55
 Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon 171 Capitolul 4 STUDIUL ALIAJELOR DIN SISTEMUL FIER - CARBON 4.1. Introducere Studiul s istemului fier - carbon prezint! o importan"! deosebit! din punct de vedere ingineresc, deoarece acest sistem cuprinde aliajele cu cea mai larg ! utilizare practic!: o"elurile #i fontele. Componentul principal (de baz !  ) al alia jelor s istemul ui fier - carbon este  fieru l . Fierul este un metal alb - argintiu, cu temperatura de solidificare - topire t  s  = 1538 o C #i urm!toarele caracteristici fizico - mecanice (la temperatura ambiant!): densitatea ρ  = 7850 kg/m 3 , modulul de elasticitate  E  = 2,0510 5  N/mm 2 , limita de curgere R e  = 100...140 N/mm 2 , rezisten"a la trac" iune R m  = 200...250 N/mm 2 , alungirea procentual! dup! rupere  A  = 40...50%,  coeficientul de gâtuire  Z  = 70...90%, duritatea 45...55 HBS, energia de rupere  KV  = 170...200  J .  Fierul are dou! forme alotropice  sau modifica  " ii proprii (v. scap. 1.6): Fe α , cu structur ! cristalin! CVC, stabil sub temperatura t c1  = 910 o C #i în intervalul de temperaturi (t c2 = 1392 o C; t  s  = 1538 o C) #i Fe γ , cu structur ! cristalin! CFC, stabil în intervalul de temperaturi (t c1  = 910 o C; t c2 = 1392 o C); Fe α  stabil în intervalul de temperaturi (t c2 = 1392 o C; t  s  = 1538 o C) este numit #i Fe δ . Fierul prezint! propriet!"i magnetice sub temperatura t CFe  = 768 o C (numit! punctul Curie al Fe), peste aceast ! temperatur ! fiind nemagnetic (paramagnetic). Componentul de aliere al aliajelor fier - carbon este carbonul.  Carbonul formeaz! cu fierul compusul definit Fe 3 C (carbura de fier), denumit în tehnic! cementit!, caracterizat printr-o concentra"ie masic! de 6,67% C; cementita este un compus intersti"ial de tip geometric (v. scap. 2.2.2), cu re"ea cristalin! complex! #i temperatura de solidificare - topire t  sCem   1250 o C. Cementita are densitatea apropiat ! de cea corespunz !toare fierului (ρ Cem   7600 kg/m 3 ), este o

Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

  • Upload
    givali

  • View
    1.503

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 1/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

171

Capitolul 4

STUDIUL ALIAJELOR DIN SISTEMULFIER - CARBON

4.1. Introducere

Studiul sistemului fier - carbon prezintă o importanţă deosebită din punctde vedere ingineresc, deoarece acest sistem cuprinde aliajele cu cea mai largăutilizare practică: oţelurile şi fontele.

Componentul principal (de baz ă  ) al aliajelor sistemului fier - carbon este

 fierul . Fierul este un metal alb - argintiu, cu temperatura de solidificare - topiret  s  = 1538 oC şi următoarele caracteristici fizico - mecanice (la temperaturaambiantă): densitatea ρ  = 7850 kg/m3, modulul de elasticitate E  = 2,05⋅105 N/mm2,limita de curgere Re = 100...140 N/mm2, rezistenţa la tracţiune Rm = 200...250 N/mm2,alungirea procentuală după rupere  A  = 40...50%,  coeficientul de gâtuire

 Z  = 70...90%, duritatea 45...55 HBS, energia de rupere  KV  = 170...200 J .  Fierul 

are două  forme alotropice  sau modifica ţ ii proprii (v. scap. 1.6): Feα, cu structur ăcristalină CVC, stabil sub temperatura t c1 = 910 oC şi în intervalul de temperaturi(t c2 = 1392 oC; t  s = 1538 oC) şi Feγ , cu structur ă cristalină CFC, stabil în intervalulde temperaturi (t c1 = 910 oC; t c2 = 1392 oC); Feα stabil în intervalul de temperaturi(t c2 = 1392 oC; t  s  = 1538 oC) este numit şi Feδ. Fierul prezintă proprietăţimagnetice sub temperatura t CFe  = 768 oC (numită punctul Curie al Fe), pesteaceastă temperatur ă fiind nemagnetic (paramagnetic).

Componentul de aliere al aliajelor fier - carbon este carbonul. Carbonulformează cu fierul compusul definit Fe3C (carbura de fier), denumit în tehnicăcementită, caracterizat printr-o concentraţie masică de 6,67% C; cementita esteun compus interstiţial de tip geometric (v. scap. 2.2.2), cu reţea cristalinăcomplexă şi temperatura de solidificare - topire t  sCem ≅ 1250 oC. Cementita aredensitatea apropiată de cea corespunzătoare fierului (ρ Cem ≅ 7600 kg/m3), este o

Page 2: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 2/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

172

fază dur ă (duritatea cementitei este de aproximativ 800 HV ) şi prezintă proprietăţimagnetice sub temperatura t CCem = 215 oC (numită punctul Curie al cementitei).

Cementita este o faz ă  metastabil ă ; prin menţinere de lungă durată latemperatur ă ridicată şi/sau în prezenţa siliciului, cementita se descompune în fier şi grafit (carbon liber). Grafitul este o formă alotropică (modificaţie) a carbonului,caracterizată printr-o structur ă cristalină de tip hexagonal şi un punct de sublimare(transformare a grafitului solid în carbon gazos), t  subC   ≅ 3540 oC. Grafitul aredensitatea mult mai mică decât fierul (ρ C  ≅ 2500 kg/m3) şi prezintă caracteristicide rezistenţă mecanică foarte scăzute. Grafitul este forma stabil ă  de existen ţă  acarbonului în aliajele fier - carbon.

Având în vedere cele prezentate anterior rezultă că sistemul de aliaje fier -carbon poate fi analizat în două variante:

* sistemul metastabil fier - cementită (Fe - Fe3C), în care carbonul este

legat sub formă de cementit ă ;* sistemul stabil fier - grafit (Fe - C), în care carbonul se afl ă sub formă 

de grafit (carbon liber).

4.2. Diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C.

Oţelurile carbon şi fontele albe

4.2.1. Descrierea diagramei Fe - Fe3C

Diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C (construită experimental) este prezentată în figura 4.1, notaţiile din diagramă fiind f ăcute în conformitate cu prescripţiile din SR EN 10052: 1996. Abscisele (concentraţiile masice de carbon)şi ordonatele (temperaturile) punctelor caracteristice ale diagramei sunt precizateîn tabelul 4.1.

Fazele care apar în diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C sunt:* L este solu ţ ia lichid ă a componentelor Fe  şi C;

* γ γγ γ , denumit ă austenit ă , este solu ţ ia solid ă  intersti ţ ial ă de carbon în Feγ 

( γ   ≡  Feγ (C)). Poziţia şi extinderea în diagramă ale domeniului monofazic alaustenitei (NJESG) sunt determinate de stabilitatea modificaţiei Feγ  şi de variaţiacu temperatura a solubilităţii carbonlui în aceasta; aşa cum rezultă examinânddiagrama, concentraţia masică maximă a carbonului în austenită este de 2,11% şise poate realiza la temperatura de 1148 oC (v. coordonatele punctului E);

*α αα α   , denumit ă ferit ă ,  este solu ţ ia solid ă  intersti ţ ial ă  de carbon în

modifica ţ ia Feα  stabil ă  la temperturi joase ( α  ≡ Feα  (C)), iar δ   , denumit ă  ferit ă 

delta este solu ţ ia solid ă  intersti ţ ial ă de carbon în modifica ţ ia Feα  ≡ Feδ stabil ă  la

Page 3: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 3/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

173

temperaturi ridicate ( δ   ≡ Feδ (C)). Poziţiile şi extinderile în diagramă aledomeniilor monofazice ale feritei (GPQ şi AHN) sunt determinate de stabilitateamodificaţiei Feα şi de variaţia cu temperatura a solubilităţii carbonlui în aceasta;aşa cum rezultă examinând diagrama, concentraţia maximă a carbonului în ferităeste de 0,02 % şi se poate realiza la temperatura de 727 oC (v. coordonatele

 punctului P), iar concentraţia maximă a carbonului în ferita delta este de 0,10% şise realizează la temperatura de 1495 oC (v. coordonatele punctului H);

Fig. 4.1. Diagrama metastabilă Fe-Fe3C

Tabelul 4.1. Coordonatele punctelor din diagrama metastabilă Fe-Fe3CPunctul A B C D E F G H J K N P Q SAbscisa,

%C m0 0,54 4,30 6,67 2,11 6,67 0 0,10 0,16 6,67 0 0,02 0,002 0,77

Ordonata,oC

1538 1495 1148 1250 1148 1148 910 1495 1495 727 1392 727 t a 727

Page 4: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 4/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

174

* Fe3C  este compusul definit (faza daltonid ă   ) cu denumirea tehnică cementit ă   şi caracteristicile prezentate anterior .

Liniile de transformare fazică (ale căror semnificaţii pot fi stabilite cuuşurinţă pe baza datelor prezentate în scap. 2.5) delimitează în spaţiul diagramei11 domenii: 4 domenii monofazice ( L, δ, γ  şi α) şi 7 domenii bifazice ( L+δ; L+γ ;

 L+Fe3C; δ+γ ; γ+Fe3C; α+γ  şi α+Fe3C). Aplicând legea fazelor pentru acest sistemde aliaje, se obţin următoarele rezultate: în domeniile monofazice, V  = 2 (sistemuleste bivariant); în domeniile bifazice şi pe liniile de transformare ABCD, AH,HN, JN, JE, GS, ES, GP şi PQ (cu excepţia punctelor A, C, D, G, J, N şi S), V  = 1(sistemul este monovariant); pe liniile de transformare (izotermele) HJB, ECF şi

PSK (cu excepţia punctelor B, E, H şi P) şi în punctele A, D, G şi N, V   = 0(sistemul este invariant).

4.2.2. Transformările structurale ale aliajelor sistemuluimetastabil Fe-Fe3C

Analizând diagrama de echilibru metastabil Fe - Fe3C, se observă căaliajele pot suferi (la încălzire sau r ăcire), funcţie de concentraţia de carbon aacestora, următoarele transformări structurale:

a) Aliajele a căror verticală este situată între punctele H şi B ale diagramei

(aliajele cu concentraţia masică de carbon situată în intervalul (0,10%;0,54%))sufer ă la temperatura de 1495oC (temperatura punctelor de intersecţie dintreverticalele corespunzătoare aliajelor şi izoterma HJB) transformarea peritectică:

  r ăcire

 L B(0,54%C) + δ H (0,10%C) γ  J (0,16%C); (4.1)  încălzire

 b) Aliajele a căror verticală este situată între punctele E şi C ale diagramei(aliajele cu concentraţia masică de carbon situată în intervalul (2,11%;6,67%))sufer ă la temperatura de 1148oC (temperatura punctelor de intersecţie dintreverticalele corespunzătoare aliajelor şi izoterma ECF) transformarea eutectică:

  r ăcire

 LC (4,30%C) (γ E(2,11%C) + Fe3C); (4.2)  încălzire  amestec eutectic

amestecul mecanic de austenită  şi cementită format prin transformareaeutectică (cu structura alcătuită din formaţiuni cristaline globulare de austenităuniform distribuite într-o masă de cementită) este denumit ledeburită;

c) Aliajele a căror verticală este situată între punctele P şi K ale diagramei(aliajele cu concentraţia masică de carbon situată în intervalul (0,02%;6,67%))sufer ă la temperatura de 727oC (temperatura punctelor de intersecţie dintre

Page 5: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 5/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

175

verticalele corespunzătoare aliajelor şi izoterma PSK) transformarea eutectoidă:  r ăcire

γ S(0,77%C) (αP(0,02%C) + Fe3C); (4.3)  încălzire

  amestec eutectoid

amestecul mecanic de ferită  şi cementită format prin transformareaeutectoidă (cu structura alcătuită din formaţiuni cristaline lamelare alternante deferită şi cementită) este denumit perlită.

Dacă un aliaj care a suferit transformarea eutectică este adus (prin r ăcire)în condiţiile realizării transformării eutectoide, austenita din ledeburită setransformă în perlită; ledeburita a cărei austenită a suferit transformarea eutectoidăeste denumită  ledeburită transformată  şi are structura alcătuită din globule de

 perlită (formate din lamele alternante de ferită  şi cementită) uniform distribuiteîntr-o masă de cementită.

4.2.3. Clasificarea aliajelor sistemului metastabil Fe-Fe3C

Aliajele din diagrama Fe - Fe3C se clasifică şi se denumesc în funcţie deconcentraţia lor de carbon şi, în consecinţă, în funcţie de transformările structurale

 pe care le pot suferi la încălzire sau r ăcire; categoriile unei astfel de clasificări şidenumirile aliajelor din fiecare categorie se prezintă astfel:

A.  aliajele având concentraţia masică de carbon situată în intervalul(2,11%;6,67%), care pot suferi atât transformarea eutectică, cât şi transformareaeutectoidă, sunt denumite fonte albe;

A.1. fonta albă având concentraţia masică de carbon de 4,30% estedenumită fontă albă eutectică;

A.2. fontele albe având concentraţia masică de carbon mai mică decât ceacorespunzătoare fontei albe eutectice sunt denumite fonte albe hipoeutectice;

A.3. fontele albe având concentraţia masică de carbon mai mare decât ceacorespunzătoare fontei albe eutectice sunt denumite fonte albe hipereutectice;

B. aliajele având concentraţia masică de carbon situată în intervalul (0,02%;2,11%],care pot suferi numai transformarea eutectoidă, sunt denumite oţeluri carbon;

B.1. oţelul carbon având concentraţia masică de carbon de 0,77% estedenumit oţel carbon eutectoid;B.2. oţelurile carbon având concentraţia masică de carbon mai mică decât cea

corespunzătoare oţelului carbon eutectoid sunt denumite oţeluri carbon hipoeutectoide;B.3. oţelurile carbon având concentraţia masică de carbon mai mare decât cea

corespunzătoare oţelului carbon eutectoid sunt denumite oţeluri carbon hipereutectoide;

C. aliajele având concentraţia masică de carbon cel mult egală cu 0,02%sunt cunoscute sub denumirea generică de fier tehnic.

Page 6: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 6/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

176

4.2.4. Structurile de echilibru ale oţelurilor carbon şifontelor albe

Particularităţile formării structurilor la fontele albe şi oţelurile carbon se pot evidenţia analizând transformările la r ăcirea din stare lichidă ale diferitelor tipuri de astfel de aliaje. Pentru exemplificare, se analizează transformările lar ăcirea din stare lichidă pentru patru aliaje ale sistemului Fe - Fe3C (cu verticalelemarcate I, II, III şi IV în fig. 4.1).

a) Aliajul I este o font ă albă hipereutectică ale cărei transformări la r ăcirea

din stare lichidă se prezintă astfel:* la temperatura t 0 fonta este în stare lichidă şi se menţine în această stare până la temperatura t 1;

* în intervalul de temperaturi (t 1;t 2), în fonta lichidă apar formaţiunicristaline aciculare de cementită; cementita separat ă  din L este denumit ă cementită primară. Datorită formării cementitei primare se degajă căldur ă(curba de r ăcire a fontei este concavă), iar concentraţia de carbon a fazei L scadedupă linia t 1C;

* datorită transformării anterioare, la atingerea temperaturii t 2  = 11480C(corespunzătoare izotermei ECF) faza  L are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului C  (4,30%) şi sunt îndeplinite condiţiile

desf ăşur ării transformării eutectice:

 LC (4,30%C) ⇒  (γ E(2,11%C) + Fe3C);  Ledeburită

transformarea eutectică decurge la temperatur ă constantă (curba de r ăcire a fontei prezintă un palier la t 2  = 1148oC), în urma desf ăşur ării acestei transformăristructura fontei fiind alcătuită din doi constituenţi: cementită primar ă (Fe3C') şiledeburită ( Led );

* la r ăcirea fontei în intervalul de temperaturi (t 2;t 3), solubiliatea carbonuluiîn austenită scade după linia ES şi carbonul în exces (ce nu mai poate fi dizolvat de

austenită) se separ ă sub formă de cementită; cementita separat ă din austenit ă  estedenumit ă   cementită secundară; datorită formării cementitei secundare se degajăcăldur ă (curba de r ăcire a fontei este concavă), iar concentraţia de carbon a fazei γ scade după linia ES. Cementita secundar ă se depune pe formaţiunile de cementită

 preexistente în structura fontei (cementita primar ă şi cementita din ledeburită) şi nuapare ca o fază distinctă (decelabilă microscopic) a acestei structuri;

* datorită separ ării cementitei secundare, la atingerea temperaturii t 3 = 727oC(corespunzătoare izotermei PSK) austenita are concentraţia masică de carbon

Page 7: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 7/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

177

corespunzătoare abscisei punctului S (0,77%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectoide:

γ S(0,77%C) ⇒ (αP(0,02%C) + Fe3C); 

Perlită

transformarea eutectoidă decurge la temperatur ă constantă (curba de r ăcire afontei prezintă un palier la t 3  = 727oC) şi afectează formaţiunile globulare deaustenită ale ledeburitei, în urma desf ăşur ării acestei transformări structura fonteifiind alcătuită din doi constituenţi: cementită primar ă (Fe3C') şi ledeburitătransformată ( LedTr );

* la r ăcirea fontei în intervalul de temperaturi (t 3;t a), solubilitateacarbonului în ferită scade după linia PQ şi carbonul în exces (ce nu mai poate fidizolvat de ferită) se separ ă sub formă de cementită; cementita separat ă din ferit ă 

este denumit ă  cementită terţiară; datorită formării cementitei ter ţiare se degajăcăldur ă şi curba de r ăcire a fontei este concavă. Cementita ter ţiar ă se depune peformaţiunile de cementită preexistente în structura fontei şi nu apare ca o fazădistinctă (decelabilă microscopic) a acestei structuri.

