آهن

آهن پرمصرف‌ترین و پرکاربردترین فلز صنعتی است که بشر دست به استخراج و شکل دهی به آن نموده است که با وقوع انقلاب صنعتی بر مصرف و کاربرد این ماده افزوده شد. آهن خام به صورت طبیعی در طبیعت یافت نمی‌شود و آهن خالص فلزی نرم بوده که فاقد استحکام و سختی مناسب است به همین دلیل جز مصارف آزمایشگاهی دارای جایگاه صنعتی نیست
آهن فلزی است آلوتروپیک با عدد اتمی 26 و عدد جرمی 84/55 و چگالی 86/7 گرم بر سانتی متر مکعب که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی عناصر قرار دارد که با افزایش حرارت در فشار یک اتمسفر در دمای 1539 درجه سانتی گراد ذوب می‌شود و مهمترین عنصر آلیاژی آن می‌توان به کربن و سیلیسیم اشاره داشت

آلیاژهای آهنی

دسته بندی آلیاژهای آهنی بر طبق معیارهای مختلفی می‌تواند صورت بگیرد اعم از ساختار زمینه، مقدار کربن، درصد عناصر آلیاژی و... در ادامه با توجه به این موضوع که مهمتر0ین عنصر آلیاژی در آهن، کربن است و این میزان کربن شاخص مناسبی است برای طبقه بندی آلیاژهای آهنی زیرا خواص و ویژگی این آلیاژها متناسب با میزان کربن تغییر می‌کند. البته ذکر این نکته فراموش نشود عواملی چون شرایط انجماد، نحوه ساخت، عناصر آلیاژی دیگر و عملیات حرارتی بعدی بر خواص این مواد اثرگذار هستند اما مطابق با متون علمی دیگر استفاده از میزان کربن و شکل کربن آزاد (گرافیت) را مبنا دسته بندی قرار خواهیم داد و اما چدن‌ها در دسته‌بندی ذیل هم از نظر نحوه حضور کربن به صورت آزاد یا ترکیبی و درصد عنصر آلیاژی مورد طبقه بندی قرار گرفته‌اند

شکل کربن برحسب نحوه سرد شدن، افزودن عناصر آلیاژی و عملیات تلقیح می‌تواند به صورت اشکال مختلف گرافیت و یا کربن ترکیبی (سمنتیت) باشد. عناصری که تشکیل گرافیت (گرافیت‌زا) در چدن‌ها را ترغیب می‌کنند شامل: کربن، سیلیسیم، آلومینیم، فسفر، مس و منگنز و... می‌باشند و عناصر که موجب تشکیل کربن به صورت ترکیبی (کاربیدزا) می‌شوند نیز شامل: تنگستن، تیتانیم، کروم، تیتانیم و... می‌باشند

نمودار آهن ـ کربن

برای بررسی رفتار، خواص فلزات و آلیاژها که تحت تاثیر فازهای تشکیل دهنده این مواد می‌باشد بایستی به بررسی و شناخت دیاگرام‌های فازی مربوطه پرداخت در این بخش به بررسی فازهای موجود در نمودار آهن ـ کربن خواهیم پرداخت و خواص و ویژگی‌های هر فاز را مورد واکاوی قرار خواهیم داد. البته بایستی دقت داشت که محدوده پایداری فازها موجود در دیاگرام‌ها می‌تواند بسیار متفاوت از چیزی باشد که به طور معمول در مقالات و کتاب‌ها می‌بینید زیرا این نمودارها در شرایط استاندارد رسم شده‌اند (فشار یک اتمسفر) طبیعی است که با تغییر فشار نمودار هم دستخوش تغییراتی خواهد شد اما در شرایط معمول نیز عناصر آلیاژی سبب تغییر در گستره، و پایداری مناطق فازی خواهد شد همان طور که عنصر سیلیسیم موجب پایداری فریت می‌شود تاثیر متقابل دیگری بر خط AC1 داشته و موجب حرکت این خط به سمت بالای نمودار خواهد شد. لذا باید دقت داشت حضور عناصر آلیاژی در نمودار آهن ـ کربن موجب تغییراتی در مناطق فازی خواهد شد

