The Iron-Carbon (Fe-C) and Iron-Cem

The Iron-Carbon (Fe-C) and Iron-Cementite (Fe-Fe3C) Systems
Because carbon is a ubiquitous element in both iron- and steelmaking processes due to its essential use as a reductant during the extractive process of iron from its ores, carbon has a predominant role in siderurgy (i.e., the metallurgy of iron and its alloys). Although other alloying elements may be added to produce steels for special purposes, usually the structure of iron and steels is determined first by the content of carbon, secondly by the type of other alloying elements, and finally by the rate of cooling from the molten state. For all the above reasons, a solid grasp of the iron-carbon system is a mandatory step for understanding iron and iron alloys (i.e., steels and cast irons). As for the phase diagram of pure iron, the major phases occuring in the Fe-C phase diagram (Figure 1) can be accurately characterized by means of X-ray diffraction, thermal analysis, and dilatometry techniques. In practice, the iron-carbon phase diagram is a graphical plot of phases existing in thermodynamic equilibrium as a function of temperature versus the mass fraction of total carbon in the iron. The diagram depicted in this book is only a detail of the entire diagram. Actually, the phase diagram extends on the abscissa axis at left from pure iron free of carbon to a content of total carbon reaching 6.70 wt.% C that corresponds to the theoretical composition of iron carbide or cementite (Fe3C), while temperatures range from 200°C to 1600°C, the temperature at which the system is fully liquid. The binary phase diagram exhibits, in addition to the four critical points of the allotropes of pure iron, three other important characteristics:
(i) a eutectic point at 4.30 wt.% C and 1148°C;
(ii) a eutectoid point at 0.77 wt.% C and 727°C;
(iii) a peritectic transformation occurring at 1495°C.
Moreover, experimentally the following solid phases were identified.
Alpha-ferrite (α-ferrite, bcc). Sensu stricto and historically, ferrite consists of a solid solution of carbon inside a body-centered cubic crystal lattice in alpha-iron. The solubility of carbon in alpha-iron is extremely low, ca. 0.01 wt.% C at ambient temperature, and reaches only 0.025 wt.% C at 723oC. Therefore, at room temperature under conditions of equilibrium, any carbon present in excess of that small amount will exsolute in the form of cementite. Due to this low carbon content, some textbooks treat the ferrite phase substantially as pure iron, but this view must be discontinued to avoid confusion. Usually, the ferrite of an alloyed steel may contain in solid solution appreciable amounts of other elements; ab extenso, any solid solution of which alpha-iron is the solvent is called ferrite (i.e., a solid solution of any element in alpha-iron). Alloying elements that stabilize ferrite are listed in Table 1.
Beta-ferrite (b-ferrite, bcc). Like alpha-ferrite, beta-ferrite consists of a solid solution of any element in body-centered cubic beta iron.
Delta-ferrite (δ-ferrite, bcc).
Like alpha-ferrite, delta-ferrite consists of a solid solution of any element in body-centered cubic delta iron. In the case of carbon, its maximum solubility in delta-iron is only 0.1 wt.% at 1487°C.
Gamma-austenite (g-austenite, fcc). Austenite is a solid insertion solution of carbon into the crystal lattice of face-centered cubic gamma-iron. It has been definitively established that the carbon atoms in austenite occupy interstitial positions in the face-centered cubic space lattice causing the lattice parameter to increase progressively with the carbon content. Cementite. Cementite is an iron carbide with the chemical formula Fe3 C. At room temperature, cementite is a hard, brittle, and ferromagnetic material with a Curie temperature of 210°C. It is formed by chemical reaction between iron and excess carbon. Three distinct origins must, however, be distinguished:
(i) primary cementite resulting from the separation during solidification of liquid iron with carbon content ranging between 4.3 wt.% and 6.69 wt.% C;
(ii) secondary cementite formed after demixion of carbon as a result of a decrease in miscibility during the cooling of ferrite;
(iii) tertiary cementite resulting from demixion during the cooling of austenite. Actually, at
room temperature under conditions of equilibrium, any carbon present in excess of that small amount must exist in a form other than that of a solute in a solid solution.
Perlite. A biphasic eutectoidic constituent that consists of an interlamellar growth of ferrite and cementite. Perlite is formed during the transformation of austenite with a eutectoid composition (i.e., 0.77 wt.% C).
