دیاگرام آهن کربن، راهنمایی است که به کمک آن می‌توان روش‌های مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. بیشتر فولادها دارای عناصر آلیاژی دیگری به‌جز آهن و کربن هستند و این عناصر موقعیت مرز بین نواحی فازی را نسبت به فولادهای کربنی ساده تغییر می‌دهند. بنابراین، نمودار فازی آهن کربن باید فقط به‌عنوان یک راهنما استفاده شود.

دیاگرام فازی آهن- کربن اطلاعات جامعی را در مورد انواع فازها و ساختارهای فولاد و چدن در اختیار ما قرار می‌دهد. این نمودار که در فشار ثابت ۱ اتمسفر رسم شده است، دارای متغیرهایی به نام دما و ترکیب شیمیایی یا همان درصد کربن است. در ادامه، با نکات مختلف این دیاگرام آشنا خواهیم شد و یاد خواهیم گرفت که چگونه از روی نمودار فازی آهن- کربن، رفتار فولادها را پیش‌بینی نماییم.

 

دیاگرام آهن کربن چیست ؟

نمودار فازی آهن کربن رابطه بین درصد کربن با دما، فازها و ساختارهای تعادلی موجود، مرز بین نواحی فازی مختلف، دماهای بحرانی و غیره را در فولادها و چدن‌ها نشان می‌دهد. باوجوداینکه می‌توان هر مقدار کربن در ساختار یک آلیاژ آهنی وجود داشته باشد، اما از نظر مهندسی، تنها تا مقدار ۶٫۶۷ درصد کربن در این دیاگرام دارای اهمیت است و بنابراین، این نمودار پس‌ازاین مقدار کربن رسم نمی‌شود.

این دیاگرام در فشار ۱ اتمسفر صادق است. تحت فشارهای بیشتر، فصل مشترک‌های بین نواحی مختلف فازی تغییر مکان داده و همچنین فازهای جدیدی به وجود می‌آیند. به‌عنوان‌مثال، آهن خالص تحت فشارهای زیاد به صورت آهن با شبکه بلوری HCP (Hexagonal Close Packed) یا منشور فشرده درمی‌آید.

همچنین، ترکیب شیمیایی در این نمودار معمولاً بر حسب درصد وزنی مشخص شده و با علامت درصد نشان داده می‌شود. مگر اینکه درصدهای دیگری مانند درصد اتمی ذکر شوند. مهم‌ترین کاربرد دیاگرام تعادلی آهن- کربن در بررسی علمی انواع روش‌ های عملیات حرارتی است.

کربن مهم‌ترین عنصر آلیاژی در آهن است. به همین دلیل، حتی کوچک‌ترین تغییرات در محتوای کربن می‌تواند تغییرات گسترده‌ای در ویژگی‌های فولاد و چدن داشته باشد. با این حال، اگر فولادها به سرعت سرد یا گرم شوند، اهمیت نمودار فاز آهن-کربن به سرعت کاهش می‌یابد. همچنین، اگر نسبت سایر عناصر آلیاژی افزایش یابد، نمودار نیز معنی کمتری خواهد داشت.

 

انواع نمودار آهن- کربن

کربن به دو شکل مختلف وجود دارد که شامل حالت پیوندی و نیز کربن اولیه به شکل گرافیت می‌شود. به همین دلیل است که نمودار فاز آهن-کربن به دو شکل ظاهر می‌شود. یک سیستم پایدار با نمودار آهن و گرافیت (Fe-Graphite) و یک سیستم فراپایدار با نمودار آهن و سمنیت (Fe-Fe₃C). هر دو سیستم را می‌توان در یک نمودار نشان داد، اگرچه در عمل بیشتر از سیستم غیرپایدار Fe-Fe₃C استفاده می‌شود.

گرافیت حالتی از کربن بوده که بسیار پایدارتر از سمنتیت است و در صورتی که به سمنتیت فرصت داده شود، سرانجام به گرافیت تجزیه خواهد شد. به همین دلیل، گرافیت زایی در فولادها به ندرت انجام می‌شود و درنتیجه، نمودار آهن- سمنتیت به منظور مطالعه و بررسی عملیات حرارتی فولادها مناسب‌تر است.