Pe baza celor prezentate rezultă că, la temperatura ambiantă, structura

fontei albe hipereutectice este alcătuită din:faze: ferită (α αα α ) şi cementită (Fe3C);constituenţi: ledeburită transformată ( LedTr ) şi cementită primară (Fe3C’).

 b) Aliajul II este o font ă albă hipoeutectică ale cărei transformări la r ăcirea

din stare lichidă se prezintă astfel:* la temperatura t 0 fonta este în stare lichidă şi se menţine în această stare până la temperatura t 1;

* în intervalul de temperaturi (t 1;t 2), în fonta lichidă apar cristale poligonale de austenită; datorită formării cristalelor de austenită se degajă căldur ă(curba de r ăcire a fontei este concavă), iar concentraţia de carbon a fazei L creştedupă linia t 1C;

* datorită transformării anterioare, la atingerea temperaturii t 2  = 1148oC(corespunzătoare izotermei ECF) faza  L are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului C (4,30%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectice:

LC(4,30%C) ⇒ (γ E(2,11%C) + Fe3C);  Ledeburită

transformarea eutectică decurge la temperatur ă constantă (curba de r ăcire a fontei prezintă un palier la t 2 = 1148oC), în urma desf ăşur ării acestei transformări structurafontei fiind alcătuită din doi constituenţi: austenită (γ ) şi ledeburită ( Led );

* la r ăcirea fontei în intervalul de temperaturi (t 2;t 3), solubilitateacarbonului în austenită scade după linia ES şi carbonul în exces (ce nu mai poatefi dizolvat de austenită) se separ ă sub formă de cementită secundar ă, se degajă

Page 8: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 8/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

178

căldur ă (curba de r ăcire a fontei este concavă), iar concentraţia masică de carbon afazei γ scade după linia ES;

* datorită separ ării cementitei secundare, la atingerea temperaturii t 3 = 727oC(corespunzătoare izotermei PSK) austenita are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului S (0,77%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectoide:

γ S(0,77%C) ⇒  (αP(0,02%C) + Fe3C); 

Perlită

transformarea eutectoidă decurge la temperatur ă constantă (curba de r ăcire afontei prezintă un palier la t 3  = 727oC) şi afectează atât cristalele de austenită

formate prin cristalizarea fazei lichide, cât şi formaţiunile globulare de austenităale ledeburitei, în urma desf ăşur ării acestei transformări structura fontei fiindalcătuită din trei constituenţi: ledeburită transformată ( LedTr ), perlită ( P ) şicementită secundar ă (Fe3C'').

* la r ăcirea fontei în intervalul de temperaturi (t 3;t a), solubilitateacarbonului în ferită scade după linia  PQ şi carbonul în exces (ce nu mai poate fidizolvat de ferită) se separ ă sub formă de cementită; cementita separată din ferităeste denumită cementită ter ţiar ă; datorită formării cementitei ter ţiare se degajăcăldur ă şi curba de r ăcire a fontei este concavă; cementita ter ţiar ă se depune peformaţiunile de cementită preexistente în structura fontei şi nu apare ca o fazădistinctă (decelabilă microscopic) a acestei structuri.

Pe baza celor prezentate rezultă că, la temperatura ambiantă, structurafontei albe hipoeutectice este alcătuită din:

faze: ferită (αααα) şi cementită (Fe3C);constituenţi: ledeburită transformată ( LedTr ), perlită ( P ) şi cementită

secundară (Fe3C”).c) Aliajul III este un o ţ el carbon hipereutectoid  ale cărei transformări la

r ăcirea din stare lichidă se prezintă astfel:* la temperatura t 0 oţelul este în stare lichidă şi se menţine în această stare

 până la temperatura t 1;* în intervalul de temperaturi (t 1;t 2) se produce cristalizarea primar ă a oţelului,

faza lichidă transformându-se în cristale poligonale de austenită; datorită formării

cristalelor de austenită se degajă căldur ă (curba de r ăcire a oţelului este concavă);* în intervalul de temperaturi (t 2;t 3) are loc r ăcirea structurii monofazice

austenitice, f ăr ă a se produce modificări structurale (curba de r ăcire a oţeluluieste convexă).

* sub temperatura t 3 (corespunzătoare punctului de intersecţie dintreverticala aliajului şi linia ES a diagramei) concentraţia masică de carbon a oţeluluianalizat depăşeşte conţinutul procentual de carbon care poate fi dizolvat deaustenită şi, ca urmare, carbonul în exces (ce nu mai poate fi dizolvat de austenită)

Page 9: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 9/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

179

se separ ă sub formă de cementită secundar ă (dispusă ca o reţea la margineacristalelor de austenită); datorită formării cementitei secundare se degajă căldur ă(curba de r ăcire a oţelului este concavă), iar concentraţia de carbon a fazei γ scadedupă linia t 3S;

* datorită separ ării cementitei secundare, la atingerea temperaturii t 4 = 727oC(corespunzătoare izotermei PSK) austenita are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului S (0,77%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectoide:

γ S(0,77%C) ⇒  (αP(0,02%C) + Fe3C); 

Perlită

transformarea eutectoidă decurge la temperatur ă constantă (curba de r ăcire aoţelului prezintă un palier la t 4 = 727 0C), în urma desf ăşur ării acestei transformăristructura oţelului fiind alcătuită din doi constituenţi: perlită ( P ) şi cementităsecundar ă (Fe3C'');

* la r ăcirea oţelului în intervalul de temperaturi (t 4;t a), solubilitateacarbonului în ferită scade după linia PQ şi carbonul în exces (ce nu mai poate fidizolvat de ferită) se separ ă sub formă de cementită ter ţiar ă; datorită formăriicementitei ter ţiare se degajă căldur ă  şi curba de r ăcire a oţelului este concavă;cementita ter ţiar ă se depune pe formaţiunile de cementită preexistente în structuraoţelului şi nu apare ca o fază distinctă (decelabilă microscopic) a acestei structuri.

Pe baza celor prezentate rezultă că, la temperatura ambiantă, structura

oţelului carbon hipereutectoid este alcătuită din:faze: ferită (αααα) şi cementită (Fe3C);constituenţi: perlită ( P ) şi cementită secundară (Fe3C”).c)   Aliajul IV este un o ţ el carbon hipoeutectoid  ale cărei transformări la

r ăcirea din stare lichidă se prezintă astfel:* la temperatura t 0 oţelul este în stare lichidă şi se menţine în această stare

 până la temperatura t 1;* în intervalul de temperaturi (t 1;t 2) începe cristalizarea primar ă a oţelului,

faza lichidă transformându-se în cristale poligonale de ferită delta; formareacristalelor de ferită delta este însoţită de o degajare de căldur ă (curba de r ăcire a

oţelului este convexă) şi de variaţii (crescătoare) ale concentraţiilor de carbon alefazei lichide (după linia AB) şi feritei delta (după linia AH).* datorită transformării anterioare, la atingerea temperaturii t 2  = 1495oC

(corespunzătoare izotermei HJB) sunt îndeplinite condiţiile pentru desf ăşurareatransformării peritectice:

 L B(0,54%C) + δ H (0,10%C) ⇒  γ  J (0,16%C);

* între t 2 şi t 3 procesul de cristalizare primar ă a oţelului se definitivează,faza lichidă r ămasă la sfâr şitul transformării peritectice solidificându-se sub formă

Page 10: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 10/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

180

de cristale de austenită; procesul de solidificare este însoţit de o degajare decăldur ă (curba de r ăcire a oţelului este concavă);

* în intervalul de temperaturi (t 3;t 4) are loc r ăcirea structuriimonofazice austenitice, f ăr ă a se produce modificări structurale (curba der ăcire a oţelului este convexă);

* sub temperatura t 4 din austenită se formează cristale de ferită, acest proces fiind determinat de necesitatea desf ăşur ării transformării alotropice Feγ  ⇒Feα; se observă că t 4 < t G = 910oC, ceea ce conduce la concluzia că transformareaalotropică Feγ   ⇒ Feα este frânată de existenţa carbonului dizolvat interstiţial înaustenită; datorită formării feritei se produce o degajare de căldur ă (curba der ăcire a oţelului este concavă), iar concentraţia masică de carbon a austeniteivariază după curba t 4S;

* datorită formării feritei, la atingerea temperaturii t 5  = 727oC(corespunzătoare izotermei PSK) austenita are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului S (0,77%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectoide:

γ S(0,77%C) ⇒  (αP(0,02%C) + Fe3C); 

Perlită

transformarea eutectoidă decurge la temperatur ă constantă (curba de r ăcire aoţelului prezintă un palier la t 5 = 727oC), în urma desf ăşur ării acestei transformări

structura oţelului fiind alcătuită din doi constituenţi: perlită ( P ) şi ferită (α);* la r ăcirea oţelului în intervalul de temperaturi (t 5;t a), solubilitateacarbonului în ferită scade după linia PQ şi carbonul în exces (ce nu mai poatefi dizolvat de ferită) se separ ă sub formă de cementită ter ţiar ă (Fe3C''');datorită formării cementitei ter ţiare se degajă căldur ă  şi curba de r ăcire aoţelului este concavă.

Pe baza celor prezentate rezultă că, la temperatura ambiantă, structura

oţelului carbon hipoeutectoid este alcătuită din:faze: ferită (αααα) şi cementită (Fe3C);constituenţi: perlită ( P ), ferită (αααα) şi cementită terţiară (Fe3C''').Pe baza analizelor de tipul celor efectuate mai înainte se pot stabili

structurile (faze şi constituenţi), la orice temperatur ă, pentru orice aliaj dinsistemul Fe - Fe3C. Principalele date privind structurile la temperaturaambiantă ale aliajelor sistemului Fe - Fe3C (fonte albe şi oţeluri carbon) sunt

 prezentate în tabelul 4.2.Aplicând principiile şi metodele prezentate anterior (v. scap. 2.5) se pot

construi diagramele structurale (de faze şi de constituenţi), la orice temperatur ă,  pentru sistemul de aliaje analizat; de exemplu, diagramele structuralecorespunzătoare temperaturii ambiante sunt prezentate în figura 4.2. Cu ajutorul

Page 11: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 11/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

181

acestor diagrame se pot determina conţinuturile procentuale de faze şi constituenţiîn structurile de echilibru ale fontelor albe şi oţelurilor carbon, la oricetemperatur ă. De asemenea, diagramele structurale pot fi utilizate pentru a estima

concentra ţ ia masică a carbonului (%C) pentru orice font ă albă sau o ţ el carbon lacare, prin examinarea unor probe (e şantioane) la microscopul metalografic, s-au

  stabilit con ţ inuturile procentuale ale diver  şilor constituen ţ i care alcă tuiesc

microstructura; astfel:* dacă microstructura vizionată la microscop corespunde unui oţel carbon

hipoeutectoid (v. tabelul 4.2), iar conţinutul procentual de perlită în aceastămicrostructur ă are valoarea % P , concentraţia masică de carbon a oţelului carbonhipoeutectoid se poate estima cu relaţia:

100750020

 P % , ,C % m += ; (4.4)

Fig. 4.2. Diagramele structurale la temperatura t a ale aliajelor din sistemul metastabil Fe-Fe3C

* dacă microstructura vizionată la microscop este alcătuită numai din perlită (100 % P ), proba examinată este din oţel carbon eutectoid, cu concentraţia

de carbon %C m = 0,77 %;* dacă microstructura vizionată la microscop corespunde unui oţel carbon

hipereutectoid (v. tabelul 4.2), iar conţinutul procentual de cementită secundar ă înaceastă microstructur ă are valoarea %Fe3C'' , concentraţia masică de carbon aoţelului carbon hipereutectoid se poate determina cu relaţia:

 100

95770 3'' 

m

C  Fe% , ,C % += ; (4.5)

Page 12: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 12/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

182

Tabelul 4.2. Structurile la temperatur ă ambiantă ale oţelurilor carbon şi fontelor albe

Denumireaaliajului

Faze ConstituenţiMicrostructura

aliajului

OŢEL CARBONHIPOEUTECTOID

%C m ∈ (0,02 %;0,77 %)

FERITĂ,CEMENTITĂ

PERLITĂ,FERITĂ,

CEMENTITĂTER ŢIAR Ă

OŢEL CARBONEUTECTOID%C m = 0,77 %

FERITĂ,CEMENTITĂ

PERLITĂ

OŢEL CARBONHIPEREUTECTOID

%C m ∈ (0,77 %;2,11 %]

FERITĂ,CEMENTITĂ

PERLITĂ,CEMENTITĂSECUNDAR Ă

FONTĂALBĂHIPOEUTECTICĂ

%C m ∈ (2,11 %;4,3 %)

FERITĂ,CEMENTITĂ

LEDEBURITĂTRANSFORMATĂ,

PERLITĂ,CEMENTITĂSECUNDAR Ă

FONTĂALBĂEUTECTICĂ%C m = 4,3 %

FERITĂ,CEMENTITĂ

LEDEBURITĂTRANSFORMATĂ

FONTĂALBĂHIPEREUTECTICĂ

%C m ∈ (4,3 %;6,67 %)

FERITĂ,CEMENTITĂ

LEDEBURITĂTRANSFORMATĂ,

CEMENTITĂPRIMAR Ă

Page 13: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 13/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

183

* dacă microstructura vizionată la microscop corespunde unei fonte albehipoeutectice (v. tabelul 4.2), iar conţinutul procentual de ledeburită transformatăîn această microstructur ă are valoarea % LedTr , concentraţia masică de carbon afontei albe hipoeutectice se poate determina cu relaţia:

100192112

 LedTr % , ,C % m += ; (4.6)

* dacă microstructura vizionată la microscop este alcătuită numai dinledeburită transformată (100%  LedTr ), proba examinată este din fontă albăeutectică, cu concentraţia masică de carbon de 4,3%;

* dacă microstructura vizionată la microscop corespunde unei fonte albe

hipereutectice (v. tabelul 4.2), iar conţinutul procentual de cementită primar ă înaceastă microstructur ă are valoarea %Fe3C' , concentraţia masică de carbon afontei albe hipereutectice se poate determina cu relaţia:

10037234 3 ' C  Fe%

 , ,C % m += . (4.7)

Aplicând principiile şi metodele prezentate anterior (v. scap. 2.5) se potconstrui şi diagramele de variaţie a conţinuturilor procentuale de faze şi/sauconstituenţi în funcţie de temperatur ă pentru orice oţel carbon sau fontă albă.

4.3. Oţelurile carbon folosite în tehnică

4.3.1. Proprietăţile structurilor de echilibruale oţelurilor carbon

Conform prezentării anterioare, oţelurile carbon sunt aliaje fier - carbonavând concentraţia masică de carbon situată în intervalul (0,02%;2,11%].

Analiza transformărilor la r ăcirea din stare lichidă a oţelurilor carbon aevidenţiat că constituentul tipic al structurii de echilibru a acestora esteeutectoidul perlită, care alcătuieşte singur structura (la oţelul eutectoid) sauîmpreună cu constituenţii monofazici separaţi preeutectoid: ferita (la oţelurile

hipoeutectoide) sau cementita secundar ă (la oţelurile hiperuetectoide).Pentru aprecierea proprietăţilor mecanice ale oţelurilor carbon, în tabelul4.3 sunt prezentate valorile rezistenţei la tracţiune  Rm, durităţii  HB sau  HV   şialungirii procentuale după rupere  A, pentru constituenţii care pot intra înalcătuirea structurilor de echilibru ale oţelurilor carbon: ferită, cementită şi perlită.

Se obervă că ferita fiind o soluţie solidă interstiţială de carbon în Feα, are proprietăţi de plasticitate foarte bune, dar prezintă duritate şi rezistenţă mecanicăreduse, cementita are duritate mare, dar prezintă proprietăţi de plasticitate şi de

Page 14: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 14/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

184

rezistenţă la tracţiune foarte scăzute, în timp ce perlita care este un amestecmecanic de ferită (88,7%) şi cementită (11,3%) are rezistenţă mecanicăridicată (datorită efectului de întărire/ranforsare pe care îl au lamelele dure decementită asupra masei de bază feritice a acestui constituent) şi plasticitaterelativ redusă.