Ledeburite. A biphasic eutectic constituent resulting from the solidification of a molten metal having a eutectic composition. Hence it consists of an austenite containing 1.7 wt.% C in solid solution and cementite.
In the phase diagrams in Figures 2.1 and 2.2, the transition temperatures or critical points previously identified for the four iron allotropes must now be replaced by two temperature limits or points. Actually, due to hysteresis phenomena occurring upon heating and cooling, the equilibrium curves are greatly influenced by the rate of cooling and heating, and they form distinct plots. The various temperatures at which pauses occur in the rise or fall of temperatures when iron or steel is heated from room temperature or cooled from the molten state are called arrest points, denoted by uppercase letter A. Due to the previously mentioned hysteresis behavior during heating and cooling, the arrest points obtained on heating are denoted Ac and those obtained on cooling are denoted Ar, while arrest points at equilibrium are denoted Ae. Historically, the subscripts c , r, and e were derived from the first letters of the French words chauffage (heating), refroidissement (cooling), and équilibre (equilibrium), respectively. These arrest points are described in detail in Table 2.
From the iron-carbon phase diagram several important characteristics regarding the classification of iron and iron alloys can be seen. Iron alloys are classified according to their total content of carbon. Steel are particular iron alloys having a carbon content below 2.1 wt.% C. Above this limit, we have cast irons up to a practical limit of 3.75 wt.% C. A steel containing 0.77 wt.% C is called a eutectoid steel. Eutectoid steel consists of an intimate mixture of alpha- ferrite and cementite forming an intergrowth of thin plates or lamellae known as perlite. Therefore, a steel having a carbon content below 0.77 wt.% C is called a hypotectoid steel. Its structure consists of a small amount of pearlite with an excess of alpha-ferrite, which collectsat the grain boundaries. Hypotectoid steels are hence softer and more ductile than eutectoid steels. On the other hand, a steel with more than 0.77 wt.% C is called a hypertectoid steel. Its structure consists of pearlite with an excess of cementite. Hypertectoid steels are harder, more brittle, and les ductile than eutectoid steels. Above 2.11 wt.% C, molten iron solidifies always below 1350°C and the resulting low liquidus temperature iron alloys are called cast irons due to their ease of melting. The eutectic point in the Fe-C diagram is located at 4.3 wt.% C. At this composition, when the alloy solidifies, it forms a mixture of austenite with 1.7 wt.% C in solid solution and cementite; this eutectic structure is called ledeburite. In practice, cast irons exhibit a carbon content ranging between 2.11 and 3.75 wt.%. Upon cooling, cast irons exhibit a mixture of pearlite and cementite.
The iron-carbon phase diagram only applies to alloys that contain only iron and carbon. But because other desired or undesired alloying elements are usually originally present from the ironmaking process (e.g., O, C, Si, P, Mn, V) or are added intentionally (e.g., Ni, Cr, Mo), during steelmaking the iron-carbon phase diagram cannot show accurately the conditions that apply to actual steels. Hence it has to be modified appropriately to take into account the effect of the elements. These additional elements impact both the arrest points and equilibrium lines, and they also determine the existence or not of certain phases. Alloying elements with their related impact on iron-carbon phases are listed in Table 3.