آلوتروپی‌های آهن

آهن از دسته عناصری است که با تغییرات دما دچار دگرگونی شده و تغییر ساختار کریستالی در ساختمان بلوری آن رخ می‌دهد که به این تغییرات ساختمان بلوری در اثر دما برای فلزات خالص آلوتروپی و برای ترکیبات پلی مروفیسم می‌گویند، تغییرات ساختمان بلوری معمولا همراه با تغییر پارامتر شبکه کریستالی است. برای درک بهتر لازم است بدانیم آلوتروپی باعث ایجاد تغییراتی در پارامتر شبکه و خیل زیاد خواصی که در ارتباط با پارامتر شبکه خواهد شد مانند قطر دهانه نفوذ، میزان فشردگی، چگالی، شکل پذیری و... در ساختمان ماده خواهد شد. با توجه به متفاوت بودن چینش اتمی انتظار می‌رود آلوتروپی مختلف از یک عنصر خواص فیزیکی و مکانیکی متفاوتی از خود نشان دهند. آلوتروپی‌های آهن به سه دسته آلفا ، گاما و دلتا تقسیم بندی میشوند

فازهای موجود در نمودار آهن ـ کربن

فازهای موجود در نمودار آهن ـ کربن به لحاظ نحوه تشکیل به دو قسم دسته بندی می‌شوند
الف) فازهایی که در جریان ریخته گری و سرد شدن بدست می‌آیند
ب) فازهایی که برای دستیابی به آن‌ها بایستی فلز و آلیاژ را مورد عملیات حرارتی قرار داد
قهرا هر فاز و ساختار خواص منحصر به فرد خود را داراست و از هر فاز در زمینه‌های مربوط استفاده خواهد شد به عنوان مثال از سمنتیت در کاربردهای مقاوم به سایش ارجحیت دارد و فاز بینیت استحکام همراه با چقرمگی و مقاومت به سایش را به همراه دارد که در ناخنک‌های دستگاه‌های و ماشین آلات خاکبرداری و صنعتی بکار می‌رود

آستنیت

محلول جامد بین نشینی آهن و کربن با ساختار شبکه مکعبی با وجوه مرکزدار که آهن گاما نیز نامیده می‌شود. بیشترین حلالیت کربن مربوط به منطقه فازی آهن گاما است که در محدوده دمایی 1148 تا 1152 درجه سانتی گراد به مقدار 1/2% کربن دارد. آستنیت فازی ناپایدار است که در دمای اتاق به فریت و سمنتیت تجزیه می‌شود. برای پایدار کردن فاز آستنیت به مذاب مقادیری نسبتا بالایی منگنز و نیکل اضافه می‌کنیم، این عناصر فارغ از پایدار کردن آستنیت باعث افزایش مقاومت به خوردگی و استحکام آلیاژ در دماهای بالا نیز می‌گردند به طور کلی افزودن عناصر آلیاژی با ساختار مکعب با وجوه مرکزدار باعث افزایش تمایل به پایداری آستنیت در دمای محیط می‌شوند

فریت

محلول جامد بین نشینی آهن با کربن با ساختار کریستالی مکعبی مرکزدار فریت نام دارد که به آهن آلفا شهرت دارد. بیشترین حد حلالیت کربن در آهن آلفا در دمای 738 درجه سانتی گراد به میزان 025/0% است که در دمای محیط به مقدار 008/0 تنزل می‌یابد فاز فریت به نسبت دارای انعطاف بالاتری، استحکام کمتر و قابلیت ماشین کاری مناسب دارد

سمنتیت

فاز کاربید آهن یا سمنتیت که معرف حضور کربن به صورت ترکیبی در ساختار است که دارای ساختار اورتورمبیک بوده و سختی، شکنندگی و مقاومت به سایش بالایی دارد. قابلیت انعطاف و شکل پذیری پایین این فاز از محدودیت‌های آن به شمار می‌رود، سمنتیت به لحاظ ترمودینامیکی فازی ناپایدار است که می‌تواند با گذشت زمان و تحت شرایط خاص به گرافیت تجزیه شود. مقدار کربن در سمنتیت 67/6% است و نقطه ذوبی معادل 1252 درجه سانتی گراد دارد