Tabel 4.3. Caracteristici mecanice ale constituenţilor structurali de echilibru ai oţelurilor 

Caracteristici mecanice

Constituent Rezistenţa la tracţiune Rm, N/mm2 Duritatea

Alungirea procentuală după

rupere A, %

Ferită 280 80 HBS 50Cementită - 800 HV -Perlită 800 200 HBS 10

Deoarece tipul şi conţinuturile procentuale al constituenţilor structuralidepind de concentraţia masică de carbon, şi proprietăţile oţelurilor carbon suntdependente de aceasta, aşa cum se observă în diagrama din figura 4.3, careconţine curbele de variaţie a valorilor caracteristicilor  Rm , A şi HB în funcţie deconcentraţia masică de carbon a oţelurilor. Configuraţia acestor curbesugerează următoarele:

*oţelurile carbon hipoeu-

tectoide cu conţinut scăzut decarbon au caracteristici de  plasticitate foarte bune, dar rezistenţă mecanică  şi duritatescăzute, în timp ce la oţelurilecarbon hipoeutectoide cuconcentraţie masică de carbonridicată, rezistenţa la tracţiune şiduritatea cresc, dar scadealungirea procentuală după rupere(caracteristica de plasticitate),

datorită creşterii conţinutului  procentual de perlită  şi reduceriiconţinutului procentual de feritădin structura lor;

* oţelurile eutectoide aurezistenţa la tracţiune maximădatorită structurii complet

 perlitice;

Fig. 4.3. Variaţia principalelor caracteristici mecaniceale oţelurilor carbon în funcţie de

concentraţia masică de carbon

Page 15: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 15/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

185

* oţelurile hipereutecoide se caracterizează prin variaţia monotoncrescătoare a durităţii odată cu concentraţia masică de carbon, datorită măririiconţinutului procentual de cementită (constituent dur) şi prin micşorareacontinuă a rezistenţei la tracţiune şi a alungirii procentuale după rupere odatăcu creşterea concentraţiei masice de carbon, datorită accentuării efectelor existenţei în structura de echilibru a acestor oţeluri a reţelei de cementită.

4.3.2. Impurităţile şi elementele însoţitoareale oţelurilor carbon

O ţ elurile carbon folosite în tehnică se ob ţ in prin procedee tehnologice de  producere indirect ă  , la aplicarea cărora materia primă  de baz ă  o constituie

 fontele, iar  procesul principal ce se realizeaz ă const ă din reducerea concentra ţ ieide carbon a materiei prime la nivelul corespunz ă tor o ţ elurilor care trebuie

ob ţ inute. Procedeele de producere indirectă a oţelurilor carbon sunt de tip  pirometalurgic, procesele fizico-chimice care se realizează la aplicarea lor desf ăşurându-se la temperaturi ridicate, cu materiile prime aflate în stare topită;

 pentru îndepărtarea componentelor nedorite ale materiei prime şi asigurarea unei purităţi convenabile a oţelului elaborat se folosesc materiale ajutătoare, numitefondanţi, care se combină chimic cu aceste componente şi determină formareaunor produse metalurgice secundare, numite zgure, care, având densitatea mai

mică decât cea corespunzătoare oţelului, se separ ă la suprafaţa băii de oţel topit şi pot fi îndepărtate cu uşurinţă. La elaborarea o ţ elurilor prin astfel de procedee se parcurg două etape importante:

* în prima etapă, numită  etapa de afinare, încărcătura agregatului deelaborare, alcătuită din fontă (împreună, eventual, cu deşeuri de fontă  şi oţel,denumite generic “fier vechi”) şi fondanţi, este adusă în stare topită şi este supusăunui proces de oxidare (de obicei, prin insuflarea de oxigen în încărcătura topită);deoarece încărcătura agregatului de elaborare conţine în cea mai mare parte fier,

 procesul de oxidare debutează prin formarea unor cantităţi importante de FeO, prin intermediul căruia se realizează apoi decarburarea materiei prime (oxidareacarbonului din materia primă) şi transformarea ei în oţel, conform reacţiei:

C + FeO ⇒ Fe + CO↑;* în cea de-a doua etapa, numită  etapa de dezoxidare, se realizează

îndepărtarea (reducerea) FeO din oţelul lichid elaborat, prin introducerea unor elemente cu afinitate chimică faţă de oxigen mai mare decât a fierului; proceselede dezoxidare se declanşează  şi se realizează pentru oprirea reacţiilor dedecarburare în momentul când oţelul elaborat a atins concentraţia de carbon dorităşi pentru asigurarea unor bune caracteristici de utilizare ale oţelului elaborat.

Page 16: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 16/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

186

Datorită proceselor fizico-chimice care se desf ăşoar ă la elaborarea lor prin  procedeele industriale actuale, o ţ elurile carbon folosite în tehnică  con ţ in (pelângă fier  şi carbon)  şi concentra ţ ii mici de alte elemente chimice, introduseintenţionat sau întâmplător în timpul proceselor de elaborare (cu materiile prime şimaterialele utilizate, din atmosfera sau din materialele de că ptuşire ale agregatelor de elaborare etc.) şi care nu sunt (sau nu pot fi în condiţii economice) completîndepărtate în timpul desf ăşur ării acestor procese. În funcţie de natura influenţelor 

  pe care le au asupra structurii şi proprietăţilor tehnologice şi de utilizare aleoţelurilor carbon, aceste elemente chimice  sunt   denumite  impurităţi (cele cuinfluenţe negative) sau elemente însoţitoare (cele cu influenţe pozitive).

 Sulful este un element care apare în compoziţia chimică a oţelurilor carbondatorită prezenţei sale în materiile prime de bază (fontele) folosite la elaborare.

Sulful se poate dizolva în concentraţii masice mici (sub 0,1%) în fierulsolid şi poate forma cu fierul compusul definit FeS (sulfura de fier, caracterizată

  printr-o concentraţie masică de 36,4% S); datorită acestor particularităţi, cristaleledendritice de austenită care se formează la începutul procesului de solidificare aoţelurilor, dizolvă cantităţi reduse de sulf, iar oţelul lichid r ămas în spaţiileinterdendritice îşi măreşte concentraţia de sulf  şi, la temperatura de 985oC, sufer ătransformarea eutectică : L30%S ⇒  γ  + FeS , sulfura de fier dispunându-se subformă de reţea discontinuă la marginea cristalelor dendritice de austenită. Reţeuade FeS prezintă caracteristici scăzute de plasticitate şi tenacitate şi trece în stare

lichidă când temperatura oţelului depăşeşte 985

o

C şi, ca urmare, la oţelurile careconţin sulf şi sunt supuse deformării plastice la cald la temperaturi mai mari de800oC se manifestă un fenomen de decoeziune a cristalelor de austenită prinfisurarea sau topirea reţelei intercristaline de FeS, fenomen numit fragilitate la

cald; datorită acestei influenţe nefavorabile (negative)  , sulful este considerat o

impuritate a o ţ elurilor carbon, concentraţia masică a acestui element în oţelurilecarbon folosite în tehnică fiind limitată la max. 0,06%.

Fosforul, ca şi sulful, este un element care apare în compoziţia chimică aoţelurilor carbon datorită prezenţei sale în materiile prime de bază (fontele)folosite la elaborare.

Fosforul se dizolvă interstiţial în fierul solid în concentraţii masice relativ

mari; solubilitatea fosforului în Feα  este mai mare decât în Feγ  , iar prezenţafosforului în ferită sau austenită determină micşorarea solubilităţii carbonului înaceste soluţii solide.

Deoarece fosforul este mult mai solubil în fierul lichid decât în fierulsolid, la cristalizarea primar ă a oţelurilor carbon apare fenomenul de segregare a

fosforului: fosforul se distribuie neuniform în cristalele de austenită ce seformează prin solidificarea oţelului lichid, zonele centrale ale cristalelor deaustenită (care se formează la începutul solidificării) fiind sărace în fosfor, iar 

Page 17: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 17/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

187

zonele marginale ale acestor cristale (care se formează spre sfâr şitul solidificării, prin cristalizarea lichidului interdendritic îmbogăţit în fosfor) concentrând practicîntreaga cantitate de fosfor a oţelului. Segregaţiile fosforului (separ ările

 preferenţiale ale fosforului) sunt dificil de eliminat, deoarece fosforul are razaatomică mare şi difuzia acestui element în fier (pentru uniformizarea concentraţieisale în masa cristalelor care alcătuiesc structura oţelurilor) se activează greu şi sedef ăşoar ă cu intensitate scăzută, chiar dacă oţelurile sunt încălzite şi menţinute latemperaturi ridicate pentru efectuarea diverselor prelucr ări tehnologice (deformare

 plastică, tratamente temice etc.).Prezenţa segregaţiilor fosforului are două efecte negative (nefavorabile)

asupra caracteristicilor de utilizare ale oţelurilor:* micşorează tenacitatea (ridică temperatura de tranziţie ductil-fragil t tr ) şi

face ca oţelurile să prezinte (la temperatura ambiantă  şi la temperaturi joase)tendinţa spre comportarea fragilă la rupere, fenomen denumit fragilitate la rece;

* determină formarea la oţelurile hipoeutectoide deformate plastic la cald aunor structuri alcătuite din şiruri (benzi) alternante de ferită şi perlită, orientate îndirecţia de deformare plastică, care confer ă acestor oţeluri o anizotropieaccentuată a caracteristicilor de rezistenţă mecanică  şi tenacitate; formareastructurilor în benzi se poate explica astfel:

- oţelurile hipoeutectoide se încălzesc pentru deformarea plastică la cald îndomeniul austenitic, cristalele de austenită care alcătuiesc structura acestor oţeluri

având marginile mai bogate în fosfor  şi mai sărace în carbon decât zonele lor centrale (fosforul dizolvat interstiţial în Feγ micşorează solubilitatea carbonului înaustenită);

- deformarea plastică a cristalelor de austenită determină redistribuireazonelor bogate în fosfor sub formă de şiruri paralele cu direcţia în care serealizează deformarea;

- la r ăcirea oţelurilor după deformarea plastică, zonele bogate în fosfor alecristalelor de austenită, având concentraţii de carbon scăzute, constituie locurilede germinare preferenţială a cristalelor de ferită preeutectoidă, iar austenita săracăîn fosfor dispusă între şirurile de ferită se transformă în perlită.

Datorită influenţelor nefavorabile (negative) anterior prezentate,  fosforul 

este considerat o impuritate a o ţ elurilor carbon, concentraţia masică a acestuielement în oţelurile carbon folosite în tehnică fiind limitată la max. 0,06%.Azotul este un element care apare în compoziţia chimică a oţelurilor 

carbon, datorită contactului oţelurilor lichide cu atmosfera agregatelor în care suntelaborate. Azotul se dizolvă interstiţial în fierul solid în concentraţii masice relativmari, solubilitatea azotului în Feγ   fiind mult mai mare decât în Feα; datorităacestor particularităţi, la r ăcirea lentă a oţelurilor sub temperatura de 600oC existătendinţa separ ării azotului în exces (ce nu mai poate fi dizolvat de ferită) sub

Page 18: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 18/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

188

forma nitrurii de fier Fe4 N.Oţelurile carbon elaborate prin procedeele tehnologice industriale obişnuite

sunt r ăcite relativ rapid după solidificare, astfel că procesele de difuzie a azotuluisunt blocate şi structura la temperatur ă ambiantă a acestor oţeluri conţine cristale deferită suprasaturată în azot ; dacă oţelurile cu o astfel de structur ă sunt încălzite (întimpul prelucr ării tehnologice sau utilizării) la temperaturi mai mari ca 250oC,difuzia azotului este activată şi suprasaturarea în azot a feritei este diminuată saueliminată prin separarea Fe4 N. Apariţia în structur ă a fazei Fe4 N (compus geometricde tip interstiţial, v. scap. 2.2.2) determină creşterea durităţii şi micşorareatenacităţii oţelurilor, fenomen denumit  îmbătrânire sau fragilitate de albastru

(deoarece în jurul temperaturii de 250oC, la care se declanşează procesele deformare a fazei ce determină fragilizarea, oţelurile capătă culoarea albastr ă);

 procesele de separare a fazei Fe4 N sunt accelerate dacă oţelurile carbon sunt supuseunor operaţii de deformare plastică la rece.

Datorită influenţei nefavorabile (negative) anterior prezentate, azotul este

considerat o impuritate a o ţ elurilor carbon, concentraţia masică a acestui elementîn oţelurile carbon folosite în tehnică fiind limitată (în funcţie de procedeul deelaborare folosit şi de destinaţia oţelurilor) la 0,005...0,015 %.

Oxigenul este un element care apare în compoziţia chimică a oţelurilor carbon datorită umidităţii materiilor prime şi materialelor folosite la elaborare,contactului oţelurilor lichide cu atmosfera agregatelor în care sunt elaborate sau

 particularităţilor tehnologice ale procedeelor de elaborare utilizate (insuflarea deoxigen în etapa de afinare).Oxigenul se află în structura oţelurilor carbon sub formă de oxizi (în

 principal, FeO), prezenţa în cantitate mare (datorită nedezoxidării corespunzătoarea oţelurilor la elaborare sau datorită încălzirii şi menţinerii oţelurilor în atmosfereoxidante în cursul prelucr ării tehnologice sau utilizării lor în diverse aplicaţii) şidispunerea nefavorabilă a oxizilor (de exemplu, sub forma unei reţeleintercristaline) determinând micşorarea tenacităţii oţelurilor  şi comportarea lor necorespunzătoare (fisurarea) la deformarea plastică.

Datorită influenţelor nefavorabile (negative), oxigenul este considerat o

impuritate a o ţ elurilor carbon, concentraţia masică a acestui element în oţelurile

carbon folosite în tehnică fiind limitată la max. 0,05%.Hidrogenul este un element care apare în compoziţia chimică a oţelurilor carbon datorită umidităţii materiilor prime şi materialelor folosite la elaborare.

Datorită razei atomice foarte mici, hidrogenul se dizolvă interstiţial şidifuzează uşor în fier. În cursul r ăcirii oţelurilor după solidificare, atomii dehidrogen dizolvaţi în fier difuzează (datorită scăderii accentuate a solubilităţiihidrogenului în fier odată cu temperatura), se acumulează în zonele cuimperfecţiuni ale structurii cristaline (concentr ări de dislocaţii, limite de

Page 19: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 19/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

189

subcristale, limite de cristale etc.) şi se transformă în hidrogen molecular (care arecapacitate scăzută de deplasare prin difuzie); datorită creşterii presiunii, în zonelecu acumulări de hidrogen din structura oţelurilor se produc microfisuri, numitefulgi, care se evidenţiază pe suprafeţele de rupere ale oţelurilor ca nişte microzonecirculare sau eliptice, mate, de culoare deschisă  şi care, generând un efectînsemnat de concentrare a tensiunilor mecanice, determină scăderea rezistenţeimecanice şi tenacităţii oţelurilor.

Datorită acestor influenţe nefavorabile (negative), hidrogenul este

considerat o impuritate a o ţ elurilor carbon.Siliciul este un element care apare în compoziţia chimică a oţelurilor 

carbon datorită prezenţei sale în materiile prime de bază (fontele) folosite laelaborare şi datorită introducerii sale intenţionate (sub formă de aliaj Fe-Si, numitferosiliciu) în etapa de dezoxidare a elabor ării.

Introducerea siliciului în oţelurile lichide aflate în curs de elaboraredetermină declanşarea reacţiei de dezoxidare: FeO + Si ⇒  Fe  + SiO2, omare parte din SiO2 format trecând în zgur ă, iar restul r ămânând în oţeluri subformă de incluziuni.

Datorită acestei influenţe favorabile (pozitive) ,  siliciul este considerat un

element înso ţ itor al o ţ elurilor carbon, concentraţia masică a acestui element înoţelurile carbon folosite în tehnică fiind de 0,2...0,5%.

Manganul, ca şi siliciul, este un element care apare în compoziţia

chimică a oţelurilor carbon datorită prezenţei sale în materiile prime de bază(fontele) folosite la elaborare şi datorită introducerii sale intenţionate (sub formăde aliaj Fe-Mn, numit feromangan) în etapa de dezoxidare a elabor ării.

Introducerea manganului în oţelurile lichide aflate în curs de elaboraredetermină declanşarea reacţiei de dezoxidare: FeO + Mn ⇒  Fe  + MnO, omare parte din MnO format trecând în zgur ă, iar restul r ămânând în oţeluri subformă de incluziuni.

Deoarece afinitatea chimică faţă de sulf a manganului este mai maredecât a fierului, introducerea manganului în oţelurile lichide aflate în curs deelaborare determină şi desf ăşurarea reacţiei de desulfurare: FeS + Mn ⇒  Fe +MnS, o parte din MnS formată trecând în zgur ă, iar restul r ămânând în oţeluri;

în aceste condiţii, în structura primar ă a oţelurilor elaborate nu mai apareeutecticul uşor fuzibil (γ   + FeS), ci eutecticul (γ   + MnS), cu temperatura detrecere în stare lichidă de aproximativ 1600oC şi fenomenul (negativ) defragilitate la cald nu se mai poate produce.