Kết quả (Việt) 1:

Sắt-Carbon (Fe-C) và hệ thống sắt-Cementite (Fe-Fe3C)Bởi vì carbon là một yếu tố phổ biến trong quá trình cả sắt - và sản xuất thép do việc sử dụng thiết yếu nó là một reductant trong quá trình khai quang sắt từ quặng, cacbon có một vai trò chủ yếu trong siderurgy (tức là, luyện kim sắt và hợp kim của nó). Mặc dù các yếu tố tạo khác có thể được thêm vào sản xuất thép cho các mục đích đặc biệt, thường cấu trúc của sắt và thép được xác định trước bởi nội dung của cacbon, thứ hai bởi các loại của các yếu tố tạo khác, và cuối cùng bởi tốc độ làm mát từ trạng thái nóng chảy. Cho tất cả những lý do trên, một nắm vững chắc của hệ thống sắt-Bon là một bước bắt buộc cho sự hiểu biết sắt và hợp kim sắt (tức là, thép và Gang). Đối với biểu đồ pha của tinh khiết sắt, xảy ra giai đoạn chính trong biểu đồ pha Fe-C (hình 1) có thể được chính xác miêu tả bằng phương tiện của nhiễu xạ tia x, nhiệt phân tích, và kỹ thuật dilatometry. Trong thực tế, sơ đồ sắt-cacbon giai đoạn là một âm mưu đồ họa giai đoạn tồn tại trong cân bằng nhiệt là hàm số của nhiệt độ so với phần nhỏ khối lượng của tất cả carbon trong sắt. Biểu đồ mô tả trong cuốn sách này là chỉ một chi tiết của sơ đồ toàn bộ. Trên thực tế, sơ đồ giai đoạn kéo dài trên trục abscissa ở bên trái từ tinh khiết sắt miễn phí cacbon để một nội dung của tất cả cacbon đạt 6.70 wt.% C tương ứng với các thành phần lý thuyết của sắt cacbua hoặc cementite (Fe3C), trong khi nhiệt độ khoảng từ 200° C đến 1600° C, nhiệt độ mà tại đó hệ thống này là đầy đủ chất lỏng. Nhị phân giai đoạn sơ đồ vật trưng bày, ngoài bốn điểm quan trọng của các thù hình của sắt tinh khiết, ba đặc điểm quan trọng khác:(i) một điểm eutecti 4,30 wt.% C và 1148° C;(ii) một điểm eutectoid ở 0.77 wt.% C và 727° C;(iii) một biến đổi peritectic xảy ra ở 1495° C.Hơn nữa, bằng thực nghiệm giai đoạn rắn sau được xác định.Alpha-ferrite (α-ferrite, bcc). Sensu stricto và trong lịch sử, ferrite bao gồm một dung dịch rắn của cacbon bên trong một tâm khối lưới tinh thể trong alpha-sắt. Độ hòa tan của carbon trong alpha-sắt là rất thấp, ca. 0,01 wt.% C ở nhiệt độ môi trường xung quanh, và đạt đến chỉ 0.025 wt.% C 723oC. Vì vậy, ở nhiệt độ phòng trong điều kiện cân bằng, bất kỳ cacbon hiện nay vượt quá số tiền nhỏ đó sẽ exsolute trong các hình thức của cementite. Do nội dung carbon thấp này, một số sách giáo khoa điều trị giai đoạn ferrite đáng kể như là nguyên chất sắt, nhưng quan điểm này phải ngừng để tránh sự nhầm lẫn. Thông thường, ferrite một thép hợp kim có thể chứa một lượng đáng dung dịch rắn của các nguyên tố khác; AB extenso, bất kỳ dung dịch rắn, trong đó có alpha-sắt là dung môi được gọi là ferrite (tức là, một dung dịch rắn của các nguyên tố trong alpha-sắt). Tạo các yếu tố ổn định ferrite được liệt kê trong bảng 1.Phiên bản beta-ferrite (b-ferrite, bcc). Giống như alpha-ferrite, phiên bản beta-ferrite bao gồm một dung dịch rắn của các nguyên tố trong tâm khối beta sắt.Delta-ferrite (δ-ferrite, bcc). Giống như alpha-ferrite, delta-ferrite bao gồm một dung dịch rắn của các nguyên tố trong tâm khối đồng bằng sắt. Trong trường hợp của cacbon, độ hòa tan của nó tối đa trong delta-sắt chỉ là cách 0.1 wt.% ở 1487 ° C.Gamma-austenite (g-austenite, fcc). Austenite là một giải pháp vững chắc chèn của cacbon vào lưới tinh thể tâm mặt khối gamma-sắt. Nó đã được dứt khoát thành lập các nguyên tử cacbon trong austenite chiếm các vị trí kẽ trong tâm mặt khối không gian mạng gây ra tham số lưới để tăng dần dần với nội dung cacbon. Cementite. Cementite là một hợp kim cứng sắt với công thức hóa học Fe3 C. Ở nhiệt độ phòng, cementite là một vật liệu cứng, giòn và trật tự sắt từ với một nhiệt độ Curie của 210° C. Nó được hình thành bởi các phản ứng hóa học giữa sắt và cacbon dư thừa. Ba nguồn gốc khác biệt phải, Tuy nhiên, được phân biệt:(i) cementite chủ yếu là hệ quả từ sự chia tách trong solidification của chất lỏng sắt với cacbon nội dung khác nhau, giữa 4.3 wt.