در چدن‌ها، وجود مقادیر بالا از کربن و سیلیسیم، تجزیه سمنتیت و تشکیل گرافیت را ترغیب می‌کند. بنابراین، مطالعه رفتار چدن‌ها براساس نمودار آهن- گرافیت استوار است.

 

فازها و ساختارها در نمودار آهن کربن

فاز به بخشی از یک سیستم گفته می‌شود که از نظر شیمیایی و فیزیکی، مقدار ماده‌ای یکنواخت یا همگن است که می‌تواند به طور مکانیکی (مرز) از یک مخلوط غیر همگن جدا شود و ممکن است از یک ماده یا مخلوطی از مواد تشکیل شده باشد.

اما ساختار به شبکه‌های بلوری گفته می‌شود که شامل چیدمان مرتبی از اتم‌ها در سه بعد فضایی است. به طور کلی، تمامی مواد در ۱۴ ساختار مختلف می‌توانند متبلور شوند که از آن‌ها تحت عنوان ۱۴ شبکه برآوه یاد می‌شود. با این حال، اکثر فلزات و مواد مهندسی در تعداد محدودی از این ۱۴ ساختار شکل می‌گیرند.

ساختار FCC یا Face Centered Cubic که به آن ساختار مکعبی وجه پر می‌گویند و نیز ساختار BCC یا Base Centered Cubic که به آن ساختار مکعبی مرکز پر گفته می‌شود، مهم‌ترین ساختارها در فولادها هستند.

 

فازهای آهن خالص

آهن آلفا

آهن آلفا یا آهن فریتی دارای شبکه بلوری مکعبی مرکز پر یا BCC است که از در محدوده دمایی زیر ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد پایدار است. آهن آلفا تا دمای زیر ۷۷۰ درجه سانتی‌گراد دارای خاصیت آهنربایی است و در بالاتر از این دما، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. این دما نیز به دمای کوری معروف است.

 

آهن بتا

آهن با ساختار بلوری BCC که در محدوده ۷۷۰ تا ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد پایدار است و خاصیت آهنربایی ندارد، تحت عنوان آهن بتا شناخته می‌شود.

 

آهن گاما

آهن گاما یا آهن آستنیتی با شبکه بلوری FCC، در محدوده دمایی بین ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتی‌گراد پایدار است. به دلیل اینکه فضای خالی بین شبکه بلوری آهن آلفا از آهن گاما بیشتر است، تبدیل آهن گاما به آهن آلفا با افزایش حجم همراه است.

 

آهن دلتا

آهن دلتا آخرین فازی است که می‌تواند در آهن خالص قبل از ذوب آن وجود داشته باشد. این فاز دارای شبکه بلوری BCC بوده و به دلتا فریت نیز معروف است و در بالای دمای ۱۳۹۴ و تا ۱۵۳۸ درجه سانتی‌گراد پایدار است.

 

انواع فازها در فولاد

فریت

محلول جامد بین نشین کربن در آهن آلفا با شبکه بلوری BCC به فریت موسوم است که در زیر ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد پایدار است. حد حلالیت کربن در فریت مطابق با دیاگرام آهن کربن، حداکثر ۰٫۰۲۵ درصد در دمای ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد و حداقل ۰٫۰۰۸ درصد در دمای اتاق است. فریت نرم‌ترین فازی است که در این دیاگرام یافت می‌شود. همچنین فریت دارای خاصیت مغناطیسی نیز هست. فاز فریت در نمودار آهن کربن با حرف یونانی آلفا نمایش داده می‌شود.

 

آستنیت

آستنیت به صورت محلول جامد بین نشین کربن در آهن گاما با شبکه بلوری FCC تعریف می‌شود که در گستره دمایی بین ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتی‌گراد پایدار است. حد حلالیت کربن در آستنیت در دمای ۱۱۴۸ درجه سانتی‌گراد و به میزان ۲٫۱۱ درصد است. این فاز از سختی و شکل‌پذیری خوبی برخوردار است اما خاصیت مغناطیسی ندارد. این فاز با حرف یونانی گاما در نمودار مشخص می‌شود.