Datorită influenţelor favorabile (pozitive) anterior menţionate,manganul este considerat un element înso ţ itor al o ţ elurilor carbon,concentraţia masică a acestui element în oţelurile carbon folosite în tehnicăfiind de 0,5...0,8%.

Page 20: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 20/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

190

4.3.3. Aprecierea purităţii oţelurilor 

Concentraţiile masice ale impurităţilor şi elementelor însoţitoare conţinute deoţelurile carbon se pot determina prin metode fizico-chimice speciale. Ţinând seamacă solubilitatea acestor componente în fier este mică  şi că cea mai mare parte dincantitatea de astfel de componente prezentă în oţeluri este legată sub formă decompuşi chimici (oxizi: FeO, MnO, SiO2 etc., silicaţi: (FeO)⋅SiO2, (FeO)2⋅SiO2,(MnO)⋅SiO2 etc., sulfuri: FeS, MnS etc., nitruri), denumiţi (datorită caracterului lor chimic şi modului de distribuire în structura oţelurilor) incluziuni nemetalice, pentru

aprecierea purităţii oţelurilor se foloseşte în mod curet metoda metalografică microscopică de determinare a con ţ inutului de incluziuni nemetalice, reglementată lanoi în ţar ă prin STAS 5949. La aplicarea acestei metode se parcurg următoarele etape:

* din produsul sau semifabricatul din o ţ el supus cercet ă rii se preleveaz ă mai

multe (cel pu ţ in trei) probe (e şantioane) metalografice, care se preg ă tesc, prin

 şlefuire şi lustruire (f ă r ă a fi atacate cu reactivi metalografici), pentru examinarea lamicroscopul metalografic; dacă produsul sau semifabricatul din care se extrag

  probele metalografice a fost prelucrat prin deformare plastică, suprafeţele plane pregătite prin şlefuire şi lustruire trebuie să conţină direcţia de deformare, astfel încâtla examinarea microscopică să se poată evidenţia comportarea la deformare aincluziunilor existente (incluziuni plastice, incluziuni fragile, incluziuni nedeformate);

* fiecare e şantion metalografic este examinat la microscopul metalograficla mă rirea de 100 X, că utându-se cele mai impure trei câmpuri (câmpurile pe carese evidenţiază cele mai mari conţinuturi de impurităţi); aprecierea conţinutului deincluziuni al fiecăruia din aceste câmpuri se face considerând pe rând diversetipuri de incluziuni, definite ţinând seama de natura chimică, de forma

 particulelor, de modul de dispunere în structur ă şi de caracteristicile de plasticitateale incluziunilor (de exemplu, oxizi punctiformi, silicaţi fragili, silicaţi plastici,silicaţi nedeformabili etc.) şi comparând imaginea microscopică cu un grup deimagini etalon, în care fiecare imagine este însoţită de un număr convenţional(cuprins între 1 şi 5), numit punctaj; conţinutul corespunzător fiecărui tip de

incluziuni se exprimă prin punctajul corespunzător imaginii etalon care prezintă ocantitate de incluziuni echivalentă celei constatate în câmpul examinatmicroscopic;

* după examinarea tuturor probelor  şi stabilirea punctajelor pe tipuri deincluziuni se stabilesc diverse caracteristici de apreciere globală a conţinutului deincluziuni nemetalice (şi, indirect, a purităţii) oţelului cercetat:   punctajul maxim

 pe tipuri de incluziuni, punctajul mediu pe tipuri de incluziuni, suma punctajelor 

 pe acela şi câmp etc.

Page 21: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 21/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

191

4.4. Diagrama de echilibru stabil Fe - C.

Fontele cenuşii

Diagrama de echilibru stabil Fe-C (construită experimental) areconfiguraţia asemănătoare diagramei de echilibru metastabil Fe − Fe3C, dar unele linii şi puncte caracteristice au poziţiile uşor modificate. Ţinând seama deaceastă particularitate, aşa cum se poate vedea în figura 4.4, diagramele deechilibru Fe - C şi Fe - Fe3C se reprezintă împreună, liniile cu poziţii modificateale diagramei Fe - C fiind desenate punctat, iar literele care marchează punctele

caracteristice cu poziţii modificate ale diagramei Fe - C (aceleaşi ca şi îndiagrama Fe - Fe3C) sunt însoţite de semnul ‘ (prim). Abscisele (concentraţiilemasice de carbon) şi ordonatele (temperaturile) punctelor caracteristice alediagramei de echilibru stabil Fe - C sunt precizate în tabelul 4.4.

Fazele care apar în diagrama de echilibru stabil Fe - C au semnificaţiacunoscută: L este solu ţ ia lichid ă a componentelor Fe  şi C; γ - austenita (solu ţ ia

 solid ă  intersti ţ ial ă  de carbon în Feγ  , γ   ≡ Feγ (C));  α   , - ferita (solu ţ ia solid ă 

intersti ţ ial ă  de carbon în modifica ţ ia Feα  stabil ă  la temperturi joase,

α  ≡ Feα (C)); C - grafitul (carbonul liber).În cazul aliajelor din sistemul fier-carbon,   formarea structurilor în

conformitate cu diagrama de echilibru stabil Fe - C este posibl ă  dacă  sunt îndeplinite simultan urmă toarele condi ţ ii:

* aliajele au concentra ţ ia masică de carbon suficient de ridicat ă pentru ase asigura apariţia grafitului (carbonului liber) în structurile care se formează lar ăcirea lor din stare lichidă; ca urmare, în general, formarea unor structuri avândgrafitul ca fază este posibilă numai în cazul fontelor;

* aliajele sunt r ă cite foarte lent (cu vitez ă  foarte mică   ) din stare lichid ă  ,  pentru asigurarea desf ăşur ării transformărilor structurale în condiţiilecorespunzătoare atingerii stărilor de echilibru stabil; deoarece viteza de r ăcire aaliajelor turnate în forme este invers propor ţională cu grosimea pereţilor 

  produselor sau semifabricatelor care trebuie realizate, rezultă că structurile

având grafitul ca fază pot să se formeze numai în piesele cu pereţi groşi turnatedin aliaje fier-carbon;

* aliajele au în compozi ţ ia chimică (pe lâng ă  fier  şi carbon) concentra ţ iimasice suficient de mari de siliciu (şi alte elemente cu efect grafitizant, cum ar fifosforul, aluminiul, nichelul şi cuprul); prezenţa siliciului în aliajele fier-carbontopite asigur ă (în timpul solidificării şi r ăcirii lor) formarea cu prioritate a unor compuşi de tipul Fe3Si, FeSi sau FeSi2, care fixează fierul, împiedică formareacementitei (Fe3C) sau produce descompunerea acesteia (prin reacţii de tipul

Page 22: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 22/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

192

Fe3C + Si ⇒ Fe3Si + C) şi asigur ă carbonul liber necesar constituiriigermenilor de grafit.

Ţinând seama de condiţiile anterior prezentate, rezultă că formareaintegrală a structurilor în conformitate cu diagrama de echilibru stabil Fe-C este

 posibilă numai în cazul fontelor care au în compoziţie concentraţii suficient demari de Si şi care sunt r ăcite foarte lent din stare lichidă; pe măsur ă ceconcentraţiile de Si ale fontelor scad şi/sau vitezele cu care sunt r ăcite din starelichidă cresc, transformările structurale se produc par ţial (sau nu se producdeloc) în conformitate cu diagrama de echilibru stabil Fe-C şi par ţial (sau integral)în conformitate cu diagrama de echilibru metastabil Fe − Fe3C.

Fig. 4.4. Diagrama de echilibru stabil Fe-C

  Tabelul 4.4. Coordonatele punctelor din diagrama stabilă Fe − CPunctul A C‘ D‘ E‘ F‘ G K‘ P‘ Q S‘Abscisa,

%C m0 4,26 100 2,08 100 0 100 0,02 0,00.. 0,68

Ordonata,oC

1538 1154 3540 1154 1154 910 738 738 t a 738

Page 23: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 23/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

193

A. Pentru a evidenţia modul de formare a structurilor în conformitate cudiagrama de echilibru stabil Fe-C, se consider ă cazul unei fonte hipoeutectice careare în compoziţie o concentraţie suficient de mare de siliciu şi este r ăcită foartelent din stare lichidă. Transformările structurale ale acestei fonte ( marcată pediagrama de echilibru din fig.4.4 prin verticala I) sunt prezentate în continuare:

* la temperatura t 0 fonta se află în stare lichidă  şi se menţine în aceastăstare până la temperatura t 1;

* în intervalul de temperaturi (t 1;t 2), în fonta lichidă apar cristale poliedricede austenită, iar concentraţia de carbon a fazei L creşte după linia t 1C‘;

* datorită transformării anterioare, la atingerea temperaturii t 2  = 1153oC(corespunzătoare izotermei E‘C‘F‘), faza  L are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului C‘ (4,26%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectice:

 L ⇒ Feγ (C) + C sau  L ⇒ γ  + Grafit.Transformarea eutectică se poate desf ăşura nu numai prin mecanismul

direct prezentat mai înainte, care presupune formarea simultană din L a cristalelor de austenită şi grafit, ci şi printr-un mecanism indirect, care presupune relizareamai întâi a transformării eutectice în conformitate cu diagrama de echilibrumetastabil (formarea din faza  L a unui amestec de austenită  şi cementită) şidescompunerea ulterioar ă a cementitei în austenită şi grafit:

 L ⇒ Feγ (C) + Fe3C sau  L ⇒ γ  + Fe3C

  ⇓  ⇓Feγ (C) + C γ  + Grafit.Rezultatul desf ăşur ării transformării eutectice (prin oricare din cele două

mecanisme descrise mai înainte) este amestecul mecanic de austenit ă   şi grafit,

denumit  eutectic cu grafit; deoarece acest eutectic este de tip neregulat, fiindalcătuit dintr-o fază metalică (austenita) şi o fază nemetalică (grafitul) care nu-şiinfluenţează reciproc germinarea, aspectul metalografic al acestui eutectic esteatipic, cele două faze ale sale apărând ca două faze distincte (spre deosebire deaspectul metalografic tipic al amestecurilor mecanice, care se caracterizează prindistribuirea uniformă a cristalelor unei faze în masa alcătuită din cristaleleceleilalte faze sau prin distribuirea alternantă a formaţiunilor cristaline lamelare

ale celor două faze). Forma grafitului care rezultă prin transformarea eutectică este determinată

de următoarele particularităţi ale apariţiei acestei faze: a) fiecare germen de grafitcare apare în faza lichidă (în principal datorită efectelor anterior menţionate ale

 prezenţei siliciului în compoziţia fontei) are formă lamelar ă (deoarece grafitul arestructur ă cristalină de tip hexagonal şi dezvoltarea germenilor se realizează

 preferenţial pe direcţiile conţinute în planul bazal, cu indicii Miller-Bravais (0001))şi este înconjurat rapid (pe feţe) de câte doi germeni de austenită; b) creşterea

Page 24: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 24/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

194

fiecărui germen de grafit se face pe seama carbonului transferat prin difuzie din fazalichidă; germenul se dezvoltă preferenţial în circumferinţă (deoarece în zonacircumferinţei germenul este în contact direct cu faza lichidă din care sealimentează cu carbon) şi mai puţin în grosime (deoarece alimentarea cu carbon

 pentru creşterea grosimii germenului este dificilă, carbonul trebuind să traverseze prin difuzie germenii de austenită care îl învelesc). Datorit ă acestor particularit ăţ i,

 grafitul care rezult ă prin transformarea eutectică are formă lamelar ă .* La r ăcirea fontei în intervalul de temperaturi (t 2,t 3), solubilitatea

carbonului în austenită scade după linia E‘S‘ şi carbonul în exces (ce nu mai poatefi dizolvat de austenită) se separ ă sub formă de grafit; preluând convenţia denotare a cementitei la aliajele care îşi formează structurile după diagrama deechilibru metastabil Fe-Fe3C, grafitul separat din austenită este denumit grafitsecundar. Grafitul secundar se depune pe formaţiunile lamelare de grafit

  preexistente în structura fontei şi nu se poate evidenţia ca o fază distinctă(decelabilă microscopic) a acestei structuri.

* Datorită separ ării grafitului secundar, la atingerea temperaturii t 3 = 727oC(corespunzătoare izotermei P‘S‘K‘) austenita are concentraţia masică de carboncorespunzătoare abscisei punctului S‘ (0,68%) şi sunt îndeplinite condiţiiledesf ăşur ării transformării eutectoide:

Feγ (C) ⇒ Feα (C) + C sau γ  ⇒ α  + Grafit.Transformarea eutectoidă se poate desf ăşura nu numai prin mecanismul

direct prezentat mai înainte, care presupune formarea simultană din austenită acristalelor de ferită  şi grafit, ci şi printr-un mecanism indirect, care presupunerelizarea mai întâi a transformării eutectoide în conformitate cu diagrama deechilibru metastabil (formarea din austenită a unui amestec de ferită şi cementită)şi descompunerea ulterioar ă a cementitei în ferită şi grafit:

Feγ (C) ⇒ Feα (C) + Fe3C sau γ  ⇒ α  + Fe3C  ⇓  ⇓

Feα (C) + C α  + Grafit.Deoarece grafitul se depune în principal pe formaţiunile lamelare de grafit

deja existente în structura fontei, amestecul mecanic de ferit ă   şi grafit, numit eutectoid cu grafit , nu are aspectul metalografic tipic unui amestec eutectoid şi

se poate considera că structura fontei analizate va fi alcătuită după desf ăşurareatransformării eutectoide din doă faze distincte: ferită şi grafit lamelar.

* La r ăcirea fontei în intervalul (t 3;t a), solubilitatea carbonului în ferităscade după linia P‘Q şi carbonul în exces (ce nu mai poate fi dizolvat de ferită) sesepar ă sub formă de grafit ter ţiar, care se depune pe formaţiunile de grafit

  preexistente în structura fontei şi nu apare ca o fază distinctă (decelabilămicroscopic) a acestei structuri.

Pe baza celor prezentate rezultă că, la temperatura ambiantă, structura fontei

Page 25: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 25/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

195

analizate este alcătuită din :faze: ferită (αααα) şi grafit;

constituenţi: ferită (αααα) şi grafit lamelar.Fontele care conţin grafit în structur ă sunt denumite precizând: a) forma

grafitului şi/sau metoda de activare a grafitizării; b) constituenţii metalografici carealcătuiesc masa metalică de bază a fontei la t a. Fontele care conţin în structur ă grafitlamelar, obţinut (în principal) datorită efectului grafitizant al Si introdus în compoziţiaacestora la elaborare (în stare lichidă), sunt numite fonte cenuşii; ca urmare, încondiţiile de solidificare şi r ăcire anterior menţionate fonta analizată este o fontăcenuşie feritică (″cenuşie″, pentru că are în structur ă grafit lamelar  şi ″feritică″,

 pentru că structura masei metalice de bază a fontei este alcătuită din cristale de ferită).B. Dacă fonta analizată (aliajul marcat prin verticala I pe diagrama din fig.4.4

) are o concentraţie de Si mai mică şi/sau este r ăcită mai rapid din stare lichidă decâtîn cazul considerat anterior (cazul A), unele din transformările structurale nu se mai

  produc în conformitate cu diagrama de echilibru stabil Fe-C, ci după diagrama deechilibru metastabil Fe-Fe3C. Astfel, este posibil ca transformările structurale de latemperaturi ridicate (începutul cristalizării primare, transformarea eutectică  şisepararea grafitului secundar din austenită) să se desf ăşoare în conformitate cudiagrama de echilibru stabil Fe-C, iar transformarea eutectoidă (şi toate transformărileulterioare) să se producă în conformitate cu diagrama de echilibru metastabilFe − Fe3C:

Feγ (C) ⇒ [Feα (C) + Fe3C] sau γ  ⇒ (α  + Fe3C).  Perlită Perlită

In acest caz fonta analizată va prezenta la t a o structur ă alcătuită din:faze: ferită (αααα), cementită (Fe3C) şi grafit;

constituenţi: perlită ( P ) şi grafit lamelar;ca urmare, în condiţiile mai sus menţionate fonta analizată este o fontă cenuşieperlitică.

