است. آهن، به سه شکل آلفا (α)، گاما  (γ)، و دلتا  (δ) وجود دارد. تغییر ساختار کریستالی در آلوتروپ ها به حدی مهم است که باعث تغغیر در خواص مغناطیسی دگرشکل های ذکر شده می شود.

استحاله‌های فازی آهن

آهن خالص از دمای اتاق تا 910 درجه سانتیگراد، دارای ساختار بلوری مکعبی مرکز پر (BCC) است و آهن آلفا α یا فریت نامیده می‌شود. آهن آلفا خاصیت مغناطیسی دارد و با گرم شدن تا دمای 768 درجه سانتی گراد، این خاصیت آن از بین می‌رود اما ساختار مکعبی مرکز پر آن آن حفظ می‌شود. فریت تا دمای 910 درجه سانتی گراد پایدار است و سپس ساختار آن به ساختار مکعبی با سطوح مرکزدار FCC تغییر پیدا می‌کند. به آهن با این ساختار آهن گاما γ یا آستنیت گفته می‌شود. با حرارت دهی آهن تا دمای 1403 درجه سانتی گراد، مجددا به ساختار به BCC برمی‌گردد و تبدیل به  آهن دلتا δ می‌شود. این ساختار تا رسیدن به نقطه ذوب آهن خالص یعنی 1535 درجه سانتیگراد پایدار است.

دماهای استحاله مربوط به آهن خالص است و برای فولاد ساده کربنی با درصد کربن‌های مختلف دمای استحاله متفاوت است.

مرسوم‌ترین دیاگرام فازی آهن – کربن

این نمودار معمولا تا مقدار 6/67 درصد کربن رسم می‌شود. در این مقدار درصد کربن یک کاربید 3 کربنی از آهن (سمانتیت) تشکیل می‌شود که ساختار و مورفولوژی آن تاثیر زیادی بر خواص فولاد دارد. در ادامه به فازهای جامد این دیاگرام می‌پردازیم.

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

فریت α

محلول جامد کربن در آهن، فریت α یا فریت نامیده می‌شود و ساختار بلوری آن مکعب مرکز پر یا bcc است. با توجه به نمودار فازی می‌توان دید که کربن فقط اندکی در فریت حل می‌شود و حداکثر حلالیت آن در 723 درجه سانتی گراد و به مقدار 0.02% است، اتفاق می‌افتد. با کاهش دما، حلالیت کربن در فریت α کاهش یافته و در صفر درجه سانتی گراد به 0.008 % می‌رسد. در فریت α ، اتم‌های کربن به علت کوچک بودن در فضاهای بین نشین شبکه بلوری آهن قرار می‌گیرند.

آستنیت  γ

محلول جامد کربن در آهن را آستنیت یا γ می‌نامند. این فاز دارای ساختار بلوری مکعب با وجوه مرکزپر یا FCC است 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 می‌یابد. مشابه فریت، اتم‌های کربن به صورت بین نشینی اما به میزان بیشتری در ساختار شبکه مکعب با وجوه مرکز پر (FCC) حل می‌شوند.

سمانتیت Fe₃C

ترکیب بین فلزی آهن و کربن، سمانتیت نامیده می‌شود. 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.

فریت δ

در دیاگرام فازی آهن ، محلول جامد کربن در آهن دلتا را فریت δ می‌نامند. 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.

لدبوریت

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

پرلیت

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

در شکل زیر تصویری از دیاگرام فازی تعادلی آهن کربن در محدوده 0 تا سمانتیت و ریز ساختار هر بخش نشان داده شده است. همچنین دمای هر استحاله و نوع تغییر ریز ساختار نیز در این تصویر نشان داده شده است.

عملیات حرارتی با استفاده از دیاگرام فازی آهن کربن

به منظور بهبود خواص فولاد پس از شکل دهی، عملیات حرارتی روی آن انجام می شود. در این فرایند دمای قطعه تا محدوده آستنیته شدن بالا می رود و سپس با توجه به خواص نهایی مطلوب، به روش های مختلف سرد می شود. محدوده دمایی که قطعه برای آستنیته شدن در آن قرار می گیرد با توجه به دیاگرام فازی آهن کربن تعیین می شود. با کلیک روی لینک در مورد عملیات حرارتی فولادها بیشتر مطالعه کنید.

با اشراف بر دیاگرام فازی آهن کربن و دانستن کاربرد نهایی قطعه، می توان قطعات مختلف را تولید کرد و یا با عملیات حرارتی خواص آن را بهبود بخشید. استفاده از دیاگرام فازی آهن و عملیات حرارتی مناسب در تولید فولاد و قیمت نبشی، ناودانی، میلگرد و انواع دیگر مقاطع فولادی کاربرد دارد.