از این فاز در عملیات حرارتی فولادها بسیار استفاده می‌شود به‌طوری‌که برای سخت کردن انواع فولادها، آن‌ها را تا دمایی معین حرارت می‌دهند تا آستنیته شوند و سپس با سرعت‌هایی معین سرد می‌کنند. لازم به ذکر است که فولادهای آستنیتی قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی را ندارند؛ بلکه این سایر فولادهای با ساختارهای غیر آستنیتی هستند که به منظور سخت‌کاری، آن‌ها را آستنیته می‌کنند.

 

سمنتیت

در صورتی که درصد کربن در فولادها بیشتر از حد حلالیت آن در آستنیت و یا فریت باشد، فاز جدیدی موسوم به کاربید آهن یا سمنتیت به وجود می‌آید. سمنتیت یک ترکیب بین فلزی کربن با آهن است و به کاربید آهن (Fe₃C) معروف است و فوق‌العاده سخت و شکننده است. این فاز دارای شبکه بلوری مکعب مستطیلی موسوم به اورتورومبیک است و دمای ذوب آن به حدود ۱۲۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

در دیاگرام آهن کربن، چدن با مقدار ۶٫۶۷ درصد کربن دارای ساختار کامل سمنتیت است. سمنتیت آزاد در تمام فولادهای حاوی بیش از ۰٫۸۳ درصد کربن یافت می‌شود. همانطور که در نمودار تعادل Fe-C منعکس شده است، با افزایش درصد کربن، مقدار سمنیت نیز افزایش می‌یابد.

اعتقاد بر این است که سختی و شکنندگی چدن به دلیل وجود سمنتیت است که استحکام کششی را کاهش می‌دهد. این فاز برخلاف استحکام کششی کمی که دارد، دارای استحکام فشاری بسیار زیادی است. سمنتیت زمانی تشکیل می‌شود که کربن ترکیبات مشخصی را با آهن به شکل کاربیدهای آهن که طبیعت بسیار سختی دارند، تشکیل می‌دهد. سمنتیت در زیر ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد دارای خاصیت مغناطیسی است.

 

پرلیت

پرلیت یک ترکیب یوتکتوئیدی و ساختاری لایه لایه از فریت و سمنتیت است که از ۰٫۸ درصد کربن تشکیل شده است. بنابراین یک فاز نیست و مخلوطی از دو فاز است. این فاز در اثر سرمایش آهسته و در زیر دمای ۷۲۳ درجه سانتی‌گراد ایجاد می‌شود. پرلیت به‌ویژه در فولادهای کربن متوسط و کم کربن به شکل مخلوط مکانیکی فریت و سمنتیت به نسبت ۸۷ به ۱۳ وجود دارد. پرلیت دارای استحکام نسبتاً خوب، سختی مناسب و انعطاف‌پذیری خوب است و به صورت لایه‌های متناوب روشن و تیره ساخته می‌شود.

این لایه‌ها به طور متناوب فریت و سمنتیت هستند و مشابه اثرانگشت بر روی کاغذ هستند. هنگامی که پرلیت با کمک میکروسکوپ دیده می‌شود، سطح ظاهری شبیه به صدف مروارید دارد، از این رو به آن پرلیت می‌گویند. فولادهای سخت مخلوطی از پرلیت و سمنتیت هستند، در حالی که فولادهای نرم مخلوطی از فریت و پرلیت هستند. تشکیل پرلیت یک فرآیند مستلزم نفوذ است.

 

مارتنزیت

معمولاً در پاسخ به این سؤال که مارتنزیت چیست، گفته می‌شود مارتنزیت به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن آستنیت یا فولادهای کربنی گفته می‌شود. اما این در واقع نحوه تشکیل مارتنزیت است نه تعریف دقیقی از ماهیت این فاز.