C. Dacă fonta analizată (aliajul marcat prin verticala I pe diagrama din fig.4.4)are o concentraţie de Si foarte mică  şi/sau este r ăcită rapid din stare lichidă, toatetransformările structurale se vor produce în conformitate cu diagrama de echilibrumetastabil Fe-Fe3C (aşa cum s-a prezentat în scap. 4.2 b) şi fonta va prezenta la t a o

structur ă de fontă albă hipoeutectică, alcătuită din:faze: ferită (αααα) şi cementită (Fe3C);constituenţi: ledeburită transformată ( LedTr ), perlită ( P ) şi cementită

secundară (Fe3C”).D. Evident, este posibil ca transformările structurale ale fontei analizate să se

realizeze în condiţii intermediare cazurilor anterior considerate:* în condiţii intermediare cazurilor A şi B fonta prezintă la t a o structur ă

alcătuită din:

Page 26: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 26/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

196

faze: ferită (αααα), cementită (Fe3C) şi grafit;constituenţi: ferită (αααα), perlită ( P ) şi grafit lamelar;

ca urmare, în aceste condiţii fonta analizată este o fontă cenuşie ferito-perlitică.* în condiţii intermediare cazurilor B şi C fonta prezintă la t a o structur ă

alcătuită din:faze: ferită (αααα), cementită (Fe3C)şi grafit;constituenţi: ledeburită transformată ( LedTr ), perlită ( P ), cementită

secundară (Fe3C”) şi grafit lamelar;deoarece această structur ă este o combinaţie între structurile fontei cenuşii

 perlitice şi fontei albe hipoeutectice, fonta analizată este denumită în acest cazfontă pestriţă.

Având în vedere particularităţile (anterior prezentate) ale formăriistructurilor în cazul fontelor cenuşii, la elaborarea, prelucrarea şi utilizarea acestor aliaje trebuie luate în consideraţie următoarele aspecte:

a) Structura pieselor turnate din font ă  cenu şie este determinat ă  de

concentra ţ ile carbonului  şi siliciului în compozi ţ ia fontei  şi de viteza de r ă cire a

  pieselor turnate, care are valori cu atât mai mari cu cât piesele au pereţii maisubţiri. Pentru a putea estima tipul structurii care se formează la solidificarea şir ăcirea pieselor turnate din fontă se foloseşte diagrama structurală a fontelor

 prezentată în figura 4.5; această diagramă conţine domeniile corespunzătoarediferitelor structuri ale pieselor turnate din fontă, în funcţie de grosimea pereţilor 

 pieselor turnate s (în mm), înscrisă în abscisa diagramei şi de suma concentraţiilor masice de carbon şi siliciu ale fontei din care se realizează piesele %(C+Si),înscrisă în ordonata diagramei.

 b) Caracteristicile de rezisten ţă  mecanică   , plasticitate  şi tenacitate ale fontelor cenu şii sunt influen ţ ate atât de tipul structurii masei metalice de baz ă  , cât 

 şi de prezen ţ a în structur ă a forma ţ iunilor de grafit lamelar.* Fontele cu masa metalică de bază perlitică au cea mai mare rezistenţă

mecanică (cele mai mari valori ale caracteristicilor  Rm şi  HB) şi plasticitatea ceamai scăzută (cele mai mici valori ale caracteristicilor  A şi Z ), în timp ce fontele cumasa metalică de bază feritică au caracteristicile de rezistenţă mecanică cele maiscăzute, dar prezintă plasticitatea cea mai mare; evident, fontele cu masa metalică

de bază ferito-perlitică au caracteristicile de rezistenţă mecanică  şi plasticitatesituate la niveluri intermediare celor corespunzătoare fontelor perlitice şi feritice;

* Caracteristicile de rezistenţă mecanică, plasticitate şi tenacitate alefontelor sunt influenţate esenţial de cantitatea, forma, dimensiunile şi distribuţiagrafitului în structura acestor aliaje; grafitul este o fază fragilă, cu rezistenţămecanică foarte scăzută, astfel că formaţiunile de grafit lamelar din structurafontelor cenuşii se comportă ca nişte discontinuităţi (goluri, fisuri) carediminuează secţiunea portantă (care preia solicitările mecanice) a pieselor din

Page 27: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 27/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

197

fontă  şi exercită un puternic efect de concentrator de tensiuni (care determinămicşorarea plasticităţii şi tenacităţii pieselor din fonte cenuşii şi sporirea tendinţeiacestora către comportarea fragilă la rupere).

Fig. 4.5 Diagrama structurală a fontelor 

Cre şterea plasticit ăţ ii  şi tenacit ăţ ii fontelor cu grafit în structur ă  ,concomitent cu sporirea caracteristicilor de rezisten ţă mecanică  , se poate realiza

  prin finisarea (mic şorarea dimensiunilor), distribuirea uniformă    şi rotunjirea

(sferoidizarea) forma ţ iunilor de grafit.

4.5. Fontele maleabile

Fontele maleabile sunt fonte care au în structur ă formaţiuni compacte şirotunjite de grafit, numite aglomerări sau cuiburi de grafit. Datorită formeirotunjite, efectul de concentrare a tensiunilor mecanice produs de acesteconcentr ări este redus şi fontele maleabile prezintă caracteristici de plasticitate şitenacitate superioare caracteristicilor corespunzătoare fontelor cenuşii (cu grafit

Page 28: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 28/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

198

lamelar) echivalente(cu acelaşi conţinut procentual de grafit în structur ă); atributul“maleabile” conferit acestor fonte din aceste motive, nu trebuie să conducă laideea că semifabricatele şi piesele din astfel de materiale pot fi prelucrate prindeformare plastică.

Piesele din fonte maleabile se obţin printr-un   proces tehnologic careimplică parcurgerea a două etape:

* în prima etapă,   piesele cu configura ţ ia  şi dimensiunile dorite serealizeaz ă prin turnare din font ă albă  (fontă cu conţinut scăzut de siliciu, la caretoate transformările structurale la r ăcirea din stare lichidă se realizează înconformitate cu diagrama de echilibru metastabil Fe-Fe3C); de obicei se utilizeazăfonte albe hipoeutectice şi, ca urmare, structura care se obţine după solidificarea şir ăcirea până la t a conţine fazele: ferită  şi cementită  şi constituenţii: ledeburitătransformată, perlită şi cementită secundar ă;

* în etapa a doua ,  piesele turnate cu structur ă  de font ă  albă  sunt supuseunor opera ţ ii tehnologice care constau din reîncă lzirea (recoacerea) pieselor la

temperaturi înalte, men ţ inerea îndelungat ă a pieselor la aceste temperaturi  şi/sau

r ă cirea foarte lent ă  a pieselor de la aceste temperaturi, în scopul descompuneriitotale sau par  ţ iale a cementitei  şi gener ă rii în structura piesei a cuiburilor de grafit 

(carbon liber); datorită naturii şi efectelor operaţiilor care se execută, această etapăeste denumită etapa tratamentului termic de recoacere de maleabilizare.

Structura masei metalice de bază a pieselor din fontă maleabilă  şi

conţinutul procentual al cuiburilor de grafit în această structur ă sunt determinateatât de regimul termic al tratamentului de maleabilizare efectuat (caracterizat prinvalorile temperaturilor de încălzire, duratele de menţinere la aceste temperaturi,mărimea vitezelor de r ăcire de la temperaturile de lucru etc.) cât şi de caracterulneutru sau oxidant al mediului în care se execută tratamentul. Principalelemodalităţi de efectuare a tratamentului de recoacere de maleabilizare sunt

 prezentate în continuare.

4.5.1. Maleabilizarea în mediu neutru

In acest caz agregatul în care se execută tratamentul de maleabilizare este

un cuptor (special) cu atmosfer ă controlată sau un cuptor obişnuit, în care pieseledin fontă albă ce urmează a fi tratate se introduc împachetate într-un mediu neutrualcătuit din nisip şi/sau praf de şamotă. În funcţie de scopul urmărit (structura carese doreşte a fi conferită pieselor tratate) există două variante de realizare amaleabilizării în mediu neutru.

A. In cazul în care se doreşte ca structura pieselor după maleabilizare săaibă masa metalică de bază complet feritică, tratamentul termic de maleabilizarese conduce astfel:

Page 29: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 29/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

199

* piesele turnate din fontă albă se încălzesc la t i1 = 930…1000oC şi semenţin la această temperatur ă o durată  τ m1 = 8…30 ore, funcţie de compoziţiachimică a fontei din care s-au turnat piesele (caracterizată prin concentraţiilemasice de carbon şi siliciu ale fontei) şi de grosimea pieselor turnate supusetratamentului; încălzirea la t i1 face ca structura pieselor turnate să conţină fazelecementită  şi austenită (v. diagrama de echilibru metastabil Fe-Fe3C), iar menţinerea îndelungată la t i1 determină realizarea unei prime etape de grafitizare afontei, prin descompunerea cementitei conform schemei:

Fe3C ⇒ Feγ (C) + C;cementită austenită grafit

* piesele turnate se r ăcesc lent (cu viteza de 40…50oC/or ă) până la 750oCşi apoi foarte lent (cu viteza de 2…5oC/or ă) până la 630…650oC; datorită r ăciriifoarte lente, la traversarea temperaturilor din zona izotermei t  P’S’K’  se producetransformarea eutectoidă conform schemei:

Feγ (C) ⇒ Feα (C) + Fe3Caustenită  ferită cementită

  ⇓Feα (C) + C;

ferită grafit

* piesele turnate sunt r ăcite în aer până la t a; datorită transformărilor structurale descrise anterior, piesele vor prezenta la t a o structur ă alcătuită din:

faze: ferită (αααα) şi grafit;constituenţi: ferită (αααα) şi grafit;această structur ă corespunde unei fonte maleabile feritice (“maleabilă” deoarececonţine cuiburile de grafit obţinute prin aplicarea tratamentului de maleabilizare şi“feritică” deoarece structura masei metalice de bază este alcătuită numai dingr ăunţi cristalini de ferită); întreaga cantitate de carbon conţinută de fontă se aflădispusă în structur ă sub formă de grafit (carbon liber) şi, ca urmare, suprafeţele derupere (spargere) ale pieselor cu o astfel de structur ă au culoare închisă şi acesttip de fontă este denumit: fontă maleabilă feritică cu miez negru (sesimbolizează Fmn).

Modul de conducere (descris anterior) al tratamentului de maleabilizare

 pentru obţinerea pieselor cu structur ă de fontă maleabilă feritică cu miez negrueste prezentat sintetic în diagrama din figura 4.6.B. În cazul în care se doreşte ca structura pieselor după maleabilizare să

aibă masa metalică de bază perlitică, tratamentul termic de maleabilizare seconduce astfel:

* piesele turnate din fontă albă se încălzesc la t i1 = 930…1000oC şi semenţin la această temperatur ă o durată  τ m1 = 8…30 ore, funcţie de compoziţiachimică a fontei din care sau turnat piesele (caracterizată prin concentraţiile

Page 30: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 30/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

200

masice de carbon şi siliciu ale fontei) şi de grosimea pieselor turnate supusetratamentului; încălzirea la t i1 face ca structura pieselor turnate să conţină fazelecementită  şi austenită (v. diagrama de echilibru metastabil Fe-Fe3C), iar menţinerea îndelungată la t i1 determină realizarea unei prime etape de grafitizare afontei prin descompunerea cementitei conform schemei:

Fe3C ⇒ Feγ (C) + C;cementită austenită grafit

Fig. 4.6. Diagrama tratamentului de recoacere de maleabilizare pentru obţinereafontelor maleabile feritice

* după menţinerea la t i1, piesele turnate se r ăcesc în aer până la t a; datorităr ăcirii cu viteză mare, la traversarea temperaturilor din zona izotermei t  PSK  se

 produce transformarea eutectoidă, conform, schemei:Feγ (C) ⇒ Feα (C) + Fe3C;

  austenită  ferită  cementită

   perlită

datorită transformărilor structurale descrise anterior piesele vor prezenta la t a ostructur ă alcătuită din:

faze: ferită (αααα), cementită (Fe3C) şi grafit;

constituenţi: perlită lamelară ( P ) şi grafit;

Page 31: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 31/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

201

această structur ă corespunde unei fonte maleabile perlitice (“maleabilă”deoarece conţine cuiburi de grafit obţinute prin aplicarea tratamentului demaleabilizare şi “perlitică”, deoarece structura masei metalice de bază estealcătuită numai din perlită); fontele maleabile perlitice se simbolizează Fmp.

Modul de conducere (descris anterior) al tratamentului de maleabilizare pentru obţinerea pieselor cu structur ă de fontă maleabilă perlitică este prezentatsintetic în diagrama din figura 4.7.

Fig. 4.7. Diagrama tratamentului de maleabilizare pentru obţinerea fontelor maleabile perlitice

Pentru creşterea caracteristicilor de plasticitate şi tenacitate ale maseimetalice de bază, piesele din fontă maleabilă perlitică se pot supune uneireîncălziri (recoaceri) la t i2 = 700…710oC şi unei menţineri la această temperatur ăcu durata τ m2 = 10…15 ore (urmată de r ăcirea pieselor în aer până la t a), pentrutransformarea perlitei lamelare în perlită globular ă (transformarea cementiteilamelare în cementită globular ă), aşa cum se arată în figura 4.7.

Page 32: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 32/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

202

4.5.2. Maleabilizarea în mediu oxidant

In acest caz, agregatul în care se execută tratamentul de maleabilizare este uncuptor (special) cu atmosfer ă controlată oxidantă sau un cuptor obişnuit, în care

 piesele din fontă albă ce urmează a fi tratate se introduc împachetate într-un mediuoxidant, alcătuit din minereu de fier sau arsur ă (oxid) de fier. Regimul termic altratamentului este identic celui corespunzător aplicării variantei de maleabilizare A şi

 piesele vor avea la t a (după aplicarea tratamentului) structura alcătuită din:faze: ferită (αααα) şi grafit;

constituentţi: ferită (αααα) şi grafit.

Deoarece mediul în care se află piesele din fontă în timpul maleabilizăriieste oxidant, carbonul liber (grafitul) din stratul superficial al pieselor reacţionează cu oxigenul din acest mediu, formându-se CO şi CO2 care se degajăîn atmosfera cuptorului. Datorită acestui proces, concentraţia de carbon în stratulsuperficial al pieselor devine mai mică decât cea existentă în miezul pieselor, secrează un gradient (diferenţă) al concentraţiei de carbon şi se activează un procesde difuzie care transfer ă carbonul din miezul pieselor spre stratul lor superficial şiasigur ă continuitatea reacţiilor de oxidare a carbonului (prin care se realizeazădecarburarea pieselor).

Modul de conducere a tratamentului de maleabilizare şi reacţiile de oxidare

a carbonului care se produc concomitent cu maleabilizarea determină obţinereaunor piese cu structur ă de fontă maleabilă feritică, în care ponderea formaţiunilor de grafit este foarte redusă, putând ajunge de multe ori chiar la zero (reacţiile deoxidare pot afecta practic întreaga cantitate de carbon a pieselor tratate şi acesteacapătă în urma maleabilizării o structur ă monofazică feritică, asemănătoarestructurii oţelurilor hipoeutectoide cu conţinut foarte scăzut de carbon); datorităacestor particularităţi structurale, suprafeţele de rupere (spargere) ale pieselor dinfontă maleabilizată în mediu oxidant au culoare deschisă şi acest tip de fontă estedenumit fontă maleabilă feritică cu miez alb (se simbolizează Fma).

4.6 Fontele modificate

Fontele modificate se obţin introducând în fontele cenuşii (aliajeFe-C-Si) lichide (elaborate şi pregătite pentru turnarea pieselor) cantităţi micide substanţe (numite modificatori) care schimbă mecanismul obşnuit (valabilîn cazul fontelor cenuşii, v. scap. 4.4.) al germinării şi creşterii formaţiunilor de grafit la solidificarea fontelor.

Introducerea modificatorilor are următoarele efecte principale:

Page 33: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 33/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

203

* asigur ă formarea în fontele cenuşii topite a unor particule insolubile decompuşi chimici (oxizi, carburi, nitruri) care determină   germinarea eterogenă  a

  fazelor la solidificarea fontei; datorită acestui efect, prezenţa modificatorilor accelerează procesele de solidificare (ceea ce echivalează cu o creştere a subr ăciriisau cu o creştere a vitezei de r ăcire la solidificare) şi determină tendinţa desf ăşur ăriitransformărilor la solidificare şi r ăcire în conformitate cu diagrama de echilibrumetastabil Fe-Fe3C (formarea unor structuri de fontă albă); această tendinţă nedorităeste eliminată, dacă, odată cu sau după introducerea modificatorilor se adaugă ocantitate suplimentar ă de elemente grafitizante (se face o postmodificare cuelemente grafitizante: Si, Al, Ni…);

* asigur ă efectele unor substanţe active, care intervin în procesul formăriigrafitului în structura fontelor şi determină   generarea unor forma ţ iuni de grafit cu alt ă configura ţ ie decât cea lamelar ă .

Deoarece modificatorii sunt substanţe foarte active, reacţiile acestora cufonta lichidă în care se introduc pot fi violente şi pot da naştere la accidente; dinaceste motive, la modificarea fontelor trebuie luate măsuri speciale (folosirea unor oale speciale de modificare, aplicarea unor tehnologii adecvate de introducere amodificatorilor etc.).

In funcţie de tipul modificatorilor utilizaţi şi de efectele produse prinintroducerea acestora, există mai multe categorii de fonte modificate.