پرلیت

پرلیت محصول استحاله یا دگرگونی یوتکتوئیدی است که در 8/0% کربن و 723 درجه سانتی گراد روی می‌دهد و در منطقه فولادها قرار دارد (حالت نیمه پایدار) این ساختار به لحاظ مکانیکی دارای خواص مطلوبی نظیر چقرمگی مناسب، ماشین کاری مطلوب و انعطاف پذیری تا حدودی است. در زیر میکروسکوپ مثل لایه‌های صدف و اثر انگشت یا پوست ببر دیده می‌شود که حاصل لایه‌های متناوب فریت و سمنتیت است از همین رو خواص این ساختار تحت تاثیر این دو فاز است. ساختار پرلیتی سختی و استحکام کششی بالاتری از ساختار فریتی دارد ولی قابلیت انعطاف آن از فریت کمتر بوده باید توجه داشت که سختی و استحکام کششی پرلیت وابسته به طول لایه‌های متناوب فریت و سمنتیت است که کاهش فواصل لایه‌ها منجر به افزایش سختی و استحکام می‌گردد. فواصل بین لایه‌های متناوب فریت و سمنتیت وابسته به سرعت سرد شدن (در سرعت‌های طولانی سرد شدن پرلیت ضخیم تشکیل می‌شود) و همچنین عناصر آلیاژی اضافه شده به مذاب دارد

لدبوریت

لدبوریت محصول استحاله یوتکتیکی در 1152 درجه سانتی گراد و 3/4% کربن است که در حالت پایدار در منطقه چدن‌ها اتفاق می‌افتد. در تبلور اولیه از آستنیت و سمنتیت تشکیل شده که در تبلور ثانویه که به لدبوریت ثانویه شهرت دارد به پرلیت و سمنتیت تبدیل می‌شود

گرافیت

گرافیت ماده‌ای سیاه رنگ است که قابلیت تغییر شکل پلاستیک ندارد و استحکام آن نیز در حد پایین قرار دارد، گرافیت شکلی از کربن است که به علت داشتن ساختار کریستالی (هگزاگونال) به عنوان شبه فلز شناخته می‌شود و شکل آمورف آن کربن نام دارد، گرافیت خواص مکانیکی ضعیفی دارد، شکل پذیری پلاستیکی به شدت پایین، وزن مخصوص پایین و استحکام کم از خواص ذاتی آن است که به عنوان تعیین کننده خواص نهایی در چدن حضور دارد

بینیت

بینیت ساختاری است که از دو فاز فریت به همراه سمنتیت تشکیل شده پس ساختاری تکفاز به شمار نمی‌رود و سیر تشکیل این ساختار در اثر وقوع استحاله نفوذی به همراه استحاله برشی است. این ساختار می‌تواند به صورت ریختگی با عناصر آلیاژی نظیر نیکل و مولیبدن با مقادیر معین تولید شود. در ضمن جهت اطمینان بیشتر می‌توان توسط عملیات حرارتی آستمپر نیز به این ساختار رسید. انواع بینیت شامل:
* بینت بالایی
* بینیت پایینی

مارتنزیت

محصول عملیات حرارتی مارتمپرینگ که در اثر استحاله برشی، بدون نفوذ اتمی که در اثر کوئنج و حرکت گروهی اتم‌ها به وقوع می‌پیوندد و منجر به ساختار فوق اشباع از کربن مکعب مستطیل (bct) می‌شود. این ساختار دارای سختی بالا و انعطاف پذیری پایینی است. برحسب درصد کربن اولیه نوع و دمای شروع و پایان استحاله مارتنزیتی مشخص می‌شود که انواع مارتنزیت را می‌توان در سه دسته زیر طبقه بندی کرد:
* ماتنزیت لایه‌ای
* مارتنزیت بشقای
* مارتنزیت مختلط

