دیاگرام فازی آهن کربن و آشنایی با نمودار آن

دیاگرام آهن کربن، راهنمایی است که روش های متنوع عملیات حرارتی را می توان با آن بررسی کرد. معمولا فولادها دارای عناصری هستند که موقعیت مرز بین نواحی فازی را نسبت به فولاد های کربنی ساده تغییر می دهند.

دیاگرام فازی آهن کربن اطلاعاتی در ارتباط با فاز ها، ساختار های فولاد و چدن در اختیار ما قرار می دهد. نمودار آن در فشار اتمسفر رسم شده است و دارای متغییر هایی شامل دما و ترکیب شیمیایی یا همان درصد کربن است. دیاگرام فازی آهن کربن کاملا در فشار اتمسفر صحیح است. در این مقاله شما را با دیاگرام فازی آهن کربن، نمودار آن، انواع و فاز های نمودار آهن کربن آشنا خواهیم کرد.

دیاگرام آهن کربن چیست؟

دیاگرام فازی آهن کربن درصد بین کربن با دما، مرز بین نواحی فازی مختلف، دماهای بحرانی، فازها و ساختار های تعادلی موجود را نشان می دهد. (مطالعه بیشتر: اتصالات فشار قوی)

کربن مهم ترین عنصر آلیاژی در آهن است و کوچک ترین تغییرات در محتوای کربن می تواند تغییرات گسترده ای در ویژگی های فولاد و چدن ایجاد کند. گرم یا سرد شدن فولاد ها تاثیر بسیاری بر کاهش یافتن اهمیت دیاگرام فازی آهن کربن می گذارد.

انواع نمودار دیاگرام فازی آهن کربن

کربن به دو شکل مختلف مانند حالت پیوندی و کربن اولیه به شکل گرافیت است که نمودار آن نیز به همین دلیل به دو شکل سیستم پایدار یا نمودار آهن و گرافیت و یک سیستم فراپایدار با نمودار آهن و سمنتیت تشکیل می شود.

گرافیت نوعی از کربن بوده که مقاوم تر از سمنتیت است که فرصت دادن سمنتیت باعث تجزیه آن به گرافیت می شود. نمودار آهن سمنتیت برای بررسی عملیات حرارتی فولادها مناسب تر است ؛ زیرا گرافیت زایی به ندرت انجام می شود. در چدن ها، وجود مقادیر بالا از کربن و سیلیسیم، سمنتیت را تجزیه و تشکیل آن به گرافیت را ترغیب می کند.

فاز و ساختار در نمودار آهن کربن

فاز، بخشی از یک سیستم است که از نظر شیمیایی و فیزیکی، مقدار ماده ای یکنواخت است که می تواند به صورت مکانیکی از یک مخلوط غیر همگن جدا شود. ساختار به شبکه های بلوری گفته می شود که شامل چیدمان مرتبی از اتم ها در سه بعد فضایی است. همه اتم ها در 14 ساختار متنوع متبلور شده که از آن ها تحت عنوان 14 شبکه تشکیل می شوند؛ بدین ترتیب فلز ها و مواد مهندسی در تعداد محدودی از این 14 ساختار شکل می گیرند.

مهم ترین ساختار ها در فولاد، ساختار FACE CENTERED CUBIC و BASE CENTERED است که به آن ساختار مکعبی وجه پر و مکعبی مرکز پر گفته می شود.

فریت؛ نوعی فاز در آهن کربن

در دیاگرام فازی آهن، محلول جامد کربن در آهن را فریت می نامند. فریت با علامت اختصاری آلفا دارای بلوری BBC بوده که زیر 912 درجه سانتی گراد پایدار است. حداکثر حلالیت فریت با دیاگرام آهن کربن، ۰٫۰۲۵ درصد در دمای ۷۲۷ درجه سانتی گراد و حداقل آن ۰٫۰۰۸ درصد در دمای اتاق است. فریت نرم ترین فازی است که در دیاگرام فازی آهن یافت می شود. همچنین فریت دارای خاصیت مغناطیسی نیز است.