A. Fonte modificate cu grafit lamelar; în acest caz se utilizează ca

modificatori Ca şi Ba, iar ca elemente de postmodificare şi ajutătoare - Si, Al, Zr,Ti; în prezent pentru realizarea fontelor din această categorie, se utilizeazăferoaliaje complexe de tipul Fe-Si-Al-Ba-Ca, cunoscute sub denumirea comercialăde aliaje MODIFIN. Modificatorii şi celelalte elemente ajutătoare introduse înfonta cenuşie topită formează particule insolubile (de tipul CaO, BaO, SiO2, Al2O3,TiC, AlN…) fine, foarte numeroase şi uniform distribuite, pe care se realizeazăgerminarea grafitului şi austenitei la transformarea eutectică (v. scap 4.4). Ca urmare,solidificarea şi r ăcirea fontei conduce la obţinerea unei structuri cu un număr mare deformaţiuni fine de grafit lamelar cu marginile rotunjite, uniform distribuite în masametalică de bază, care, în funcţie de conţinuturile de carbon şi siliciu ale fontei, poatefi feritică, ferito-perlitică sau perlitică (v. fig.4.8).

B. Fonte modificate cu grafit nodular (fonte nodulare); în acest caz seutilizează ca modificator magneziul (împreună, uneori, cu cantităţi mici de ceriu),iar ca elemente de postmodificare şi ajutătoare - Si, Ni, Sr, Ca, Al; în prezent,

 pentru realizarea fontelor din această categorie, se utilizează feroaliaje ternare detipul Fe-Si-Mg sau feroaliaje complexe de tipul Fe-Si-Mg-Ca-Al, cunoscute subdenumirea comercială de aliaje NODULIN.

Prezenţa modificatorilor şi a celorlalte elemente introduse în fonta cenuşietopită are, în acest caz, două efecte:

Page 34: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 34/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

204

Fig. 4.8. Microstructurile fontelor modificate

* asigur ă germinarea eterogenă a formaţiunilor de grafit pe un număr mare

de particule insolubile fine şi uniform distribuite (de tipul CaO, MgO, SiO2,Al2O3, TiC, AlN…);* modifică mecanismul creşterii germenilor lamelari de grafit, deoarece

reacţionează cu oxigenul şi sulful dizolvate pe suprafeţele acestor germeni şi  permite dezvoltarea uşoar ă a lor pe toate direcţiile (generarea unor formaţiunisferoidale sau nodulare de grafit).

Datorită acestor efecte, solidificarea şi r ăcirea fontei conduce la obţinereaunei structuri cu un număr mare de formaţiuni fine de grafit nodular, uniformdistribuite în masa metalică de bază, care, în funcţie de conţinuturile de carbon şisiliciu ale fontei, poate fi feritică, ferito-perlitică sau perlitică (v. fig. 4.8).

Datorită dimensiunilor mici, a formei rotunjite şi a distribuirii uniforme a

grafitului în structur ă, fontele cu grafit nodular au cele mai bune caracteristici derezistenţă mecanică, plasticitate şi tenacitate.C. Fonte modificate cu grafit vermicular; în acest caz se utilizează ca

modificator magneziul (împreună, uneori, cu cantităţi mici de ceriu) iar caelemente de postmodificare şi ajutătoare - Si, Al şi Ti. Prezenţa modificatorilor şia celorlalte elemente introduse în fonta cenuşie topită are în acest caz aceleaşiefecte ca la obţinerea fontelor cu grafit nodular, numai că datorită prezenţei Ti şiAl, procesele de nodulizare nu pot fi definitivate şi în structura fontei apar 

Page 35: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 35/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

205

formaţiuni de grafit lamelar scurte şi groase (grafit vermicular), caracterizate prinrapoarte între lungime şi grosime mai mici ca 20; în funcţie de conţinuturile decarbon şi siliciu, structura masei metalice de bază a acestor fonte poate fi feritică,ferito-perlitică sau perlitică (v.fig. 4.8).

Sintetizând datele prezentate anterior privind diversele categorii de fontecu grafit în structur ă rezultă tabelul 4.5, care cuprinde denumirile tuturor categoriilor de fonte utilizate în tehnică.

Tabelul 4.5. Tipuri de fonte cu grafit utilizate în tehnică

STRUCTURA MASEI METALICE DE BAZĂFORMA

GRAFITULUI FERITICĂFERITO-

PERLITICĂPERLITICĂ

LAMELAR (lamele mari)

FONTĂ CENUŞIEFERITICĂ

FONTĂ CENUŞIEFERITO-PERLITICĂ

FONTĂ CENUŞIEPERLITICĂ

CUIBURI(grafit obţinut prin

maleabilizare)

FONTĂ MALEABILĂFERITICĂ

(Fmn sau Fma)-

FONTĂMALEABILĂPERLITICĂ

LAMELAR FIN(lamele fine -modificare cuMODIFIN)

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFIT LAMELAR FERITICĂ

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFIT LAMELAR FERITO-PERLITICĂ

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFITLAMELAR PERLITICĂ

 NODULAR 

(grafit sferoidal -modificare cu NODULIN)

FONTĂ

MODIFICATĂ CUGRAFIT NODULAR 

FONTĂ

MODIFICATĂ CUGRAFIT NODULAR FERITO-PERLITICĂ

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFIT NODULAR PERLITICĂ

VERMICULAR (grafit vermicular -

modificare cu NODULIN)

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFITVERMICULAR 

FERITICĂ

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFITVERMICULAR 

FERITO-PERLITICĂ

FONTĂMODIFICATĂ CU

GRAFITVERMICULAR 

PERLITICĂ

Cuvinte cheie

afînare, 185austenită, 172cementită, 171cementită primar ă, 176cementită secundar ă, 176cementită ter ţiar ă, 177dezoxidare, 185diagrama strucutrală a fontelor, 196elemente însoţitoare, 186eutectic cu grafit, 193

eutectoid cu grafit, 194ferită, 172fondant, 185fontă albă, hipoeutectică,eutectică,hipereutectică, 175fontă cenuşie feritică, 195fontă cenuşie perlitică, 195fontă cenuşie ferito-perlitică, 196fontă maleabilă, 197

Page 36: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 36/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

206

fontă maleabilă cu miez alb, 202fontă maleabilă cu miexz negru, 199fontă maleabilă feritică, 199fontă maleabilă perlitică, 201fontă modificată, 202fontă modificată cu grafit lamelar, 203fontă modificată cu grafit vermicular, 204fontă nodular ă, 203fontă pestriţă, 196fontă modificată cu grafit vermicular, 204fontă nodular ă, 203fontă pestriţă, 196fragilitate la albastru, 188

fragilitate la cald, 186fragilitate la rece, 187fulgi, 189grafit (carbon liber), 172

grafit lamelar, 194impurităţi, 186incluziuni nemetalice, 190ledeburită, 174ledeburită transformată, 175, 177maleabilizare în mediu neutrumaleabilizare în mediu oxidant, 202modificator, 202oţel carbon, hipoeutectoid, eutectoid,hipereutectoid, 175

 perlită, 175 punctaj, 190recoacere de maleabilizare, 198

segregare, 186sistem metastabil fier - cementită, 172structur ă în benzi, 187zgur ă, 185

Bibliografie

1.  Colan H. ş.a., Studiul metalelor, Editura Didactică  şi Pedagogică,Bucureşti, 1983

2.  Gâdea S., Petrescu M., Metalurgie fizică  şi studiul metalelor, p. II.,Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19813.  Geru N., Metalurgie fizică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19824.  Protopopescu H., Metalografie şi tratamente termice, Editura Didactică şi

Pedagogică, Bucuresti, 19835.  R ădulescu M. ş. a., Atlas metalografic, Editura Tehnică, Bucureşti, 19716.  Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactică  şi

Pedagogică, Bucuresti, 19957.  Schumann H., Metalurgie fizică, Editura Tehnică, Bucureşti, 19628.  Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers,

Macmillan Publishing Company, New York, 1991

9.  Truşculescu M. Studiul metalelor, Editura Didactică  şi Pedagogică,Bucureşti, 1977

10. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering,Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989.

11. * * * Metals Handbook Ninth Edition, vol. 9, American Society for Metals, Ohio, 1985

12. * * * Manualul inginerului metalurg, Editura Tehnică, Bucureşti, 1978

Page 37: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 37/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

207

Teste de autoevaluare

T.4.1. Care este componentul de bază (principal) al oţelurilor  şi fontelor albe: a) carbonul; b) ferita: c) fierul; d) siliciul?

T.4.2. Soluţia solidă interstiţială de carbon în Feα este denumită:a) austenită; b) cementită; c) perlită; d) ferită?

T.4.3. Soluţia solidă interstiţială de carbon în Feγ  este denumită: a) ferită; b) austenită; c) cementită; d) perlită?

T.4.4. Care din următoarele caracteristici corespund cementitei: a) este osoluţie solidă interstiţială de carbon în Feα; b) este o fază daltonidă, cu formula

Fe3C; c) este o fază moale şi tenace; d) este un compus definit, cu densitatea multmai mică decât a fierului?

T.4.5. Ce denumire are amestecul mecanic care rezultă prin transformareaeutectică produsă la r ăcirea fontelor albe: a) perlită; b) cementită; c) austenită; d)ledeburită?

T.4.6. Ce denumire are amestecul mecanic care rezultă prin transformareaeutectoidă produsă la r ăcirea fontelor albe şi oţelurilor carbon: a) perlită;

 b) cementită; c) austenită; d) ledeburită?T.4.7. Care este alcătuirea constituentului numit ledeburită transformată:

a) globule de ferită distribuite într-o masă de ferită; b) globule de perlitădistribuite într-o masă de ferită; c) globule de perlită distribuitre într-o masă decementită; d) lamele alternante de ferită şi cementită?

T.4.8. Care din următoarele definiţii corespund oţelurilor carbon: a) aliajeleFe – Fe3C la care se poate produce numai transformarea eutectoidă; b) aliajele Fe – Fe3Cla care se poate produce atât transformarea eutectică, cât şi transformarea eutectoidă;c) aliajele Fe – Fe3C care au concentraţia masică de carbon situată în intervalul(0,02 %;2,11 %]; d) aliajele Fe – Fe3C care conţin perlită în structura la t a ?

T.4.9. Care din următoarele definiţii corespund fontelor albe: a) aliajele Fe  – Fe3C la care se poate produce numai transformarea eutectoidă; b) aliajeleFe – Fe3C la care se poate produce atât transformarea eutectică, cât şitransformarea eutectoidă; c) aliajele Fe – Fe3C care au concentraţia masică de

carbon situată în intervalul (2,11 %; 6,67 %); d) aliajele Fe – Fe3C care conţinledeburită transformată în structura la t a ?T.4.10. Care din următoarele transformări structurale se pot produce

(în condiţii de echilibru) la r ăcirea unui oţel hipoeutectoid cu concentraţia masicăde carbon %C m = 0,3 %: a) transformarea peritectică: L + δ ⇒ γ ; b) transformarea

 peritectică: L ⇒  γ   + Fe3C; c) transformarea eutectoidă: L ⇒  γ   + Fe3C;d) transformarea eutectoidă: γ  ⇒ α + Fe3C ?

Page 38: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 38/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

208

T.4.11. Aliajul a cărei structur ă la t a este alcătuită din constituenţii perlităşi cementită secundar ă este: a) o fontă albă hipoeutectică; b) o fontă albăeutectică; c) un oţel carbon hipereutectoid; d) un oţel carbon hipoeutectoid?

T.4.12. Aliajul a cărei structur ă la t a este alcătuită din constituenţii perlită,ferită  şi cementită ter ţiar ă este: a) o fontă albă hipoeutectică; b) o fontă albăeutectică; c) un oţel carbon hipereutectoid; d) un oţel carbon hipoeutectoid?

T.4.13. Aliajul a cărei structur ă la t a este alcătuită din constituenţiiledeburită transformată, perlită  şi cementită secundar ă este: a) o fontă albăhipoeutectică; b) o fontă albă hipereutectică; c) un oţel carbon hipereutectoid;d) un oţel carbon eutectoid?

T.4.14. Aliajul a cărei structur 

ăla

t aeste alc

ătuit

ădin constituen

ţii ledeburit

ătransformată  şi cementită primar ă este: a) o fontă albă eutectică; b) o fontă albăhipereutectică; c) un oţel carbon hipereutectoid; d) un oţel carbon hipoeutectoid?

T.4.15. Care din următoarele aliaje au structura la t a alcătuită din fazeleferită  şi cementită: a) fontele albe hipoeutectice; b) fontele albe hipereutectice;c) oţelurile carbon hipereutectoide; d) oţelurile carbon hipoeutectoide?

T.4.16. Aliajul a cărei structur ă la t = 900oC este alcătuită din constituenţiiledeburită şi cementită primar ă este: a) o fontă albă hipereutectică; b) o fontă albăeutectică; c) un oţel carbon hipereutectoid; d) un oţel carbon hipoeutectoid?

T.4.17. Aliajul a cărei structur ă la t  = 950 oC este alcătuită numai dincristale de austenită este: a) o fontă albă hipereutectică; b) o fontă albă eutectică;

c) un oţel carbon eutectoid; d) un oţel carbon hipoeutectoid?T.4.18. Aliajul a cărei structur ă la t = 900 oC este alcătuită din constituenţii

ledeburită, austenită  şi cementită secundar ă este: a) o fontă albă hipereutectică; b) o fontă albă eutectică; c) o fontă albă hipoeutectică; d) un oţel carbon hipoeutectoid?

T.4.19. Care din următoarele impurităţi prezente în compoziţia unui oţelcarbon determină apariţia fenomenului de fragilitate la cald: a) fosforul; b)hidrogenul; c) sulful; d) azotul?

T.4.20. Care din următoarele impurităţi prezente în compoziţia unui oţelcarbon determină apariţia fenomenului numit fragilitate de albastru: a) fosforul;

 b) hidrogenul; c) sulful; d) azotul?

T.4.21. Care din următoarele impurităţi prezente în compoziţia unui oţelcarbon hipoeutectoid determină formarea structurii în benzi după deformarea plastică la cald a oţelului: a) fosforul; b) oxigenul; c) sulful; d) azotul?

T.4.22. Care din următoarele impurităţi prezente în compoziţia unui oţelcarbon determină apariţia în structur ă a defectelor numite fulgi: a) fosforul;

 b) hidrogenul; c) sulful; d) azotul?T.4.23. Care din următoarele afirmaţii sunt adevărate: a) azotul este o

impuritate a oţelurilor carbon deoarece produce fenomenul de fragilitate la rece;

Page 39: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 39/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

209

  b) fosforul este o impuritate a oţelurilor carbon deoarece produce fenomenul defragilitate la albastru; c) manganul este o impuritate a oţelurilor carbon deoarece

  produce dezoxidarea şi desulfurarea acestora; d) sulful este o impuritate aoţelurilor carbon deoarece produce fenomenul de fragilitate la cald?

T.4.24. Care din următoarele afirmaţii sunt adevărate: a) sulful este oimpuritate a oţelurilor carbon deoarece produce fenomenul de fragilitate la rece;

  b) azotul este o impuritate a oţelurilor carbon deoarece produce fenomenul defragilitate la albastru; c) fosforul este o impuritate a oţelurilor carbon deoarecedetermină formarea structurilor în benzi, dacă oţelurile sunt deformate plastic larece; d) manganul este un element însoţitor în oţelurile carbon, deoerece producedezoxidarea

şi desulfurarea acestora ?

T.4.25. Care sunt constituenţii ce alcătuiesc structura la t a a unei fontecenuşii feritice: a) perlită  şi grafit lamelar; b) perlită, ferită  şi grafit lamelar;c) ledeburită transformată şi grafit lamelar; d) ferită şi grafit lamelar?

T.4.26. Care sunt constituenţii ce alcătuiesc structura la t a a unei fontecenuşii ferito - perlitice: a) perlită  şi grafit lamelar; b) perlită, ferită  şi grafitlamelar; c) ledeburită transformată şi grafit lamelar; d) ferită şi grafit lamelar?

T.4.27. Care din următoarele fonte, având %C m = 3,5 %, are în compoziţie oconcentraţie mai mare de siliciu: a) fonta albă hipoeutectică; b) fonta cenuşie feritică;c) fonta cenuşie perlitică; d) fonta maleabilă feritică cu miez negru?

T.4.28. Care din următoarele fonte, având %C m = 3,5 %, are cele mai bune

caracteristici de plasticitate şi tenacitate: a) fonta albă hipoeutectică; b) fonta cenuşieferitică; c) fonta maleabilă feritică cu miez negru; d) fonta nodular ă feritică?

T.4.29. Care din următoarele tipuri de fonte se obţin prin maleabilizarea înmediu neutru a unei fonte albe: a) fonta maleabilă perlitică; b) fonta maleabilăferitică cu miez alb; c) fonta maleabilă feritică cu miez negru; d) fonta cenuşieferito – perlitică?

T.4.29. Care din următoarele afirmaţii privind fontele maleabile feritice cumiez alb sunt adevărate: a) aceste fonte se obţin printr-un tratament demaleabilizare în mediu neutru aplicat fontelor albe; b) structura la t a a acestor fonte are ca faze ferita şi grafitul; c) structura la t a a acestor fonte este alcătuită din

constituenţii ferită şi grafit sub formă de cuiburi; d) aceste fonte sunt maleabile şi pot fi prelucrate prin deformare plastică?

