دیاگرام آهن کربن (Fe-C)

دیاگرام آهن کربن به نوعی آچار فرانسه در علم متالورژی به حساب می آید. در واقع اگر بدانید که مبنای فرایندهای انجماد، عملیات حرارتی، انتخاب عناصر آلیاژی و به طور کلی فرایند ساخت فولادها و چدن ها با استفاده از این نمودار انجام می شود، بیش از پیش به اهمیت شناخت و درک این نمودار پی خواهید برد. به همین منظور در این نوشته قصد داریم به بررسی دقیق این نمودار و اجزای درون آن بپردازیم.

دیاگرام آهن کربن چیست؟

دیاگرام آهن کربن ، دیاگرامی تعادلی از کربن در محلول جامد آهن بوده که نشانگر تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن – کربن نسبت به درجه حرارت است. 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.

دیاگرام Fe-C راهنمایی است که به کمک آن می توان روش های مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. اما از آنجایی که بیشتر فولادها دارای عناصر آلیاژی دیگر هستند و وجود این عناصر موقعیت مرزی بین مناطق فازی را نسبت به فولادهای ساده کربنی تغییر می دهد، از دیاگرام آهن کربن تنها به عنوان راهنما استفاده می شود.

دیاگرام 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 توانند 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.آهن خالص، نرم بوده و استحکام تسلیم آن حدود است، کاربرد صنعتی نداشته و بیشتر جهت تحقیقات استفاده می شود.

آهن خالص به سه شکل آلفا (α)، گاما (γ)، و دلتا (δ) وجود دارد. آهن خالص از دمای اتاق تا ۹۱۰ 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 ۷۶۸ درجه سانتیگراد، این خاصیت آن از بین رفته ولی ساختار BCC آن حفظ می شود. آهن آلفا تا دمای ۹۱۰ درجه سانتیگراد پایدار بوده و سپس به آهن گاما γ با ساختار مکعبی با سطوح مرکزدار FCC استحاله می یابد. با گرم کردن تا دمای ۱۴۰۳ 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 ۱۵۳۵ درجه سانتیگراد پایدار می ماند.

در جدول زیر می توانید اطلاعات مربوط به ساختارهای آهن خالص در دماهای مختلف را مشاهده کنید.

نمودار فازی آهن کربن (Fe-Fe₃C)

از اضافه کردن کربن به آهن خالص نموداری به دست می آید که به دیاگرام فازی آهن کربن (Fe-C Phase transformation Diagram) معروف است. کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی برای آهن است و افزودن آن تاثیر بسیار مهمی در فازهای آهن و دماهای تعادلی آن‌ها دارد. به همین دلیل شناخت نمودار فازی آهن کربن در علم متالورژی اهمیت زیادی دارد.

در شکل زیر می توانید تاثیر افزودن کربن را بر فازهای نمودار تعادلی آهن کربن مشاهده کنید. در این نمودار فازهای تشکیل شده در اثر سرد شدن تعادلی که حداکثر ۶/۶۷% کربن دارند، نشان داده است. در این ترکیب فاز سمانتیت (Fe₃C) وجود دارد که فاز غیر تعادلی است و در شرایط خاص تبدیل به فازهای تعادلی آهن و گرافیت می شود.

تاثیر کربن بر نمودار فازی آهن کربن (Fe-C)

کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی است که به آهن اضافه می شود و مشخصات آن مثل فازهای تشکیل شده و دماهای تعادلی آن ها را تحت تاثیر قرار می دهد. اگر درصد کربن اضافه شده بین ۰ تا ۲/۱۴% باشد، آلیاژی به اسم فولاد و اگر درصد کربن آلیاژ بین ۲/۱۴% تا ۶/۶۷% باشد، آلیاژی به اسم چدن به دست می آید.

با توجه به دما و درصد عنصر کربن، فازهای مختلفی در دیاگرام Fe-C مشاهده می شود که به بررسی آن ها می پردازیم.

فریت (α)

محلول جامد بین نشین کربن در آهن با شبکه بلوری مکعب مرکز دار (BCC)، فریت نامیده می شود. کربن در فریت در فضاهای بین نشین هست وجهی (octahedral) قرار می گیرد. با توجه به نمودار فازی مشخص است که حلالیت کربن در آهن بسیار کم بوده و در ۷۲۳ درجه سانتیگراد حداکثر حلالیت کربن برابر ۰٫۰۲۲% است. با افزایش بیشتر درصد کربن، حلالیت کربن در آهن کاهش می یابد تا در نهایت در ۹۱۰ درجه سانتیگراد به صفر می رسد.

آستنیت (γ)

آستنیت محلول جامد بین نشین کربن در آهن با شبکه بلوری مکعب با وجوه مرکز دار (FCC) است. مشابه فریت، در آستیت نیز اتم های کربن در مکان های بین نشین اکتاهدال قرار می گیرند. حداکثر حلالیت کربن در آستنیت در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتیگراد اتفاق می افتد که برابر ۲٫۱۴% است. فاز آستنیت در دمایی بین ۹۱۰ تا ۱۴۹۳ درجه سانتیگراد پایدار است.

کاربید آهن یا سمانتیت (Fe₃C)

سمانتیت ترکیبی از یک اتم کربن و سه اتم آهن است که ۶٫۶۷% کربن دارد و در سمت راست نمودار فازی آهن-کربن ملاحظه می شود. به همین دلیل به این نمودار، نمودار آهن – کاربید آهن (Fe-Fe₃C Phase diagram) نیز گفته می شود.