آستنیت؛ نمونه ای از دیاگرام فازی آهن کربن

محلول جامد کربن در آهن را آستنیت می نامند. ساختار این فاز با شبکه بلوری FFC مکعب مرکز پر شناخته می شود که در گستره دمایی بین 912 تا 1394 درجه سانتی گراد پایدار است. حد حلالیت کربن در آستنیت در دمای 1148 درجه به میزان 11/2 درصد است. این فاز از مقاومت و انعطاف پذیری خوبی برخوردار است؛ اما خاصیت مغناطیسی ندارد. از فاز آستنیت، در عملیات حرارتی فولادها استفاده می شود. برای استحکام فولادها، آن ها را تا یک دمای معینی حرارت می دهند تا آستینه شوند.

سمنتیت در دیاگرام فازی آهن کربن

سمنتیت یک ترکیب بین فلز کربن با آهن است و به کاربید آهن معروف است. در صورتی که درصد کربن در فولادها بیشتر از حد حلالیت آن در آستنیت و فریت باشد، فاز جدیدی به نام کاربید آهن یا سمنتیت به وجود می آید. این فاز دارای شبکه بلوری مکعب مستطیلی است و دمای ذوب آن به حدود 1250 سانتی گراد می رسد. در دیاگرام آهن کربن، چدن با مقدار 67/6 درصد کربن، دارای ساختار سمنتیت است. سمنتیت آزاد در تمام فولاد های حاوی 83/0 درصد یافت می شود. کاربید آهن، بسیار سخت اما قابلیت شکنندگی دارد و در زیر 200 درجه سانتی گراد دارای خاصیت مغناطیسی است.

پرلیت؛ ترکیبی از فریت و سمنتیت در دیاگرام فازی آهن کربن

پرلیت یک ترکیب یوتکتوئیدی و ساختاری لایه به لایه از فریت و سمنتیت است که از 0/8 درصد کربن تشکیل شده است. این فاز در دمای زیر 723 درجه سانتی گراد ایجاد می شود. این فاز در فولاد های کربن متوسط و کم به شکل مخلوط مکانیکی فریت و سمنتیت به نسبت 87 به 13 وجود دارد. پرلیت دارای مقاومت و انعطاف پذیری نسبتا مناسبی است و لایه های فریت به صورت لایه های تیره و روشن ساخته می شود.

ساختار مارتنزیت در دیاگرام فازی آهن

مارتنزیت به ساختار حاصل از سرد کردن آستنیت یا فولاد های کربنی گفته می شود. این ساختار از فاز BCT تشکیل شده است. مارتنزیت توسط یک مکانیزم برشی به وجود می آید که در آن، اتم های زیادی به طور همزمان جابه جا می شوند. اگر مارتیزنت تا دمایی حرارت داده شود که اتم های کربن قدرتی برای نفوذ پیدا کنند، از فضاهای خالی خارج می شوند و سمنتیت را تشکیل می دهند.

بینیت در دیاگرام فازی آهن کربن

بینیت در فولاد ها در گستره دمایی بین پایین ترین دمای تشکیل پرلیت و بالا ترین دمای مارتنزیت تشکیل می شود. بینیت یک فاز نیست بلکه مخلوطی از دو فاز فریت و سمنتیت است. دگرگونی بینیتی نیاز به تغییرات شیمیایی و نفوذ کربن دارد. بینیت به دو شکل بینیت بالایی و پایینی تقسیم می شود. بینیت بالایی، در گستره دمایی کمتر از دمای پرلیت به وجود می آید و بینیت پایینی در دمای نزدیک به دمای تشکیل مارتنزیت ساخته می شود.

