فازها وساختارهای بلوری

فهرست مطالب

فازها وساختارهاي بلوري 4
1-2 نمودار تعادلي آهن – كربن 6
1-2-1 ساختارهاي بلوري و خواص آهن خالص 7
الف: آهن آلفا 8
ب: آهن گاما 8
ج: آهن دلتا 9
الف: آستنيت 11
ب: فريت 12
چ: فريت دلتا 14
1-3 توزيع و اثرات عناصر آلياژي در فولادها 18
1-3-1 فاز كاربيد در فولادهاي آلياژي 21
كاربيدهاي گروه I 21
كاربيدهاي گروه I 23
1-3-2 اثرات عناصر آلياژي بر روي فريت 23
دگرگوني يوتكتوييدي 25
ساختار پرليت 26
فازهاي پرويوتكتوييد 29
2-7 تشكيل فازهاي پرويوتكتوييد 31
تشكيل پرليت در فولادهاي حاوي عناصر آلياژي 34
مارتنزيت و دگرگوني مارتنزيتي 34
3-3 سينتيك تشكيل هارتنزيت 38
3-4 شكلهاي مختلف مارتنزيت در فولادها 40
3-4-1 مارتنزيت بشقابي 41
3-4-2 مارتنزيت لايه اي شكل 42
3-5-1 بينيت بالايي 46
3-5-2 بينيت پاييني 47
نمودارهاي دگرگوني همدما (IT) 52
4-3 اصول استفاده از نمودارهاي دگرگوني همدما 54
رسم شده 54
4-4 نمودارهاي دگرگوني در ضمن سرد كردن پيوسته (CT) 56
اصول استفاده از نمودارهاي دگرگوني غير همدما (سرد شدن پيوسته) 60
4-7 نمودارهاي TTT مربوط به فولادهاي آلياژي 62
5-3-2 آنيل همدها 68
5-5- كروي كردن 72
5-6 بازيابي و تبلور مجدد 74
5-6-2 تبلور مجدد 76
5-7  تنش گيري 77

فازها وساختارهاي بلوري
1-1 مقدمه
فولادها گروهي از آلياژهاي آهن – كربن و عناصر ديگرند كه بيشترين كاربرد را در صنعت و فن آوري  دارند. يكي از دلايل اصلي كاربرد وسيع فولادها از خواص كاملاً متنوعي كه مي توان به كمك روشهاي مختلف عمليات حرارتي در آنها به وجود آورد. در شكل 1-1 اثر درصد كربن و عمليات حرارتي مختلف بر روي ميكروساختار، استحكام تسليم و انعطاف پذيري فولادهاي كربني ساده نشان داده شده است. با افزايش كربن از تقريباً صفر در صد تا 8/0 درصد استحكام تسليم از    103 Mpa (1500psi) به 448 Mpa (65000 psi) افزايش يافته و انعطاف پذيري از 62 درصد به 14 درصد كاهش مي يابد. اگر فولاد ياد شده به مدت يك ساعت در 1000 درجة سانتگيراد حرارت داده شود و سپس به آهستگي (به عنوان مثال در مدت 24 ساعت) تا 25 درجة سانتگيراد سرد شود، ميكروساختار نشان داده شده در شكل 1-1 (ج) به دست مي آيد. فولاد ياد شده داراي استحكام تسليم 448 Mpa (6500 psi) و انعطاف پذيري 14 درصد است. ليكن، اگر فولاد ياد شده به مدت يك ساعت در 1000 درجة سانتگيراد حرارت داده شود و سپس خيلي سريع (سرد كردن در آب) تا 25 درجة سانتيگراد سرد شود ميكروساختار كاملاً تغيير كرده و مشابه شكل 1-1 (هـ) خواهد شد. در اين حالت استحكام تسليم تا    2070 Mpa (300000 psi) افزايش يافته و انعطاف پذيري تا 1 درصد كاهش مي يابد. گرچه سرد كردن فولاد در آب باعث افزايش استحكام آن مي شود، ولي شكنندگي آن را نيز افزايش مي دهد. اگر فولاد در آب سرد شده را مجدداً حرارت داده و به مدت يك ساعت در 500 درجة سانتگيراد نگه داشته و سپس تا دماي اتاق سرد كنيم ميكروساختار نشان داده شده در شكل 1-1 (و) به دست مي آيد. در اين حالت انعطاف پذيري تا 7 درصد افزايش مي يابد ولي استحكام تسليم به 966 Mpa (140000 psi) كاهش خواهد يافت. كاربرد وسيع فولادها ناشي از خواص كاملاً متنوع آنهاست كه به كمك تغيير درصد كربن و/ يا تغيير درصد عناصر آلياژي و/يا تغيير نوع عمليات حرارتي امكانپذير است. گستردة وسيع خواص متنوع فولادها ناشي از نوع، مقدار، اندازه و توزيع فازهاي مختلف (به عنوان مثال سمنتيت يا كاربيد آهن (Fe3C) است.

