5. Structura i proprietile aliajelor Fier Carbon Aliajele fierului cu carbonul sunt oelurile i fontele, cele mai importante datorit proprietilor i utilizrii fiind oelurile. 5.1. Fierul i fontele sale alotropice Fierul este un element chimic din grupa metalelor de tranziie (numrul atomic 26 i lipsa de electroni pe stratul 3d(3d6). Temperatura de topire a fierului este de 1538 oC, iar n stare solid prezint dou tipuri de reea cristalin (dou forme alotropice) respectiv Fe de la 0 oC la 912 oC, reea C.V.C i 1394 oC 1538 oC (acesta numit i Fe) i Fe ntre 910 oC i 1394 oC cu reea C.F.C. Corespunztor celor dou forme alotropice Fe formeaz cu C dou s.s cu proprieti diferite. Stabilitatea celor dou forme alotropice poate fi determinat prin urmrirea variaie cu temperatura a energiilor libere ale color dou forme alotropice

F

T

F

F

9120 13940

Fe FeFe

T 9121394 => Faptul c Fe este tot Fe se poate observa i din variaie cu temperatura a parametrilor de reea cristalin.

T

2,5 3 3,5

15380

13940

9120

Transformarile alotropice ale fierului se pot pune n eviden pe curba de rcire realizat prin analiza termic. Punerea n eviden a transformrilor se realizeaz prin efectele termice care nsoesc aceste transformri, respectiv absorbia cldurii latente de transformare la nclzire, respectiv cedarea la rcire. Aceste efecte duc la obinerea unor paliere pe curba de rcire.

T

t

CVC

CFC

CVC

15380

13940

9120

7700

La 770 oC are loc o transformare magnetic respectiv la nclzire, Fe feromagnetic trece n Fe paramagnetic. Pe curba de rcire apare un punct de inflexiune deoarece transformarea este dat de variaia brusc a cldurii specifice. Transformrile alotropice i de stare de agregare a fierului sunt transformri de ordinul I, iar transformarea magnetic este de ordinul II. Temperaturile la care au loc transformrile n stare solid se numesc puncte critice i se noteaz A1,2,3, etc A4 = () sau => Ac4 si Ar4

histerizis termic care (Ac4 - Ar4) sau ( Ac3 Ar3) depinde de Vrac sau Vinc

A3 = sau => Ac3 si Ar3

Fierul pur se gsete sub forma unor varieti tehnice cum ar fi Fe ARMOCO fier carbon, Fe electrolitic, Fe retopit n vid, sau Fe faptic zonar, la care coninutul de C variaz ntre 0.01% i 0.001%, iar la ultimul de ordinul ppm. Proprieti fizice i mecanice: Fe: - greutatea atomic 55,85 g/at.g - densitatea la 20 oC 7,87 g/cm3 - Ttop 1538 oC - Rm 200 300 N/mm2 - A5 40 50% - H53 50 55 - E 21400 daN/mm2

Fierul formeaz cu numeroase metale soluii solide de substituie iar cu unele metale (C, N, H, B) soluii solide de interstiie, cele mai importante fiind cele cu carbonul, respectiv:

- ferita soluie solid interstiial de C n Fe cu reea CVC. Solubilitatea maxim a C n Fe este de 0,0218% la 727 oC iar la 20 oC este de 0,006 %.

- Austenita soluie solid insterstiial de C n Fe cu reea de CFC cu o solubilitate mult mai mare de 211% la 1148 oC.

5.2. Forme de separare ale carbonului n aliajele de Fe C Principalele aliaje ale fierului sunt aliajele de Fe-C (fonte i oeluri). Din topitura omogen carbonul se poate separa la rcire sub dou forme:

- Carbon legat => compus Fe3C = cementita - Carbon liber => grafit

Cementita este un compus al fierului cu C (Fe3C) care se formeaz la o concentraie de 6,67% C, prezint legtur metalic i proprieti metalice (luciu metalic, conductibilitate termic i electric, densitate foarte mare (800HB) i plasticitate aproape nul). Are temperatura de topire nc neprecizat ( 1227 oC). Reeaua cristalin este ortorombic. Cementita prezint o transformare magnetic la 230 oC cnd i pierde proprietile magnetice punctul este Ao. n condiii normale centita este stabil dar n unele condiii (nclzit la T mare n timp mare) se descompune cu formare de carbon liber (grafit): Fe3C T 3 + () Carbonul liber (grafitul) se ntlnete numai n structura fontelor cenuii (aliaje cu peste 2,11%C) . Grafitul prezint o reea hexagonal simpl, avnd o rezisten sczut. Este refractar i are temperatura de topire necunoscut bine ( 4200 oC).

5.3 Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Fe-C Corespunztor celor dou forme de separare a C din topitura de Fe-C, diagrama de echilibru a sistemului Fe-C se prezint sub dou forme: diagrama fier-cementin care ia natere dup un echilibru metastabil i diagrama fier-grafit conform echilibrului stabil. 5.3.1. Diagrama de echilibru metastabil Fe- Fe3C

AB

C

D

E F

G

M O

P S KF

Q L

JN

A

A + Cem

F + Cem

0,77 2,11 4,3 6,670,006

()

FP

Cem11

LedCem1

Cem111

100

0

0

100

0

100 0

100

0

100

0

100

100

0

H

A

B

J

N

H

T

Transformri invariante - peritectoida - eutectica - eutectoida

Figura

L0,54 + 0,09 =1495 A0,17 => Perit. (HJB) L4,3 =1148 A2,11 + Cem 6,67 => Eute (ECF) A0,77 =727 F0,0218 + Cem 6,67 => Eute (PSK)

Aliajele Fe-C se mpart n dou mari categorii funcie de coninutul de C:

- oeluri C= 0,006 2,11% - fonta C= 2,11 6,67%

Oeluri:

- hipoentectoide C= 0,006 0,77 % - entectoide C 0,77 % - hiperentectoide C= 0,77 2,11 %

Fonte:

- hipoentectice C= 2,11 4,3 % - entectice C 4,3 % - hiperentectice C= 4,3 6,67 %

%C =0,1-0,2 %C 4,3