مارتنزیت در واقع محلول جامد کربن در آهن با ساختار BCT یا Base Centered Tetragonal است. تشکیل مارتنزیت یک دگرگونی بدون نفوذ است و توسط یک مکانیزم برشی به وجود می‌آید که در آن، اتم‌های زیادی با همدیگر و به طور هم‌زمان جابجا می‌شوند. مارتنزیت به دو شکل لایه‌ای و بشقابی وجود دارد. مخلوطی از مارتنزیت بشقابی و لایه‌ای، مارتنزیت مختلط را تشکیل می‌دهند.

ازآنجایی‌که در تشکیل مارتنزیت نفوذ نقشی ندارد، مارتنزیت فازی ناپایدار است. اگر مارتنزیت تا دمایی حرارت داده شود که‌اتم های کربن قدرت تحرک کافی به منظور نفوذ پیدا کنند، از فضاهای خالی هشت‌وجهی خارج ‌شده و سمنتیت را تشکیل می‌دهند. تجزیه مارتنزیت به ساختارهای دیگر در اثر حرارت‌دهی، که برگشت دادن یا عملیات تمپرکردن (تمپرینگ) نام دارد، در عملیات حرارتی فولادها بسیار استفاده می‌شود.

 

بینیت

بینیت در فولادها در گستره دمایی بین پایین‌ترین دمای تشکیل پرلیت و بالاترین دمای تشکیل مارتنزیت تشکیل می‌شود. مهم‌ترین مشخصه دگرگونی بینیتی، طبیعت دوگانه آن است. بدین صورت که دگرگونی بینیتی از بعضی جنبه‌ها شبیه به دگرگونی پرلیتی و از برخی جنبه‌ها مشابه دگرگونی مارتنزیتی است.

بینیت یک فاز نیست بلکه مخلوطی از دو فاز فریت و سمنتیت است. بنابراین، دگرگونی بینیتی نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی دارد و درنتیجه، برای انجام آن نفوذ کربن لازم است. براساس میکروساختارها، دو شکل عمده بینیت وجود دارد که شامل بینیت بالایی و بینیت پایینی می‌شوند.
بینیت بالایی یا بینیت پرشکل، در گستره دمایی درست زیر دمای تشکیل پرلیت به وجود می‌آید. بینیت پایینی یا بینیت سوزنی شکل نیز در دماهای نزدیک به دمای تشکیل مارتنزیت تشکیل می‌شود.

 

لدبوریت

لدبوریت یک مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمنتیت است که شامل ۴٫۳ درصد کربن بوده و در دمای ۱۱۳۰ درجه سانتی‌گراد تشکیل می‌شود. لدبوریت ساختار فولادی نیست، زیرا سطح کربن آن بسیار بالا است. اگرچه ممکن است به عنوان یک ترکیب جداگانه در برخی از فولادهای کربن بالا وجود داشته باشد.

 

فریت دلتا

در دیاگرام آهن کربن، فریت دلتا عبارت است از محلول جامد بین نشین کربن در آهن دلتا. فریت دلتا فقط از نظر علمی مورد توجه قرار گرفته است و کاربرد صنعتی چندانی ندارد. چراکه دمای معمولی به منظور شروع عملیات حرارتی فولادها در ناحیه آستنیت است و فریت دلتا نیز در دماهای پایین‌تر به آستنیت تبدیل می‌شود.

ازآنجایی‌که فریت دلتا اولین فازی است که در ضمن انجماد و جوشکاری فولادها تشکیل می‌شود، شیب‌های غلظتی ناشی از عناصر آلیاژی و یا ناخالصی‌ها و همچنین جدایش بین دندریتی در ضمن تشکیل این فاز به وجود می‌آیند. درنتیجه، از نظر انجماد و فولادسازی این فاز اهمیت دارد. با نحوه تولید فولاد در این لینک آشنا شوید.

 

دماهای بحرانی در دیاگرام آهن کربن

فصل مشترک‌های بین نواحی فازی مختلف در نمودار تعادلی آهن کربن، مشخص‌کننده دماهای تعادلی دگرگونی‌های مختلفی هستند که ممکن است در آلیاژهای آهن- کربن انجام شود. دماهای دگرگونی اغلب به دماهای بحرانی موسوم‌اند و عبارت‌اند از دماهایی که تغییراتی در انتقال حرارت و یا حجم نمونه در اثر گرمایش یا سرمایش مشاهده می‌شود. دماهای بحرانی را با حرف A نشان می‌دهند که اول کلمه Arrest و به معنی توقیف یا بازداشتن است.