T.4.30. Care din următoarele afirmaţii privind fontele maleabile feritice cumiez negru sunt adevărate: a) aceste fonte se obţin printr-un tratament demaleabilizare în mediu oxidant aplicat fontelor albe; b) structura la t a a acestor fonte are ca faze ferita, cementita şi grafitul lamelar; c) structura la t a a acestor fonte este alcătuită din constituenţii ferită şi grafit sub formă de cuiburi; d) acestefonte sunt maleabile şi pot fi prelucrate prin deformare plastică?

Page 40: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 40/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

210

T.4.31. Care din următoarele afirmaţii privind fontele maleabile perliticesunt adevărate: a) aceste fonte se obţin printr-un tratament de maleabilizare înmediu neutru aplicat fontelor albe; b) structura la t a a acestor fonte are ca fazeferita, cementita şi grafitul; c) structura la t a a acestor fonte este alcătuită dinconstituenţii ferită, perlită  şi grafit sub formă de cuiburi; d) deşi sunt denumitemaleabile, aceste fonte nu se pot prelucra prin deformare plastică?

T.4.32. Care din următoarele afirmaţii privind fontele modificate cugrafit lamelar sunt adevărate: a) modificatorii utilizaţi pentru obţinerea acestor fonte sunt Ca şi Ba; b) la aceste fonte, postmodificarea cu Si se face deoarecemodificatorii au efect antigrafitizant; c) în funcţie de concentraţiile carbonului

şi siliciului, structura masei metalice de baz

ăa acestor fonte poate fi feritic

ă,

ferito – perlitică sau perlitică; d) aceste fonte au în structura la t a grafit lamelar grosolan, cu marginile ascuţite?

T.4.33. Care din următoarele afirmaţii privind fontele modificate cu grafitnodular sunt adevărate: a) pentru obţinerea acestor fonte se introduc modificatoriîn fontele albe lichide; b) la aceste fonte se face postmodificarea cu Si, deoarecemajoritatea modificatorilor au efect antigrafitizant; c) pentru obţinerea acestor fonte se adaugă feroaliaje de tip NODULIN în fontele cenuşii lichide; d) fontelecu grafit nodular perlitice au structura la t a alcătuită numai din fazele ferită  şigrafit nodular?

T.4.34. Care din următoarele fonte conţin în structura la t a formaţiuni de

grafit: a) fonta maleabilă perlitică; b) fonta albă eutectică; c) fonta nodular ăferitică; d) fonta cenuşie ferito – perlitică?T.4.35. Care din următoarele aliaje conţine în structura la t a constituentul

 perlită: a) oţelul carbon hipoeutectoid; b) oţelul carbon eutectoid; c) oţelul carbonhipereutectoid; d) fonta albă hipoeutectică?

T.4.36. Care din următoarele aliaje au structura la t a alcătuită dinfazele ferită şi grafit: a) fonta cu grafit vermicular feritică; b) fonta cu grafitnodular feritică; c) fonta maleabilă feritică cu miez negru; d) fonta maleabilăferitică cu miez alb?

T.4.37. Care din următoarele aliaje au structura la t a alcătuită din fazeleferită, cementită şi grafit: a) fonta cu grafit vermicular perlitică; b) fonta pestriţă;

c) fonta maleabilă feritică cu miez alb; d) fonta cenuşie ferito - perlitică?T.4.38. Care din următoarele aliaje au structura la t a alcătuită numai din

fazele ferită şi cementită: a) fonta cu grafit vermicularperlitică; b) fonta cu grafitnodular feritică; c) fonta albă hipoeutectică; d)oţelul carbon hipereutectoid?

T.4.39. Care din următoarele aliaje conţin cementita secundar ă ca unconstituent al structurii la t a: a) fonta albă hipereutectică; b) oţelul carbonhipereutectoid; c) fonta pestriţă; d) fonta maleabilă perlitică; e) fonta cenuşieferito – perlitică; f) fonta albă hipoeutectică?

Page 41: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 41/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

211

T.4.40. Completaţi locurile libere din tabelul următor Structura de echilibru la t a

Denumirea aliajuluiFaze Constituenţi

Oţel carbon hipoeutectoid Ferită, Cementită

Fontă cu grafit nodular feritică

Fontă albă hipereutectică

Perlită, Cementităsecundar ă

Ledeburitătransformată,

Cementită primar ă

Fontă cenuşie ferito - perlitică

Perlită, Grafit lamelar 

Perlită, Grafit nodular 

Fontă maleabilă perlitică

Fontă modificată cu grafitlamelar feritică

Ferită, Grafit

Aplicaţii

A.4.1. Să se determine concentraţiile atomice ale carbonului,corespunzătoare absciselor punctelor caracteristice ale diagramei de echilibrumetastabil Fe – Fe3C.

RezolvareDin tabelul 1.1, se extrag masele atomice ale componentelor aliajelor 

sistemului Fe – Fe3C: maFe = 55,85 şi maC  = 12,01. Aplicând relaţiile (2.3),considerând concentraţiile masice ale carbonului din tabelul 4.1, se obţinrezultatele prezentate în tabelul 4.6.

Page 42: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 42/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

212

Tabelul 4.6. Concentraţiile atomice ale carbonului corespunzătoare absciselor  punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru metastabil Fe – Fe3C

Punctul pediagrama

Fe – Fe3CA,G,N,Q B C D,F,K E H J P S

% C m 0 0,54 4,30 6,67 2,11 0,10 0,16 0,02 0,77

% C at  0 2,46 17,28 25,00 9,11 0,46 0,74 0,09 3,48

A.4.2. Pentru sistemul de aliaje Fe – Fe3C, să se construiască diagramelestructurale de constituenţi la t a şi la t = 725oC (t = t  PSK  – ∆t ) şi să se traseze peacestea liniile de demarcaţie ale conţinuturilor procentuale de faze în constituenţiieterogeni (bifazici): perlită şi ledeburită transformată.

R ăspuns: Diagramele structurale de constituenţi sunt prezentate în figura 4.9.A.4.3. Să se determine raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor în

ledeburită, la sfâr şitul transformării eutectice (t  = t  ECF  –  ∆t ) şi înainte dedeclanşarea transformării eutectoide (t = t  PSK + ∆t ).

RezolvareSe consider ă fonta albă eutectică (în structura căreia, după

transformarea eutectică, conţinutul procentual de ledeburită este de 100 %) şise calculează (folosind regula segmentelor inverse) conţinuturile procentualeale fazelor în structura acesteia; rezultă:

* la t = t  ECF  – ∆t , 0,52100%11,267,63,467,6 ==

−−

 Led γ  %, %Fe3C  Led = 48,0 % şi

raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor care alcătuiesc ledeburita(amestecul mecanic de austenită  şi cementită produs prin desf ăşurarea

transformării eutectice) este ;083,1)(48

52

3%

%==∆−= t  ECF t t 

 Led C  Fe

 Led γ 

* la t = t  PSK  + ∆t , 2,40100%77,067,6

3,467,6 ==−

− Led γ  %, %Fe3C  Led  = 59,8 %

şi raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor care alcătuiesc ledeburita este

672,0)(8,59

2,40

3%

%==∆+= t  PSK t t 

 Led C  Fe Led γ 

.

Modificarea constatată a raportului conţinuturilor procentuale de faze înledeburită se explică prin micşorarea solubilităţii carbonului în austenită odatăcu micşorarea temperaturii de la t  ECF  la t  PSK   şi separ ării din austenită acarbonului în exces (care nu mai poate fi dizolvat) sub formă de cementită.

Page 43: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 43/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

213

  a.

   b.

Fig. 4.9. Diagramele structurale de constituenţi pentru sistemul de aliaje Fe – Fe3C:a - la t = t a; b - la t = t  PSK  − ∆t 

Page 44: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 44/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

214

A.4.4. Să se determine raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor în perlită, la sfâr şitul transformării eutectoide ( t = t  PSK – ∆t ) şi la t a.

RezolvareSe consider ă oţelul eutectoid (în structura căruia, după transformarea eutectoidă,

conţinutul procentual de perlită este de 100 %) şi se calculează (folosind regulasegmentelor inverse) conţinuturile procentuale ale fazelor în structura acestuia; rezultă:

* la t  = t  PSK  – ∆t , 7,88100%02,067,677,067,6 ==

−−

 P α  %, %Fe3C  P  = 11,3 % şi

raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor care alcătuiesc perlita (amesteculmecanic de ferită şi cementită produs prin desf ăşurarea transformării eutectoide)

este ;850,7)( 3,11

7,88

3%

%

==∆−= t  PSK t t  P C  Fe  P 

α 

* la t = t a, 46,88100%67,6

77,067,6==

− P α  %, %Fe3C  P  = 11,54 % şi raportul

conţinuturilor procentuale ale fazelor care alcătuiesc perlita (amestecul mecanicde ferită  şi cementită produs prin desf ăşurarea transformării eutectoide)

este: .666,7)(54,11

46,88

3%

%=== at t 

 P C  Fe

 P α 

Modificarea constatată a raportului conţinuturilor procentuale de faze în perlită se explică prin micşorarea solubilităţii carbonului în ferită odată cumicşorarea temperaturii de la t  PSK  la t a şi separ ării din ferită a carbonului în exces

(care nu mai poate fi dizolvat) sub formă de cementită.A.4.5. Să se determine raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor în

ledeburita transformată, la sfâr şitul transformării eutectoide ( t = t  PSK – ∆t ) şi la t a.RezolvareSe consider ă fonta albă eutectică (în structura căreia, după transformarea eutectoidă,

conţinutul procentual de ledeburită transformată este de 100 %) şi se calculează (folosind regulasegmentelor inverse) conţinuturile procentuale ale fazelor în structura acesteia; rezultă:

* la t  = t  PSK  –  ∆t , 64,35100%02,067,6

3,467,6 ==−−

 LedTr α  %, % Fe3C  LedTr  =

64,36 % şi raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor care alcătuiesc

ledeburita transformată este ;554,0)( 36,64 64,353%% ==∆−= t  PSK t t 

 LedTr C  Fe LedTr α 

* la t = t a, 53,35100%67,6

3,467,6 == − LedTr α  %, % Fe3C  LedTr  = 64,47 % şi

raportul conţinuturilor procentuale ale fazelor care alcătuiesc ledeburita

transformată este 551,0)(47,6453,35

3%

%=== at t 

 LedTr C  Fe

 LedTr α ; deoarece ledeburita

transformată este alcătuită din globule de perlită uniform distribuite într-o masă de

Page 45: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 45/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

215

cementită, fazele care o alcătuiesc se distribuie astfel (v. şi rezultatele aplicaţiilor A.4.2 … A.4.4): cele 35,53 % ferită intr ă integral în alcătuirea globulelor de

 perlită, 63,4666,7

53,35 = 5 % cementită participă la formarea globulelor de perlită, iar 

restul de 64,47 – 4,635 = 59,835 % corespund masei de cementită în care sedistribuie globulele de perlită ale ledeburitei transformate.

A.4.6. Să se determine densitatea perlitei şi densitatea unui oţelhipereutectoid cu %C m = 1,0 %.

RezolvareAplicând regula segmentelor inverse pentru un aliaj al sistemului Fe – Fe3C, cu

concentraţia masică de carbon %C m, rezultă că structura la t a a acestuia areconţinuturile procentuale ale fazelor: %Fe3C = 15(%C m) şi %α = 100 – 15(%C m);aplicând raţionamentul descris la rezolvarea aplicaţiei A.2.4, rezultă că densitateaaliajelor sistemului Fe – Fe3C se poate determina cu relaţia:

 

C  Fe

C  Fe

3

3%%

100

ρ ρ 

α 

α 

ρ +

= . (4.8.)

Densitatea perlitei se determină înlocuind în relaţia (4.8.) conţinuturile procentuale ale fazelor din structura oţelului eutectoid (care are %C m = 0,77 % şistructura la t a alcătuită numai din perlită): %α  P  = 88,46 % şi %Fe3C  P  = 11,54 %;

rezultă: 78207600

54,117850

46,88

100

3%%

100

3

=== ++C  Fe

 P  P  P  C  Fe

ρ ρ 

α 

α 

ρ  kg/m3

.

Utilizând relaţia (4.8.) pentru oţelul carbon hipereutectoid cu concentraţia

masică de carbon %C m = 1 %, se obţine 5,7811

7600

15

7850

85100

==+

ρ  kg/m3.

A.4.7. Să se determine densitatea ledeburitei transformate şi densitateaunei fonte albe hipereutectice cu %C m = 6 %.

R ăspuns: Densitatea ledeburitei transformate este ρ  LedTr  = 7687 kg/m3,iar densitatea fontei cu %C m = 6 % este ρ = 7624 kg/m3.

A.4.8. Să se analizeze transformările structurale la r ăcirea din starelichidă ale unei fonte albe hipereutectice cu %C m = 5 % şi să se construiascădiagrama de variaţie în funcţie de temperatur ă a conţinuturilor procentuale defaze din structura acestui aliaj.

RezolvarePe diagrama de echilibru metastabil Fe – Fe3C, verticala aliajului cu

%C m = 5 % are poziţie similar ă cu cea corespunzătoare aliajului I, analizat înscap.4.2.4 şi, ca urmare, temperaturile caracteristice şi transformările structurale

Page 46: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 46/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

216

ale acestor aliaje sunt asemănătoare. Aplicând regula segmentelor inverse ladiferite temperaturi se obţin datele prezentate în tabelul 4.7, cu ajutorul cărora seconstruieşte diagrama din figura 4.10.

Tabelul 4.7. Conţinuturile procentuale de faze şi constituenţiîn structura fontei albe hipereutectice cu %C m = 5 %

Conţinutul procentual deTemperaturaFaze Constituenţi

t 0 100 % L 100 % L

t 1 100 % L 100 % L

t 2 + ∆t  70,5 % L; 29,5 % Fe3C  70,5 % L; 29,5 % Fe3C’ 

t 2 − ∆t  36,6 % γ ; 63,4 % Fe3C  70,5 % Led ; 29,5 % Fe3C’ 

t 3 + ∆t  28,3 % γ ; 71,7 % Fe3C  70,5 % Led ; 29,5 % Fe3C’ 

t 3 − ∆t  25,1 % α ; 74,9 % Fe3C  70,5 % LedTr ; 29,5 % Fe3C’ 

t a 25,0 % α ; 75,0 % Fe3C  70,5 % LedTr ; 29,5 % Fe3C’ 

Fig.4.10. Diagrama de variaţie în funcţie de temperatur ă a conţinuturilor procentualede faze din structura unei fonte albe cu %C m = 5 %

A.4.9. Să se analizeze transformările structurale la r ăcirea din stare lichidăale unei fonte albe hipoeutectice cu %C m = 3 % şi să se construiască diagramelede variaţie în funcţie de temperatur ă ale conţinuturilor procentuale de faze şi de

constituenţi din structura acestui aliaj.RezolvarePe diagrama de echilibru metastabil Fe – Fe3C, verticala aliajului cu

%C m = 3 % are poziţie similar ă cu cea corespunzătoare aliajului II, analizat înscap.4.2.4 şi, ca urmare, temperaturile caracteristice şi transformările structuraleale acestor aliaje sunt asemănătoare. Aplicând regula segmentelor inverse ladiferite temperaturi se obţin datele prezentate în tabelul 4.8, cu ajutorul cărora seconstruieşte diagrama din figura 4.11.

Page 47: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 47/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

217

Tabelul 4.8. Conţinuturile procentuale de faze şi constituenţiîn structura fontei albe hipoeutectice cu %C m = 3 %

Conţinutul procentual deTemperaturaFaze Constituenţi

t 0 100 % L 100 % L

t 1 100 % L 100 % L

t 2 + ∆t  40,6 % L; 59,4 % γ  40,6 % L; 59,4 % γ 

t 2 − ∆t  19,5 % Fe3C ; 80,5 % γ  40,6 % Led ; 59,4 % γ 

t 3 + ∆t  37,8 % Fe3C ; 62,2 % γ  40,6 % Led ; 13,5 % Fe3C”, 45,9 % γ 

t 3 − ∆t  44,8 % Fe3C ; 55,2 % α  40,6 % LedTr ; 13,5 % Fe3C”, 45,9 % P 

t a 45,0 % Fe3C ; 55,0 % α  40,6 % LedTr ; 13,5 % Fe3C”, 45,9 % P 

 

Fig.4.11. Diagramele de variaţie în funcţie de temperatur ă ale conţinuturilor procentuale de:a - constituenţi din structura unei fonte albe cu %C m = 3 %;

 b - faze din structura unei fonte albe cu %C m = 3 %;

A.4.10. Să se analizeze transformările structurale la r ăcirea din stare lichidăale unui oţel carbon hipereutectoid cu %C m = 1 % şi să se construiască diagramele devariaţie în funcţie de temperatur ă ale conţinuturilor procentuale de faze şi deconstituenţi din structura acestui aliaj.