لدبوریت مخلوطی از آستنیت و سمنتیت در دیاگرام فازی آهن کربن

لدبوریت یک مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمنتیت است که شامل 3/4 درصد کربن بوده و در دمای 1130 درجه ساخته می شود. لدبوریت ساختار فولادی ندارد و سطح کربن آن بالا است. این ساختار از فاز به عنوان یک ترکیب جداگانه در برخی از فولاد های کربن بالا وجود دارد.

واکنش های دما در نمودار آهن کربن

در سیستم آلیاژی کاربید آهن یا نمودار آهن کربن سه واکنش به وقوع می پیوندد که با خطوط افقی روی نمودار مشخص می شوند.

• واکنش پریتکتیک در دمای 1495 درجه سانتی گراد رخ می دهد. واکنش پریتکتیک مخلوطی از فاز مذاب و فاز جامد است.
• واکنش یوتکتیک در دمای 1148 رخ می دهد و بیشتر به چدن ها مربوط می شود. این دگرگونی با تبدیل فولاد مذاب به مخلوطی از فاز های جامد آستنیت و سمنتیت به وجود می آید و در نهایت به لدبوریت تشکیل می شود.
• واکنش یوتکتوئید در دمای 727 درجه به وقوع می پیوندد. این واکنش شامل تجزیه آستنیت به فریت و سمنتیت است و به دو فاز جامد تبدیل می شود.

هر یک از فاز های نمودار آهن کربن دارای خواص فیزیکی و مکانیکی هستند و با فازهای نمودار آهن کربن، می توان ساختار فولاد را برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب کنترل کرد.

دماهای بحرانی در دیاگرام فازی آهن کربن

فاز های مختلف در نمودار تعادلی آهن کربن، مشخص کننده دماهای تعادلی دگرگونی های مختلفی هستند. دماهای دگرگونی اغلب به دماهای بحرانی شناخته می شوند. این تغییرات در انتقال حرارت یا حجم نمونه در اثر گرمایش و سرمایش مشاهده می شود. دماهای بحرانی را با حرف A نشان می دهند. مهم ترین دماهای بحرانی در نمودار آهن کربن شامل موارد زیر می شوند:

1. 1A: مرز ناحیه دو فازی فریت و سمنتیت و یکی از نواحی دو فازی است.
2. A2: دمایی حدود 770 درجه است که آهن خاصیت خود را از دست می دهد.
3. A3: فصل مشترک ناحیه دو فازی فریت آستنیت و ناحیه تک فازی آستنیت است.
4. A4: در این دما آستنیت به آهن دلتا تبدیل می شود.
5. A cm: فصل مشترک بین ناحیه دو فازی سمنتیت و آستنیت و ناحیه تک فاز آستنیت است.

دگرگونی های دماها تابع نفوذ هستند. بنابراین؛ این دماهای بحرانی تابع میزان سرمایش، گرمایش و همچنین ترکیب شیمیایی فولاد هستند. در دیاگرام فازی تعادلی آهن کربن، مقدار سرمایش و گرمایش با یک سری حروف اختصاری به ترتیب AC و AR مشخص می شوند.

درک دیاگرام فازی آهن کربن؛ گامی مهم در مسیر تکامل و بهبود خواص فولاد

دیاگرام فازی آهن کربن به عنوان راهنمایی برای فهم تأثیر درصد کربن و دما بر خواص فولاد و چدن حیاتی است. این نمودار شامل نقاط و دماهای بحرانی، واکنش های دمایی خاص و فازهای متنوعی مانند فریت، آستنیت، سمنتیت و مارتنزیت است.

شناخت این فازها و تغییرات آن ها در شرایط مختلف حرارتی، به مهندسان امکان می دهد تا خواص مکانیکی و فیزیکی فولاد را به بهترین شکل ممکن تنظیم کنند. در نهایت، دیاگرام فازی آهن کربن یک ابزار کلیدی در توسعه و بهبود فولادها و آلیاژهای مبتنی بر آهن است.