سمنتیت ساختار بلوری ارتورومبیک (orthorombic) پیچیده ای دارد که هر سلول واحد آن شامل ۱۲ اتم آهن و ۴ اتم کربن می شود. این فاز ترکیبی ناپایدار دارد که در شرایط خاصی تجزیه شده و به آهن و کربن آزاد (گرافیت) تبدیل می شود. در شکل زیر ساختار بلوری این فاز را مشاهده می کتید.

سمنتیت سختی بسیار بالایی دارد. گفته شده که سختی فاز سمنتیت بالای ۸۰۰ برینل است! در چنین شرایطی انعطاف پذیری این فاز به صفر می رسد. برای درک بهتر مقیاس این سختی، در جدول زیر می توانید عدد سختی فولادهای مختلف را در مقابل استحکام آن ها مشاهده کنید.

جدول مقایسه بین سختی و استحکام فولادهای مختلف

دمای ذوب فاز سمانتیت در حدود ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد است. به علت وجود عناصر آهن و کربن، سمانتیت هادی الکتریسیته و حرارت محسوب می شود. این فاز در دمای بالای ۲۱۷ درجه سانتیگراد خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهد.

پرلیت (P)

به مخلوط یوتکتوئیدی فریت و سمنتیت، پرلیت گفته می شود. همان طور که در نمودار بالا دیده می شود، در دمای ۷۲۳ درجه سانتیگراد، فولاد γ با ترکیب حدودی ۰٫۸% کربن به فریت و آستنیت تبدیل می شود. به این مخلوط یوتکتوئیدی، پرلیت (perlite) گفته می شود که ساختار لایه لایه ای از فریت و سمانتیت دارد.

با توجه به این که پرلیت فازی نرم و سمانتیت فازی سخت است، انتظار می رود که پرلیت سختی مابین این دو حالت داشته باشد که با اضافه شدن درصد هر کدام از این فازها، خواص پرلیت به آن فاز نزدیک می شود.

لدبوریت (L)

به مخلوط یوتکتیکی آستنیت و سمنتیت، لدبوریت (ledeburite) گفته می شود که از مذابی با ۴٫۳% کربن در دمای ۱۱۴۷% و تحت یک واکنش یوتکتیکی اتفاق می افتد. با توجه به این که آستنیت تا دمای ۷۲۳ درجه سانتیگراد پایدار است، در هنگام سرد کردن مجددا این فاز به فازهای سمانتیت و پرلیت تبدیل می شود.

بینیت (B)

اگر در هنگام استحاله آستنیت به پرلیت سرعت سرمایش بالا رود، زمان لازم برای نفوذ و تشکیل لایه لایه فریت و سمنتیت وجود نخواهد داشت. در این حالت سمانتیت در بستر فریت پخش می شود و باعث ایجاد فاز جدیدی به نام بینیت (bainite) می شود. بنابراین این فاز ناپابدار است و در دیاگرام آهن کربن نمایش داده نمی شود.

مارتنزیت (M)

اگر سرعت سرد کردن آستنیت بسیار بالا باشد، فرصتی برای نفوذ و تشکیل فازهای پرلیت و سمانتیت وجود نخواهد داشت. در این حالت کربن در داخل ساختار باقی می مانند و فاز جدیدی تشکیل می شود که مارتنزیت (Martensite) نامیده می شود. این فاز، فازی غیر تعادلی با شبکه BCT (Body Centered Tetragonal) است. به همین دلیل بر روی نمودار تعادلی آهن – کربن نمایش داده نمی شود.

مارنتزیت فازی بسیار سخت با استحکام بالا و شکل پذیری پایین است. سختی مارتنزیت در برخی مواقع تا ۷۰۰ برینل هم می رسد. به همین منظور معمولا پس از تشکیل مارتنزیت، معمولا فولاد تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا انعطاف پذیری آن افزایش یابد. در این حالت ساختاری تشکیل می شود که به مارتنزیت تمپر شده (Tempered Martensite) معروف است.

استحاله های فازی دیاگرام Fe-C

در دیاگرام آهن کربن سه خط همدما (ایزوترم) مشاهده می شود. بنابراین انتظار می رود در این محدوده ترکیب شاهد سه استحاله فازی به صورت زیر باشیم:

استحاله پریتکتیک

با سرد کردن از منطقه مذاب، اولین استحاله ای که در نمودار مشاهده می شود، استحاله پریتکتیک (peritectic) است. در طول این استحاله، یک مذاب و یک جامد با فاز δ به یک جامد با فاز γ تبدیل می شوند. همان گونه که ملاحظه می کنید، فاز δ در آلیاژهایی با درصد کربن کمتر از ۰٫۸% تشکیل می شود. بنابراین انتظار نمی رود که در آلیاژهایی با درصد کربن بالا این استحاله مشاهده شود.

L (%0.53C) + δ (%۰٫۰۹۵C) → γ (%۰٫۱۷C)

استحاله یوتکتیک

یوتکتیک (Eutectic) استحاله ای است که مذاب به دو جامد تبدیل می شود. بر روی نمودار، در دمای ۱۱۴۶ درجه سانتیگراد مشاهده می شود که مذاب با ترکیب ۴٫۳% کربن به دو فاز آستنیت و سمانتیت تبدیل می شود. این استحاله در تمامی آلیاژهای آهن – کربن در این محدوده ترکیب رخ می دهد.

L (%4.3C) → γ (%۲٫۰۸C) + Fe₃C (%6.67C)

استحاله یوتکتوئید

در دمای ۷۲۳ درجه سانتیگراد، بر روی دیاگرام آهن کربن ملاحظه می شود که آستنیت با ترکیب حدودی ۰٫۸% کربن به فریت و سمانتیت تبدیل می شود. از این استحاله تحت عنوان یوتکتوئید (Eutectoid) یاد می شود.

 γ (%۰٫۸C) → α (%۰٫۰۲۲C) + Fe₃C (%6.67C)