استحاله‌های نمودار آهن ـ کربن

استحاله یا تغییراتی که منجر به دگرگونی فازی می‌شوند در برخی نقاط نمودار آهن ـ کربن رخ داده و موجب تشکیل ساختارهایی جدید می‌شوند که به لحاظ خواص و ویژگی‌هایی که در قطعات به وجود می‌آورند مورد اهمیت واقع می‌شوند. در نمودار حالت پایدار و نیمه پایدار سه استحاله یوتکتیکی، یوتکتوئیدی و پریتکتیکی اتفاق می‌افتد. تنها تفاوت این دگرگون‌ها در دو نمودار آهن ـ کربن و آهن ـ کاربید آهن در تفاوت جزئی کربن و دمای وقوع این دگرگونی‌ها می‌باشد. برخی از این تحولات به علت داشتن کربن معادلی کمتر از 2% در منطقه فولادها خواهند بود و تنها تحول یوتکتیک در منطقه چدن‌ها به وقوع می‌پیوندد، در ادامه به بررسی این تحولات خواهیم پرداخت

تحول یوتکتیک

تحولی است در دمای ثابت که طی آن یک فاز مذاب در حین سرد شدن تشکیل دو جامد دهد و در خلال گرم شدن دو جامد تشکیل یک فاز مذاب را بدهند، تحول در نمودار آهن ـ کربن در دمای 1152 درجه سانتی گراد و مقدار 26/4% کربن صورت می‌گیرد و در حالت نیمه پایدار (آهن ـ سمنتیت) در دمای 1147 درجه سانتی گراد و 3/4% کربن رخ می‌دهد.
تحول یوتکتیک در منطقه چدن‌ها به وقوع می‌پیوندد و کمترین دمای ذوب در این نمودار متعلق به آلیاژی با ترکیب 100% یوتکتیکی است. محصول استحاله یوتکتیک در حالت پایدار گرافیت + آستنیت است که در حالت نیمه پایدار سمنتیت بجای گرافیت تشکیل می‌شود (لدبوریت)

تحول پری تکتیک

تحولی است که طی آن یک فاز مذاب با یک فاز جامد تشکیل یک جامد جدید را می‌دهند، این استحاله هم در دمای ثابت رخ می‌دهد. در نمودار آهن کربن فاز به علاوه فاز جامد آهن دلتا تشکیل آستنیت را می‌دهند، که این استحاله در دمای 1492 درجه سانتی گراد و مقدار 7/1% کربن رخ می‌دهد. این واکنش مربوط به ناحیه فولاودها است

تحول یوتکتوئید

استحاله فازی که در دمای ثابت طی آن تکفاز جامد تشکیل دو جامد جدید را می‌دهد، در نمودار آهن کربن این تحول در قسمت فولادها قرار دارد. این واکنش در دمای 723 درجه سانتی گراد و مقدار 77/0% کربن رخ می‌دهد و محصول آن پرلیت نام دارد. آستنیت طی این استحاله به سمنتیت و فریت (پرلیت) تجزیه می‌شود

منبع : شناخت چدن ها ، علی حسین چاهخویی

در این مطلب به طور خلاصه و تخصصی به بررسی ساختار آهن و آلیاژهای آهنی و عوامل مؤثر بر آن پرداختیم . مجموعه ما مفتخر است با بهره گیری از تجربیات ارزشمند و موفق نزدیک به 30 سال و همکاری با شرکت ها و هولدینگ های معتبر و با دراختیار داشتن پرسنل با تجربه و مجرب و با رعایت استانداردهای کیفی با شتابی بیشتر از گذشته بتواند در برآورده شدن نیاز صنایع کشور سهیم باشد . ریخته گری انواع چدن ، چدن خاکستری ، چدن داکتیل (نشکن) ، چدن نایهارد(ضد سایش) و چدن های آلیاژی

شماره تماس

03152370469

نشانی

اصفهان ، شهرک صنعتی رازی (رنگ سازان) ، فاز 2 ، خیابان سوم ، پلاک 470

واتساپ ، ایتا

09363484850

ایمیل

Irangashtavar@gmail.com
اینستاگرام : @irgashtavar