1-2 نمودار تعادلي آهن – كربن
نمودار تعادلي آهن – كرب (Fe-C) راهنمايي است كه به كمك آن مي توان روشهاي مختلف عمليات حرارتي را بررسي و مطالعه كرد. از آنجايي كه بيشتر فولادها داراي عناصر آلياژي ديگري بجز آهن و كربن اند و اين عناصر موقعيت مرز بين نواحي فازي را نسبت به فولادهاي كربني ساده تغيير مي دهند، نمودار تعادلي آهن- كربن بايد فقط به عنوان يك راهنما استفاده شود. ساختارهاي ناتعادلي حاصل از بعضي از روشهاي عمليات حرارتي (به عنوان مثال سرد كردن فولادها در آب) باعث مي شود كه كاربرد نمودار تعادلي آهن – كربن در عمليات حرارتي محدودتر شود. فولادها آلياژهاي آهن-كربن و عناصر ديگر بوده كه داراي كمتر از 2 درصد كربن (معمولاً يك و يا كمتر از آن) اند. بنابراين، قسمتي از نمودار كه داراي كمتر از 2 درصد كربن است بيشترين اهميت را در رابطه با عمليات حرارتي فولادها دارد. خط ممتد، تعادل بين فازهاي مختلف آهن و سمنتيت (Fe3¬C) و خط منقطع، تعادل بين فازهاي مختلف آهن و گرافيت يا كربن آزاد را مشخص مي كند. گرافيت حالتي از كربن بوده كه بسيار پايدارتر از سمنتيت است و در صورتي كه به سمنتيت فرصت داده شود سرانجام به گرافيت تجزيه خواهد شد. در فولادها گرافيت زايي   به ندرت انجام و به همين دليل نمودار آهن- سمنتيت جهت مطالعه و بررسي عمليات حرارتي فولادها مناسبتر است. در چدنها، وجود مقادير كربن و سيليسيم نسبتاً بالاتر تجزينه سمنتيت و تشكيل گرافيت را ترغيب مي كند. بنابراين فن آوري چدنها بيشتر بر اساس نمودار آهن- گرافيت استوار است.
نمودار شكل 1-2 فقط در فشار يك اتمسفر صادق است. تحت فشارهاي بيشتر فصل مشتركهاي بين نواحي مختلف فازي تغيير مكان داده و همچنين فازهاي جديدي به وجود مي آيند. آهن خالص، تحت فشارهاي زياد، آهن با شبكة بلوري منشور فشرده (hcp) موسوم به آهن اپسيلن   به وجود مي آيد. نقطة سه گانه بين آهن آلفا، آهن گاما و آهن اپسيلن در 770 درجة كلوين و 110 كيلوبار است.
1-2-1 ساختارهاي بلوري و خواص آهن خالص
آهن عنصري چند شكلي است. بدين معني كه در فشار يك اتمسفر با افزايش دما، شبكة بلوري آن تغيير مي كند. آهن آلفا يا آهن فريتي از صفر مطلق تا 912 درجة سانتيگراد آهن گاما يا آهن آستنيتي در دماهايي بين 912-1394 درجة سانتيگيراد و آهن دلتا از 1394 درجة سانتيگراد تا نقطة ذوب آهن خالص يا 1538 درجة سانتگيراد پايدار است.
