Structura de echilibru a otelurilor carbon si a fontelor albe

Aliajele fierului cu carbonul poarta denumirea de oteluri daca continutul in acest element este pana la 2,06% si de fonte cand continutul de carbon depaseste aceste limite. Atat in oteluri cat si in fonte, pe langa fier si carbon apar si alte elemente insotitoare permanente ( Si, Mn, P, S ) in concentratii bine definite pentru fiecare categorie de aliaj in parte. Carbonul este cel mai important element de aliere al fierului, deoarece pentru fiecare 0,1% C, rezistenta la rupere a otelurilor carbon laminate creste cu cca 9 daN/mm², iar limita de curgere cu cca 4.5 daN/mm². In aliajele sale cu Fe, carbonul se poate gasi sub forma de carburi de Fe, Fe_xC_y, sub forma de carbon elementar ( carbon liber sau grafit ), sau sub forma de solutie solida ( ferita, austenita si ferita d

In mod corespunzator apar doua diagrame de echilibru : metastabila Fe-cementita ( Fe-Fe₃C ) si stabila Fe-grafit ( Fe-C ). Echilibrul cu cementita este metastabil, deoarece prin incalzire se descompune in elementele sale, dar in conditiile practice de utilizare a aliajelor ( temperatura si presiune ) acest constituent structural prezinta suficienta stabilitate, otelurile si fontele albe facand parte din acest sistem ( Figura 1. ) .

Figura 1. Diagrama de echilibru Fe-Fe₃C.

Dupa continutul de carbon otelurile pot fi impartite in trei clase :

-oteluri hipoeutectoide, care contin pana la 0,8% C si prezinta la temperatura ambianta o structura de ferita si perlita ;

-oteluri eutectoide, care contin 0,8% C si au la temperatura ambianta o structura perlitica ;

-oteluri hipereutectoide, care au un continut de C cuprins intre 0,8.2,06% si o structura formata din perlita si cementita secundara .

Fontele albe sunt denumite astfel datorita aspectului argintiu al rupturii ( cauzat de prezenta cementitei ) si sunt aliaje feroase cu continut de carbon cuprins intre 2,06.6,67%. Factorii care favorizeaza obtinerea fontelor albe sunt: temperaturile ridicate de turnare, viteza mare de racire, continutul ridicat de Mn sau Cr si un continut scazut de Si.

Dupa continutul de C acestea se pot imparti in urmatoarele trei clase :

-fonte hipoeutectice, care contin intre 2,06.4,3% C si au la temperatura ambianta o structura formata din perlita, cementita secundara si ledeburita ;

-fonte eutectice, care contin 4,3% C si au la temperatura ambianta o structura formata numai din perlita si ledeburita ;

-fonte hipereutectice, care contin intre 4,3.6,67% C avand la temperatura ambianta o structura formata din cementita primara si ledeburita .

1. Constituenti omogeni .

Ferita, notata cu F, este o solutie de insertie a C in Fe a. Contine maxim 0,02% C la 996^oK ( punctul P din diagrama Fe-Fe₃C ) si 0,006% C la 293^oK ( punctul Q din diagrama Fe-Fe₃C).Ferita libera apare in otelurile hipoeutectoide, predominand in structura celor cu o concentratie de pana la 0,4% C si trecand sub forma de retea la cele cu continut de carbon cuprins intre 0,5.0,8%. Ferita cristalizeaza in sistemul cubic centrat, poseda o rezistenta la rupere de cca 30 daN/mm² si o alungire specifica mare d =40%. Este magnetica si ofera otelurilor elasticitate si tenacitate.

Cementita, notata cu Ce, este un compus chimic Fe₃C care are 6,67% C

( C%=[12/(3 56+12)]100=6,67% ). Cementita libera apare in structura otelurilor carbon si a fontelor albe sub urmatoarele forme distincte, toate insa avand aceeasi compozitie chimica : cementita primara ( Ce_I ) in fontele albe hipereutectice, separata din topitura de-a lungul liniei CD; cementita secundara ( Ce_II ) in fontele albe hipoeutectice si in otelurile hipereutectoide, ca urmare a modificarii solubilitatii C in Fe g de-a lungul liniei ES; cementita tertiala ( Ce_III ) in otelurile cu un continut scazut de C, datorita modificarii solubilitati C in Fe a de-a lungul liniei PQ.

