Tema 5 - SIM - Structuri de Echilibru Ale Oţelurilor Carbon Și Fontelor Albe - (Sapt. 9) (1) Rezolvare [PDF]

Zitiervorschau

TEMA NR. 5 STRUCTURI DE ECHILIBRU ALE OŢELURILOR CARBON ȘI FONTELOR ALBE Să se efectueze o analiză din punct de vedere metalografic a microstructurilor categoriilor de aliaje Fe – C (oțeluri carbon și fonte albe) delimitate de diagrama sistemului metastabil Fe – Fe3C. Analiza trebuie să fie însoțită și de punerea în evidență a distribuţiei fazelor și constituenţilor acestor aliaje. Să se elaboreze o evaluare calitativă și cantitativă a evoluției și diversificării acestor faze și constituenți metalografici în functie de variația concentrației în carbon și a temperaturii. De asemenea, să se efectueze și o prezentare a tansformărilor structurale de bază aferente acestor categorii de oțeluri carbon și fonte albe, precum și definirea fazelor și constituenţilor de echilibru aferenți.

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, FexCy, sub forma de carbon elementar ( carbon liber sau grafit ), sau sub forma de solutie solida ( ferita, austenita si ferita ) In mod corespunzator apar doua diagrame de echilibru : metastabila Fecementita ( 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 . 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 . Contine maxim 0,02% C la 996oK ( punctul P din diagrama Fe-Fe3C ) si 0,006% C la 293oK ( 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  =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 ( CeI ) in fontele albe hipereutectice, separata din topitura de-a lungul liniei CD; cementita secundara ( CeII ) in fontele albe hipoeutectice si in otelurile hipereutectoide, ca urmare a modificarii solubilitatii C in Fe  de-a lungul liniei ES; cementita tertiala ( CeIII ) in otelurile cu un continut scazut de C, datorita modificarii solubilitati C in Fe  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 r=4 daN/mm2 si este magnetica la temperatura ambianta. Prin incalzire isi pierde magnetismul la 215oC, 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 996oK. 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  =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 1420oK. 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 (