Page 48: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 48/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

218

RezolvarePe diagrama de echilibru metastabil Fe – Fe3C, verticala aliajului cu

%C m = 1 % are poziţie similar ă cu cea corespunzătoare aliajului III, analizat înscap.4.2.4 şi, ca urmare, temperaturile caracteristice şi transformările structuraleale acestor aliaje sunt asemănătoare. Aplicând regula segmentelor inverse ladiferite temperaturi se obţin datele prezentate în tabelul 4.9, cu ajutorul cărora seconstruieşte diagrama din figura 4.12.

Tabelul 4.9. Conţinuturile procentuale de faze şi constituenţiîn structura oţelului carbon hipereutectoid cu %C m = 1 %

Conţinutul procentual deTemperaturaFaze Constituenţi

t 0 100 % L 100 % L

t 1 100 % L 100 % L

t 2 100 % γ  100 % γ t 3 100 % γ  100 % γ 

t 4 + ∆t  96,1 % γ ; 3,9 % Fe3C  96,1 % γ ; 3,9 % Fe3C”

t 4 − ∆t  85,26 % α ; 14,74 % Fe3C  96,1 % P ; 3,9 % Fe3C”

t a 85,01 % Fe3C ;14,99 % Fe3C  96,1 % P ; 3,9 % Fe3C”

Fig.4.12. Diagramele de variaţie în funcţie de temperatur ă ale conţinuturilor procentualede:a - constituenţi din structura unui oţel carbon cu %C m = 1 %;

 b - faze din structura unui oţel carbon cu %C m = 1 %.

Page 49: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 49/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

219

A.4.11. Să se analizeze transformările structurale la r ăcirea din starelichidă ale unui oţel carbon hipoeutectoid cu %C m = 0,4 % şi să se construiascădiagrama de variaţie în funcţie de temperatur ă a conţinuturilor procentuale de fazedin structura acestui aliaj.

RezolvarePe diagrama de echilibru metastabil Fe – Fe3C, verticala aliajului cu

%C m = 0,4 % are poziţie similar ă cu cea corespunzătoare aliajului IV, analizat înscap.4.2.4 şi, ca urmare, temperaturile caracteristice şi transformările structuraleale acestor aliaje sunt asemănătoare. Aplicând regula segmentelor inverse ladiferite temperaturi se obţin datele prezentate în tabelul 4.10, cu ajutorul cărora seconstruieşte diagrama din figura 4.13.

Tabelul 4.10. Conţinuturile procentuale de faze şi constituenţiîn structura oţelului carbon hipoeutectoid cu %C m = 0,4 %

Conţinutul procentual deTemperaturaFaze Constituenţi

t 0 100 % L 100 % L

t 1 100 % L 100 % L

t 2 + ∆t  68,2 % L; 31,8 % δ  68,2 % L; 31,8 % δ 

t 2 − ∆t  63,2 % L; 36,8 % γ  63,2 % L; 36,8 % γ t 3 100 % γ  100 % γ 

t 4 100 % γ  100 % γ 

t 5 + ∆t  50,7 % γ ; 49,3 % α  50,7 % γ ; 49,3 % α t 5 − ∆t  5,71 % Fe3C ; 94,29 % α  50,7 % P ; 49,3 % α t a 6,00 % Fe3C ; 94,00 % α  50,7 % P ; 49,15 % α ; 0,15 % Fe3C”’ 

Fig.4.13. Diagrama de variaţie în funcţie de temperatur ă a conţinuturilor procentualede faze din structura unui oţel carbon cu %C m = 0,4 %

Page 50: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 50/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

220

A.4.12. Să se analizeze precizia cu care relaţia (4.7) permite estimareaconcentraţiei masice de carbon a fontelor albe hipereutectice.

RezolvareRelaţia (4.7) permite estimarea concentraţiei masice de carbon a unei fonte

albe hipereutectice, dacă se cunoaşte conţinutul procentual masic de cementită primar ă %Fe3C’ din structura aliajului la t a. Evident, atunci când se examinează lamicroscopul metalografic un eşantion de fontă albă hipereutectică, se poate

aprecia conţinutul procentual volumic de cementită primar ă  '3% vC  Fe care intr ă în

alcătuirea structurii acesteia la t a  şi, ca urmare, utilizarea acestui conţinut  procentual în relaţia (4.7) poate fi o sursă de erori (un factor care diminuează

 precizia de estimare a concentraţiei masice de carbon a aliajului analizat).Dacă eşantionul de fontă albă hipereutectică analizat are masa M , volumulV  şi densitatea ρ , iar cementita primar ă din structura acestuia are masa '

3C  FeM  ,

volumul '3C  Fe

V   şi densitate C  Fe3ρ   ≅ 7600 kg/m3, se pot scrie următoarele relaţii:

C  FeC  Fe

C  FeC  Fe

v C  FeC  FeM 

3

'3

3

'3

'3'

3 %100100%ρ 

ρ 

ρ 

ρ === , din care rezultă:

ρ 

ρ  C  Fe

vC  FeC  Fe 3'3

'3 %% = ; înlocuind în aceasta, conform rezultatelor obţinute la

rezolvarea aplicaţiei A.4.6,

α ρ ρ 

ρ mm C 

C  Fe

C  %15100

3

%15100

−+

= , se obţine următoarea

relaţie de estimare a concentraţiei masice de carbon a fontelor albe hipereutectice:

100

%0113,01

100

%2945,23,4

'3

'3

%v

v

mC  Fe

C  Fe

+= . (4.9)

ObservaţieUtilizând raţionamente similare celui prezentat anterior, se pot corecta şi

relaţiile (4.4) … (4.6), astfel încât în acestea să intervină conţinuturile procentualevolumice ale constituenţilor din structura aliajului analizat; relaţiile corectate sunturmătoarele:

* pentru oţelurile hipoeutectoide:

100

%0037,01

100

%7471,002,0

%v

v

m P 

 P 

+= ; (4.10)

Page 51: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 51/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

221

* pentru oţelurile hipereutectoide:

100

%0282,01

%7100,577,0

"3

"3

100%v

v

mC  Fe

C  Fe

+

= ; (4.11)

* pentru fontele albe hipoeutectice:

100%0106,01

100%1445,211,2

%vr 

vr 

m  LedT 

 LedT 

C −

+= . (4.12)

Mărimea erorilor de estimare a concentraţiei masice de carbon a aliajelor sistemului Fe – Fe3C, care rezultă când în relaţiile (4.4) … (4.7) se introducconţinuturile procentuale volumice ale constituenţilor (stabilite prin examinarea lamicroscopul metalografic a unor eşantioane din aceste aliaje), în loculconţinuturilor procentuale masice ale acestora, sunt prezentate în tabelul 4.12.

Tabelul 4.11. Erorile de estimare cu relaţiile (4.4) …(4.7) a concentraţiilor masice de carbon ale aliajelor sistemului Fe – Fe3C

Oţeluri carbon hipoeutectoide Oţeluri carbon hipereutectoide%P v eroarea ε  ∗, % "

3% vC  Fe eroarea ε  ∗, %

0 0 0 020 0,28 5 0,7640 0,23 10 1,1360 0,16 15 1,32

80 0,09 20 1,41100 0,02 22 1,43

Fonte albe hipoeutectice Fonte albe hipereutectice%LedTr v eroarea ε  ∗, % '

3% vC  Fe eroarea ε  ∗, %

0 0 0 020 0,15 20 0,0940 0,19 40 0,1260 0,16 60 0,1180 0,10 80 0,07

100 0 100 0* eroarea ε  este calculată cu relaţia 100

)(%

%)(%

cor mC 

mC cor mC  −=ε  , (%C 

m)cor 

fiind

calculată cu relaţia din grupul (4.9) … (4.12), iar %C m – cu relaţia din grupul (4.4)…(4.7), corespunzătoare categoriei din care face parte aliajul analizat

Analizând rezultatele din acest tabel, se poate aprecia că erorile au valorinesemnificative şi, ca urmare, relaţiile (4.4) … (4.7) pot asigura o bună precizie aestimărilor concentraţiilor masice de carbon ale aliajelor sistemului Fe – Fe3C şi

când se fac înlocuirile %P  = %P v;"

3"

3 %% vC  FeC  Fe = ; %LedTr  = %LedTr v;

Page 52: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 52/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

222

'3'3 %% vC  FeC  Fe = ; această constatare se putea anticipa, având în vedere că încazul aliajelor sistemului Fe – Fe3C densitătile constituenţilor care alcătuiescstructurile aliajelor la t a  sunt foarte apropiate şi, în consecinţă, rapoartele dintredensităţile constituenţilor şi densităţile aliajelor se pot considera ca fiind unitare.

A.4.13. Să se determine conţinuturile procentuale de constituenţi dinstructura la t a a unei fonte albe hipereutectice cu %C m = 5,5 % şi să se stabileascăcompoziţia aliajului din sistemul Fe – Fe3C care are în structura la t a acelaşiconţinut procentual de ledeburită transformată ca şi această fontă.

RezolvareFonta albă hipereutectică are structura la t a alcătuită din ledeburită

transformată şi cementită primar ă. Utilizând diagrama structurală de constituenţi asistemului de aliaje Fe – Fe3C (v. fig. 4.2 şi fig. 4.9), rezultă următoareleconţinuturi procentuale masice ale acestor constituenţi în structura la t a a fontei

albe hipereutectice cu %C m  = 5,5 %: 4,49100%3,467,6

5,567,6 ==−−

 LedTr  % şi

6,50100%3,467,6

3,45,5'3 ==

−−

C  Fe %.

Analizând diagrama structurală de constituenţi a sistemului de aliajeFe – Fe3C, se observă că există o fontă albă hipoeutectică, ce are în structura la t a(alcătuită din ledeburită transformată, perlită  şi cementită secundar ă) acelaşiconţinut procentual de ledeburită transformată ca şi fonta albă hipereutectică cu%C m = 5,5 %; concentraţia masică de carbon a acestei fonte se calculează curelaţia (4.6): 19,319,211,2%

100

4,49=+=mC  %.

A.4.14. Să se determine conţinuturile procentuale de constituenţi dinstructura la t a a unui oţel carbon hipereutectoid cu %C m  = 0,9 % şi să sestabilească compoziţia aliajului din sistemul Fe – Fe3C care are în structura la t aacelaşi conţinut procentual de cementită secundar ă ca şi acest oţel.

R ăspuns: Conţinuturile procentuale ale constituenţilor care alcătuiescstructura la t a a oţelului hipereutectoid cu %C m = 0,9 % sunt: %P = 97,8 % şi%Fe3C” = 2,2 %; aliajul care are în structura la t a acelaşi conţinut procentual de

cementită secundar ă ca şi oţelul hipereutectoid cu %C m = 0,9 % este o fontă albăhipoeutectică cu %C m = 4,09 %.

A.4.15. Să se determine conţinuturile procentuale de constituenţi dinstructura la t a a unui oţel carbon hipoeutectoid cu %C m  = 0,25 % şi să sestabilească compoziţia aliajului din sistemul Fe – Fe3C care are în structura la t aacelaşi conţinut procentual de perlită ca şi acest oţel.

R ăspuns: Conţinuturile procentuale ale constituenţilor care alcătuiescstructura la t a a oţelului hipoeutectoid cu %C m = 0,25 % sunt: %P  = 30,7 %;

Page 53: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 53/54

 

Capitolul 4 Studiul aliajelor din sistemul Fier - Carbon

223

%α = 69,1 % şi %Fe3C ’’’  = 0,2 % (neglijabil); aliajul care are în structura la t aacelaşi conţinut procentual de perlită ca şi oţelul hipoeutectoid cu %C m = 0,25 %este o fontă albă hipereutectică cu %C m = 4,86 %.

A.4.16. Care din următoarele aliaje Fe – C are în structura la t a unconţinut procentual de perlită mai mare de 50%: a) oţelul carbon cuconcentraţia masică de carbon de 0,25 %; b) oţelul carbon cu concentraţiamasică de carbon de 1,5 %; c) fonta albă cu concentraţia masică de carbon de2,5 %; d) oţelul carbon cu concentraţia masică de carbon de 0,8 %;

R ăspuns: b); c); d).A.4.17. Care din următoarele aliaje prezintă în structura la ta cel mai mare

conţinut procentual de perlită: a) oţelul carbon cu concentraţia masică de carbonde 0,77 %; b) oţelul carbon eutectoid; c) fonta albă cu concentraţia masică decarbon de 2,11 %; d) fonta albă cu concentraţia masică de carbon de 4.3 %;

R ăspuns: a); b)A.4.18. O piesă cu grosimea  s = 40 mm se toarnă dintr-o fontă cu

concentraţia masică de carbon %C m = 3 % şi concentraţia masică de siliciu%Sim = 3 %. Să se analizeze transformările structurale la r ăcirea din stare lichidăale fontei şi să se precizeze structura acesteia (faze şi constituenţi) la t a.

RezolvareUtilizând diagrama structurală a fontelor prezentată în figura 4.5, rezultă

că materialul piesei, având grosimea  s = 40 mm şi %C m + %Sim = 3 + 3 = 6 %,

este o fontă cenuşie feritică. Transformările structurale la r ăcirea din stare lichidăa acestei fonte sunt cele descrise în scap. 4.4, iar structura sa la t a este alcătuită dinferită şi grafit lamelar (faze şi constituenţi).

A.4.19. O piesă cu grosimea  s = 20 mm se toarnă dintr-o fontă cuconcentraţia masică de carbon %C m = 3 % şi concentraţia masică de siliciu%Sim = 2 %. Să se analizeze transformările structurale la r ăcirea din stare lichidăale fontei şi să se precizeze structura acesteia (faze şi constituenţi) la t a.

R ăspuns: Materialul piesei este o fontă cenuşie perlitică; transformărilestructurale la r ăcirea din stare lichidă a acestei fonte sunt cele descrise în scap. 4.4, iar structura sa la t a conţine fazele: ferită, cementită şi grafit, care alcătuiesc constituenţii:

 perlită şi grafit lamelar.

A.4.20. O probă metalografică din fontă cenuşie feritică evidenţiază laexaminarea microscopică un conţinut procentual volumic al formaţiunilor de grafitlamelar  %Gr v = 10 %. Să se determine concentraţiile masice ale carbonului şisiliciului în această fontă.

RezolvareStructura la t a a fontei cenuşii feritice este alcătuită din ferită şi grafit lamelar.

Deoarece, la t a, solubilitatea carbonului în ferită este neglijabilă (nulă), rezultă că încazul acestei fonte întreaga cantitate de carbon se află sub formă de grafit (carbon

Page 54: Aliaje Din Sistemul Fier-carbon

5/8/2018 Aliaje Din Sistemul Fier-carbon - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aliaje-din-sistemul-fier-carbon 54/54

 

ELEMENTE DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR 

224

liber) şi, deci, concentraţia masică de carbon a fontei este egală cu conţinutul procentual masic al formaţiunilor de grafit din structura acesteia (%C m = %Gr m).

Folosind un raţionament similar celui de la rezolvarea aplicaţiei A.4.12,

rezultă: %C m  = %Gr m =ρ 

ρ Gr vGr % , în care ρ  este densitatea fontei analizate,

αρ

ρ+

=ρm

Gr 

m Gr Gr  %% 100

100 . Utilizarea acestor relaţii (considerând ρ Gr  = 2500 kg/m3 şi

ρ α = 7850 kg/m3) conduce la următoarea relaţie de calcul al concentraţiei masice decarbon a fontei cenuşii feritice:

 v

vm

Gr 

Gr C 

%0214,0143

%

,%

−= ; (4.14)

aplicând această relaţie pentru %Gr v = 10 %, rezultă o concentraţie masică de carbon%C m ≅ 3,4 %.

Concentraţia masică a siliciului în fontă %Sim se stabileşte, folosind diagramastructurală a fontelor (v. fig. 4.5), astfel încât structura să corespundă unei fontecenuşii feritice; deoarece în enunţul aplicaţiei nu se precizează grosimea piesei turnatedin care s-a extras proba metalografică, sunt valabile toate soluţiile de tipul redat întabelul 4.12.

Tabelul 4.12. Concentraţiile masice de siliciu ale pieselor cu structura

de fontă cenuşie feritică şi concentraţia masică a carbonului %C m = 3,4 %Grosimea piesei, mm 10 20 30 40 50 60(%C m + %Sim)min 6,4 5,8 5,4 5,0 4,6 4,3

(%Sim)min 3,0 2,4 2,0 1,6 1,2 0,9

A.4.21. Un eşantion metalografic extras dintr-o piesă din fontă cenuşie perlitică, cu grosimea s = 10 mm, evidenţiază la examinarea microscopică un conţinut procentual volumic al formaţiunilor de grafit lamelar %Gr v = 7 %. Să se determineconcentraţiile masice ale carbonului şi siliciului în materialul piesei din care s-a extraseşantionul.

R ăspuns: Piesa din care s-a extras eşantionul metalografic este din fontă

cenuşie perlitică cu %C m = 3,2 % şi %Sim = 1,4 % … 2,8 %.