الف: آهن آلفا
آهن آلفا يا آهن فريتي جزء سيستم مكعبي بوده و شبكة بلوري آن مكعب مركزدار (bcc)  است (شكل 1-3). بدين صورت كه تمام اضلاع آن مساوي بوده (به طول a) و بر همديگر عمودند. جمع كل اتمهاي واحد شبكه برابر با يك اتم در مركز مكعب به علاوه  از 8 اتم موجود در گوشه هاست كه برابر 2 اتم مي شود.
پارامتر شبكة آهن آلفا در دماي اتاق 86/2 انگسترم (nm 286/0) است. قطرهاي اصلي واحد شبكة bcc در جهات > 111< است كه همان جهات با چگالي زيادند. اتم مركزي داراي 8 اتم همسايه با نزديكترين فاصله از آن است. فاصلة مراكز اتمهاي ياد شده از مركز اتم مركزي برابر با نصف قطر اصلي يا   است.
ب: آهن گاما
واحد شبكة بلوري آهن گاما يا آهن آستنيتي در شكل 1-4 نشان داده شده است. آهن گاما نيز متعلق به سيستم بلوري مكعبي است ولي داراي شبكه بلوري مكعب با سطوح مركز دار (fcc)   است. هر اتم بر روي صفحة جانبي، بين دو واحد شبكه و هر اتم در گوشه ها، بين 8 واحد شبكه مشترك است. بنابراين از 6 اتم موجود در صفحات جانبي فقط 3 اتم و از 8 اتم موجود در گوشه ها، فقط يك اتم به هر واحد شبكه تعلق دارد كه جمعاً 4 اتم در هر واحد شبكه وجود خواهد داشت.
پارامتر شبكه آهن گاما برابر با 56/3 آنگسترم (nm 356/0) بوده و بنابراين بزرگتر از پارامتر شبكة آهن آلفا است. ليكن، ساختار بلوري با چگالي زياد و وجود 4 اتم در واحد شبكة آهن گاما باعث شده است كه چگالي آن از چگالي آهن آلفا بيشتر شود. به بيان ديگر فضاي خالي بين اتمها در شبكة بلوري آهن آلفا نسبت به آهن گاما بيشتر است. در حقيقت، تفاوت بين ضريب تراكم دو شبكة آلفا و گاما باعث مي شود كه تبديل آهن گاما به آهن آلفا همراه با افزايش حجم باشد. اين موضوع در شكل 1-5 نشان داده شده است.
در شبكة بلوري fcc جهات با چگالي زياد، منطبق بر قطرهاي صفحات جانبي يا جهات >110< اند. در اينجا 12 اتم در همسايگي همديگر به نحوي قرار دارند كه فاصلة مراكز اتمهاي همسايه از يكديگر برابر  است.
ج: آهن دلتا
آخرين فازي كه ممكن است در آهن خالص وجود داشته باشد، آهن دلتا با شبكة bcc بوده و از نظر بلورشناسي مشابه آهن آلفا است. هم چنانكه از شكل 1-5 مشخص است افزايش حجم ناشي از تبديل آهن گاما به آهن دلتا درست برابر افزايش حجم ناشي از تبديل آهن گاما به آهن آلفا است. آهن دلتا فقط در دماهاي نزديك نقطة ذوب آهن تشكيل مي شود. (شكل 1-2)
نكته ديگري كه در رابطه با آهن خالص بايد بدان اشاره شود، خاصيت آهنربايي آن است. آهن تا 770 درجة سانتگيراد خاصيت آهنربايي دارد و از اين دما بالاتر خاصيت آهنربايي خود را از دست مي دهد. دماي ياد شده به دماي كوري  موسوم است (شكل 1-2). آهن با شبكة بلوري bcc كه خاصيت آهنربايي ندارد (در بين دماهاي 770-912 درجة سانتيگراد) به آهن بتا   موسوم است. بنابراين به صورت خلاصه، آهن آلفا خاصيت آهنربايي داشته در حالي كه آهنهاي بتا و گاما خاصيت آهنربايي ندارند.
