دیاگرام فازی آهن کربن، فازهای پایدار و استحاله‌های فازی

دیاگرام 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 تحقیقات آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد. با مشخص کردن درصد کربن می توان دمای استحاله‌های 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. این مساله، با توجه به کاربرد فولاد در صنایع بسیاری، مهم تلقی می‌شود. در این مقاله به بررسی، نمودار آهن کربن، فازهای مختلف آهن و همچنین استحاله‌های فازی می پردازیم.

اهمیت دیاگرام آهن کربن

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 عناصر آلیاژی دیگر هم دارند و وجود این عناصر موقعیت مرزی بین مناطق فازی را نسبت به انواع فولاد کربنی ساده 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 ۰ تا ۶/۶۷ 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 می‌توان بهترین ترکیب آلیاژی برای تولید مقاطع فولادی مختلف مانند انواع لوله گازی، ورق، نبشی و انواع دیگر مقاطع را مشخص کرد. قیمت میلگرد، قیمت تیرآهن و سایر مقاطع فولادی را قیمت مواد اولیه یعنی سنگ آهن و کربن، مشخص می‌‎‎کند.

اصطلاحات رایج در دیاگرام فازی آهن کربن

برای بررسی دقیق دیاگرام فازی آهن کربن 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 آلوتروپ‌ها به حدی مهم است که باعث تغییر در خواص مغناطیسی دگرشکل‌های ذکر شده می‌شود. تاریخچه آهن، نشان می‌دهد که این فلز از دیرباز در بسیاری صنایع به کار گرفته شده. در حال حاضر از معادن آهن ایران این فلز پرکاربرد استخراج شده و برای ساخت انواع فولاد و چدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آلوتروپی‌های آهن

استحاله های فازی آهن

آهن خالص از دمای اتاق تا ۹۱۰ 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 ۷۶۸ درجه سانتی‌گراد، این خاصیت آن از بین می‌رود اما ساختار مکعبی مرکز پر آن آن حفظ می‌شود. فریت تا دمای ۹۱۰ درجه سانتی‌گراد 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 ۱۴۰۳ 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 ۱۵۳۵ درجه سانتیگراد پایدار است.

دماهای استحاله مربوط به آهن خالص است و برای فولاد ساده کربنی با درصد کربن‌های مختلف دمای استحاله متفاوت است. این مساله در دیاگرام آهن کربن مورد توجه است.

در مقاله‌ای درباره انواع آلیاژ آهنی صحبت کرده‌ایم و به سوال چدن چیست پاسخ داده‌ایم.

مرسوم‌ترین دیاگرام فازی آهن – کربن

این نمودار معمولا تا مقدار ۶/۶۷ درصد کربن رسم می‌شود. در این مقدار درصد کربن یک کاربید ۳ کربنی از آهن (سمانتیت) تشکیل می‌شود که ساختار و مورفولوژی آن تاثیر زیادی بر خواص فولاد دارد. در ادامه به فازهای جامد نمودار آهن کربن 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) Fe_۳C
• فریت δ
• لدبوریت
• پرلیت

در ادامه به این فازهای موجود در دیاگرام آهن کربن می‌پردازیم.

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 ۷۲۳ درجه سانتی‌گراد و به مقدار ۰.۰۲% است، اتفاق می‌افتد. با کاهش دما، حلالیت کربن در فریت α کاهش یافته و در صفر درجه سانتی گراد به ۰.۰۰۸ % می‌رسد. در فریت α، اتم‌های کربن به علت کوچک بودن در فضاهای بین نشین شبکه بلوری آهن قرار می‌گیرند.

پرلیت (P)

در اثر واکنش یوتکتوئیدی در دمای ۷۲۳ 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 ۰ 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.

فاز پرلیت و فریت در فولاد

آستنیت  γ در دیاگرام اهن کربن

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 ۱۱۴۸ درجه سانتی‌گراد به حداکثر مقدار خود یعنی ۲.۰۸% رسیده و سپس در ۷۲۳ درجه سانتیگراد به ۰.۸% 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 Fe_۳C (کاربید آهن)

ترکیب بین فلزی آهن و کربن، سمانتیت نامیده می‌شود. حلالیت کاربید آهن ناچیز بوده و ۶.۶۷% کربن و ۹۳.۳% آهن دارد. سمانتیت یا سمنتیت، ترکیبی سخت و شکننده است که دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی بوده و هر سلول آن ۱۲ 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 ۱۴۹۵ درجه سانتی‌گراد و برابر با ۰.۰۹% است.

لدبوریت (L) در نمودار اهن کربن

مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمانتیت را، لدبوریت می‌نامند. این ترکیب در اثر واکنش یوتکتیکی که روی مذاب حاوی ۴.۳% کربن در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد، حاصل می‌شود. نکته قابل ذکر این است که آستنیت در دمای محیط پایدار نیست و در اثر واکنش یوتکتوئیدی که در دمای ۷۲۳ درجه سانتیگراد رخ می‌دهد، تبدیل به پرلیت شده و در نتیجه ساختمان لدبوریت در دمای محیط به شکل پرلیت و سمانتیت است.

بینیت (B)

در صورتی که سرعت سرمایش استحاله آستنیت به پرلیت بالا رود، زمانی برای تشکیل فاز فریت و کاربید آهن وجود نخواهد داشت. در این شرایط فاز بینیت که فازی است که در آن سمنتیت در زمینه فریت پخش شده‌است، تشکیل می‌شود. فاز بینیت را در دیاگرام آهن کربن نخواهید دید چرا که فازی ناپایدار است.

مارتنزیت (M)

در دیاگرام اهن کربن، فاز مارتنزیتی نیز دیده نمی‌شود چرا که این فاز، ناپایدار است. در صورتی که سرعت سرد کردن آستنیت بالا باشد، فاز پرلیت و سمنتیت تشکیل نشده و در با باقی‌ماندن کربن در ساختار، فاز جدیدی به اسم مارتنزیت شکل می‌گیرد. این فاز، سخت و استحکام بالا است و شکل‌پذیری پایینی دارد.

دیاگرام فازی تعادلی آهن کربن

عملیات حرارتی با استفاده از دیاگرام فازی آهن کربن

به منظور بهبود خواص فولاد پس از شکل‌دهی، عملیات حرارتی روی آن انجام می‌شود. در این فرایند دمای قطعه تا محدوده آستنیته شدن بالا می رود و سپس با توجه به خواص نهایی مطلوب، به روش‌های مختلف سرد می‌شود. 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.