Cementita cristalizeaza in sistemul ortorombic, are o duritate foarte mare HB=800 daN/mm², o rezistenta la rupere foarte mica s_r=4 daN/mm² si este magnetica la temperatura ambianta.

Prin incalzire isi pierde magnetismul la 215^oC, iar la temperaturi mai inalte se descompune in componentele sale ( Fe si C ) si ca urmare, temperatura sa de topire nu este precis determinata. Confera otelurilor hipereutectoide si fontelor albe o duritate si o fragilitate ridicata, motiv pentru care aceste aliaje nu pot fi prelucrate prin deformare la rece.

2. Constituentii eterogeni .

Perlita, notata cu P, este un amestec mecanic de ferita ( 88% ) si cementita ( 12% ) cu aspect lamelar, rezultat prin descompunerea austenitei cu 0,8 C la temperatura de 996^oK. Proprietatile sale mecanice depind de marimea si de gradul de dispersie ( definit ca inversul distantei interlamelare ) al fazelor constructive. Rezistenta sa la rupere are valori cuprinse intre 55. . . 110 daN/mm², duritatea HB=185.250 daN/mm², iar alungirea specifica d =2,5.10%. Perlita confera otelurilor rezistenta si elasticitate.

Ledeburita, notata cu Le, este un amestec mecanic de austenita si cementita format prin solidificarea lichidului cu 4,3% C la temperatura de 1420^oK. La temperatura ambianta, ca urmare a transformarilor in stare solida, ledeburita este constituita din perlita ledeburitica si cementita ledeburitica. Datorita cantitatii mari de faza cementitica din structura, ledeburita imprima fontelor albe o duritate si o fragilitate pronuntata. Din aceasta cauza, fontele albe se folosesc in special pentru elaborarea otelurilor, iar in unele situatii pentru elaborarea prin turnare a unor piese ( cilindrii de laminor ) rezistente la uzura, ce nu sufera prelucrari mecanice ulterioare prin procedee clasice. De asemenea, fontele albe hipoeutectice se utilizeaza la obtinerea fontelor maleabile.

3. Aspecte microscopice ale aliajelor feroase din sistemul metastabil ( Fe-Fe₃C ) .

3. 1. OTELURI CARBON .

Se considera drept stare de echilibru a otelurilor, acea stare obtinuta prin racirea topiturii cu viteza foarte mica ( <4^oK/min ) . Proba cercetata la microscop este pregatita si atacata.

Otelul cu 0,015% C, prezinta la temperatura ambianta o structura din graunti poliedrici de ferita ( culoare alba ) cu marginile usor rotunjite. Datorita fenomenului de anizotropie va aparea o diferenta de nuanta in culoarea deschisa a grauntilor, functie de orientarea cristalografica fata de planul de lustruire. La marginile unor graunti cristalini de ferita se sesizeaza o cantitate mica de cementita tertiala care apare ca o dedublare a liniei ce contureaza grauntele de ferita ( figura 2. ) .

Figura 2. Ferita+cementita tertiala. Mox500.

Incluziunile metalice apar de culoare inchisa si se plaseaza intre grauntii de ferita sau chiar in interiorul lor. Acest aliaj poseda caracteristici de plasticitate foarte bune, permeabilitate magnetica buna si foarte slabe caracteristici de rezistenta mecanica.

Otelurile cu 0,02% < C < 0,8% au la temperatura ambianta o structura constituita din ferita si perlita. Pana la concentratii de 0,4% C predomina in structura ferita ( culoare alba ), iar perlita apare la marginea unor graunti feritici ( culoare inchisa ) ( figura 3. ). La 0,4% C cei doi constituenti structurali apar in cantitati aproximativ egale ( figura 4. ), iar la continuturi cuprinse intre 0,5.0,8% C matricea structurala devine perlitica, iar ferita va apare sub forma de retea ( figura 5. ). Cresterea progresiva a cantitatii de perlita din structura odata cu marirea concentratiei in C va conduce si la importante modificari ale proprietatilor mecanice si tehnologice. Astfel, otelurile cu cca 0,1% C sunt foarte maleabile si ductile, intrebuintandu-se pentru trefilare ( cuie, sarme ) si pentru realizari de produse prin ambutisare adanca.