1-2-2 اثر كربن
اضافه كردن كربن به آهن اثرات بسيار مهمي بر روي فازهاي ياد شده و همچنين دماهاي تعادلي آنها دارد. از جمله مشخصه هاي بارز نمودار تعادلي آهن – كربن، عبارت از تفاوت توانايي آهنهاي bcc و fcc در انحلال كربن است. كربن در فضاي خالي بين اتمهاي آهن در شبكه هاي بلوري bcc و fcc (به صورت بين نشيني) جاي گرفته و به ترتيب محلولهاي جامد بين نشيني فريت و آستنيت را به وجود مي آورد. از جمله مشخصه هاي ديگر نمودار تعادلي ‎آهن –كربن، وجود كاربيد آهن يا سمنتيت (Fe3C) است.
الف: آستنيت
آستنيت عبارت از محلول جامد بين نشيني كربن در آهن با شبكة بلوري مكعبي با وجوه مركزدار (fcc) است. كربن با وارد شدن در شبكة بلوري آهن آستنيتي، ناحية تشكيل و پايداري آستنيت را در فولادها گسترش مي دهد. با اضافه شدن كربن ناحيه پايداري آستنيت از 912 تا 1394 درجة سانتيگيراد كه گستردة تشكيل و پايداري آهن آستنيتي است، به گستردة وسيعي از دما و تركيب شيميايي، افزايش مي يابد. حداكثر حلاليت كربن در آستنيت، در 1148 درجة سانتگيراد است كه به 11/2 درصد مي رسد.
در شبكة بلوري fcc دو نوع فضاي خالي بين نشيني وجود دارد كه مي توانند محلهاي مناسبي براي قرار گرفتن اتمهاي كربن باشند. اين فضاها كه به هشت وجهي  و چهار وجهي  موسوم اند. نام دو نوع فضاي خالي از تعداد صفحات جانبي چند وجهيهايي گرفته شده كه رئوس آنها اتمهاي آهني هستند كه آن فضا را احاطه كرده اند. يك اتم كربن اگر در يك فضاي هشت وجهي قرار گيرد، داراي 6 اتم آهن در مجاور خود و اگر در يك فضاي چهار وجهي قرار گيرد، داراي 4 اتم آهن در مجاور خود خواهد بود.
اندازه هاي اين دو نوع فضاي خالي، به طور قابل ملاحظه اي با يكديگر متفاوت است. آستنيت، با فرض اينكه اتمهاي آهن كروي بوده و در تماس با يكديگر باشند يك فضاي هشت وجهي قادر است اتمي به شعاع 52/0 انگسترم (nm 052/0) را در خود جاي دهد. در حالي كه يك فضاي چهار وجهي مي تواند اتمي به شعاع 28/0 انگسترم (nm 028/0) را در خود بپذيرد. با توجه به اينكه شعاع اتمي كربن برابر با 7/0 انگسترم (nm 07/0) است، فضاهاي هشت وجهي راحت تر از فضاهاي چهار وجهي مي توانند اتمهاي كربن را در خود جاي دهند. البته لازم به تذكر است كه حتي براي نشستن اتمهاي كربن در فضاهاي هشت وجهي نيز نياز به انبساط شبكه اي است.
ب: فريت
محلول جامد بين نشيني كربن در آهن با شبكة بلوري مكعب مركزدار   (bcc)  به فريت موسوم است. حلاليت كربن در آهن فريتي (bcc) به مراتب كمتر از حلاليت آن در آهن آستنيتي (fcc) است. به طوري كه حد حلاليت كربن در فريت حداكثر 02/0 درصد در 727 درجه سانتگيراد است كه با كاهش دما به طور پيوسته كاهش يافته و در دماي اتاق به مقدار ناچيزي خواهد رسيد.