مهم‌ترین دماهای بحرانی در نمودار آهن کربن شامل موارد زیر می‌شوند:

• A₁: مرز ناحیه دو فازی فریت- سمنتیت و یکی از نواحی دو فازی فریت- آستنیت یا سمنتیت- آستنیت است.
• A₂: دمایی در حدود ۷۷۰ درجه سانتی‌گراد که در آن آهن خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد و به دمای کوری معروف است.
• A₃: فصل مشترک ناحیه دو فازی فریت- آستنیت و ناحیه تک فازی آستنیت است.
• A₄: دمایی است که در آن آستنیت به آهن دلتا تبدیل می‌شود. کمترین مقدار برای این دما ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد است که در مورد آهن خالص است.
• A_cm: فصل مشترک بین ناحیه دو فازی سمنتیت- آستنیت و ناحیه تک فاز آستنیت است.

دگرگونی‌هایی که در دماهای بحرانی A₁، A₃ و A_cm انجام می‌شوند، تابع نفوذ هستند. بنابراین، این دماهای بحرانی تابع آهنگ گرمایش، آهنگ سرمایش و همچنین ترکیب شیمیایی فولاد هستند. در دیاگرام فازی تعادلی آهن کربن، اثرات آهنگ گرمایش و آهنگ سرمایش توسط یک سری حروف قراردادی به ترتیب با Ac و Ar مشخص می‌شوند.

 

واکنش ‌های هم دما در نمودار آهن کربن

سه واکنش هم دما در دیاگرام فازی آهن- کربن وجود دارد که عبارت‌اند از:

• دگرگونی یوتکتوئیدی: دگرگونی‌هایی که در آن‌ها یک فاز جامد به دو فاز جامد کاملاً متفاوت تبدیل می‌شوند. این واکنش در مورد نمودار آهن- کربن شامل تجزیه آستنیت به فریت و سمنتیت است که در دمای ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد.
• دگرگونی یوتکتیک: این دگرگونی شامل تبدیل یک فاز مذاب به دو فاز جامد کاملاً متفاوت است. تبدیل فولاد مذاب به مخلوطی از فازهای جامد آستنیت و سمنتیت در دمای ۱۱۳۰ درجه سانتی‌گراد که منجر به تشکیل لدبوریت می‌شود از این نوع است.
• دگرگونی پریتکتیک: تبدیل مخلوطی از یک فاز مذاب و یک فاز جامد به یک فاز جامد دیگر که متفاوت از جامد اولی است. این دگرگونی در دمای ۱۴۹۰ در نمودار آهن کربن اتفاق می‌افتد.

 

سؤالات متداول

۱- چرا به دیاگرام آهن کربن دیاگرام تعادلی گفته می‌شود؟

کاربید آهن یا سمنتیت را فاز فراپایدار می‌نامند. بنابراین، نمودار سمنتیت- آهن حتی اگر از نظر فنی بیانگر شرایط ناپایدار باشد، می‌تواند به عنوان نمایانگر تغییرات تعادلی، تحت شرایط گرمایش و سرمایش نسبتاً آهسته در نظر گرفته شود.

 

۲- مارتنزیت چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

مارتنزیت محلول جامد کربن در آهن با ساختار BCT است که از سرمایش سریع آستنیت حاصل می‌شود.

 

۳- نرم‌ترین و سخت‌ترین فازهای دیاگرام آهن کربن کدام اند؟

سمنتیت سخت‌ترین و فریت نرم‌ترین فازهای موجود در این دیاگرام هستند.

 

۴- دمای کوری چیست؟

دمایی که در آن، آهن خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهد که در حدود ۷۷۰ درجه سانتی‌گراد است.

 

۵- واکنش‌های هم دما در نمودار آهن کربن کدام اند؟

این واکنش‌ها شامل یوتکتیک، یوتکتوئید و پریتکتیک هستند.