Otelurile cu cca 0,2% C au o duritate si o rezistenta mecanica putin mai ridicata comparativ cu cele anterioare, folosindu-se sub forma de table, benzi, sarme etc, precum si ca oteluri de cementare in constructia de masini si aparate.

Otelurile cu cca 0,4% C sunt foarte mult intrebuintate in constructia de masini atat in stare normalizata, cat si in stare imbunatatita, ele asigurand caracteristici corespunzatoare atat pentru rezistenta mecanica ( datorita perlitei ) cat si pentru plasticitate ( datorita feritei ). La otelurile cu 0,6% C predominand in structura perlita, se vor obtine rezistente mecanice apreciabile si in consecinta vor fi utilizate la confectionarea organelor de masini intens solicitate.

Otelurile cu 0,8% C, sunt oteluri eutectoide care au la temperatura ambianta o structura formata numai din perlita lamelara ( sau globulara ) . . .

Figura 3. Ferita+perlita. MOx500

Figura 4. Ferita + perlita Figura 5. Perlita+ferita.

MOx500 . MOx500 .

In urma atacului cu nital perlita apare la microscop ca o alternanta de lamele alb-negru ( figura 2. 6. ), lamelele de cementita fiind albe, iar cele de ferita mai intunecate.

Otelurile cu 0,8 < C < 2,06% sunt oteluri hipereutectoide, prezentand la temperatura ambianta pe langa perlita lamelara si o retea fina de culoare deschi- sa de cementita secundara ( figura 7 ). Acelasi otel daca este atacat cu picrat de sodiu la fierbere ( figura ) ( reactiv intrebuintat pentru evidentierea cementitei ), prezinta in structura reteaua de cementita secundara colorata cu un brun inchis. Matricea perlitica se ataca mai greu. In acest fel se poate identifica in reteaua de cementita dintr-un otel hipereutectoid comparativ cu reteaua de ferita din otelurile hipoeutectoide cu 0,6.0,75% C, care ramane neatacata in urma tratarii cu acelasi reactiv. Otelurile cu 0,7.1,2% C sunt in general oteluri pentru scule. Rezistenta lor mecanica este ridicata, iar caracteristicile de plasticitate relativ scazute.

3. 2. FONTE ALBE .

Au carbonul legat integral cu Fe sub forma de cementita ledeburitica. Se caracterizeaza printr-o duritate si fragilitate ridicata, fapt care face ca prelucrarea lor prin aschiere clasica sa fie dificila. 

Figura 6. Perlita lamelara Figura 7. Perlita+cementita . MOx500 . secundara; atac nital. Mox500 .

Fonte albe hipoeutectice ( 2,06% < C < 4,3% ) au la temperatura ambianta o structura formata din perlita (culoare inchisa), cementita secundara (culoare deschisa ) si ledeburita ( aspect punctiform zebrat . Cementita secundara este concrescuta cu cementita ledeburitica si ca atare nu pot fi deosebite la microscop ( figura 9. ).

Figura Perlita+cementita Figura 9. Perlita+cementita

secundara, atac : picrat de sodiu . secundara+ledeburita

MOx500 MOx500

Fonte albe eutectice ( C= 4,3% ) prezinta in structura la temperatura ambianta numai ledeburita. In urma atacului cu nital, perlita ledeburitei apare sub forma de puncte sau pete negre , iar cementita ledeburitei de culoare alba (figura 10.).

 

Figura 10. Ledeburita. MOx500 Figura 11. Ledeburita . +cementita primara. MOx500

Fonte albe hipereutectice ( 4, 3%<C <6, 67% ) au structura formata din ledeburita si cementita primara. Cementita primara separandu-se direct din lichid va apare la microscop sub forma de ace sau lamele drepte de dimensiuni mari ( figura 11. ) .