% và 6,69 wt.% C;(ii) cementite thứ cấp được hình thành sau khi demixion của cacbon là kết quả của một sự giảm xuống trong miscibility trong thời gian làm mát ferrite;(iii) cấp ba cementite do demixion trong thời gian làm mát của austenite. Trên thực tế, tạinhiệt độ phòng trong điều kiện cân bằng, bất kỳ cacbon hiện nay vượt quá số tiền nhỏ đó phải tồn tại trong một hình thức khác hơn là của một chất tan trong dung dịch rắn.Perlit. Một hai pha eutectoidic thành phần bao gồm một sự tăng trưởng interlamellar ferrite và cementite. Đá Trân Châu để được hình thành trong sự chuyển đổi của austenite với một thành phần eutectoid (tức là, 0.77 wt.% C).Ledeburite. Thành hai pha eutecti phần kết quả từ solidification của một kim loại nóng chảy có một thành phần eutecti. Do đó nó bao gồm một austenite có 1,7 wt.% C trong dung dịch rắn và cementite.Trong giai đoạn sơ đồ trong con số 2,1 và 2,2, quá trình chuyển đổi nhiệt độ hoặc điểm quan trọng trước đó được xác định cho các dạng thù hình bốn sắt phải bây giờ được thay thế bằng hai giới hạn nhiệt độ hay điểm. Trên thực tế, do hysteresis hiện tượng xảy ra khi sưởi ấm và làm mát, các đường cong cân bằng ảnh hưởng lớn bởi tỷ lệ làm mát và sưởi ấm, và họ hình thức riêng biệt lô. Các nhiệt độ khác nhau mà tạm dừng xảy ra trong gia tăng hoặc sụp đổ của nhiệt độ khi sắt hoặc thép được làm nóng từ nhiệt độ phòng hoặc làm mát bằng nước từ trạng thái nóng chảy được gọi là bắt giữ điểm, biểu hiện bằng chữ hoa chữ A. do hành vi hysteresis đã đề cập trong hệ thống sưởi và làm mát, bắt giữ điểm thu được trên hệ thống sưởi được kí hiệu là Ac và những người được vào làm mát được biểu thị Ar, trong khi bắt giữ điểm lúc cân bằng được biểu thị Ae. Trong lịch sử, chỉ c, r và e được xuất phát từ chữ cái đầu của từ tiếng Pháp chauffage (hệ thống sưởi), refroidissement (làm mát) và équilibre (cân bằng), tương ứng. Các điểm bắt giữ được mô tả chi tiết trong bảng 2.Từ sơ đồ sắt-cacbon giai đoạn một số đặc điểm quan trọng liên quan đến việc phân loại của sắt và hợp kim sắt có thể được nhìn thấy. Hợp kim sắt được phân loại theo nội dung của họ tất cả cacbon. Thép là cụ thể sắt hợp kim có một nội dung cacbon dưới 2.1 wt.% C. trên giới hạn này, chúng tôi có gang đến một giới hạn thực tế của 3.75 wt.% C. Một thép có 0.77 wt.% C được gọi là một eutectoid thép. Eutectoid thép bao gồm một hỗn hợp thân mật của alpha-ferrite và cementite tạo thành một intergrowth của tấm mỏng hoặc lá mỏng được gọi là đá Trân Châu để. Vì vậy, một thép có một nội dung cacbon dưới 0.77 wt.% C được gọi là một hypotectoid thép. Cấu trúc của nó bao gồm một số lượng nhỏ của pearlite với một dư thừa của alpha-ferrite, mà collectsat các ranh giới hạt. Hypotectoid thép được do đó nhẹ nhàng hơn và dễ uốn hơn eutectoid thép. Mặt khác, một thép với hơn 0.77 wt.% C được gọi là một hypertectoid thép. Cấu trúc của nó bao gồm pearlite với một dư thừa của cementite. Hypertectoid thép có khó khăn hơn, thêm giòn, và les dễ uốn hơn eutectoid thép. Trên 2.11 wt.% C, sắt nóng chảy rắn luôn luôn dưới 1350° C và hợp kim sắt nhiệt độ thấp liquidus kết quả được gọi là Gang do của họ dễ dàng tan chảy. Điểm eutecti trong sơ đồ Fe-C nằm ở 4.3 wt.% C. Lúc thành phần này, khi hợp kim rắn, nó tạo một hỗn hợp của austenite với 1,7 wt.% C trong dung dịch rắn và cementite; cấu trúc eutecti này được gọi là ledeburite. Trong thực tế, gang triển lãm một nội dung cacbon khác nhau, giữa wt.% 2.11 và 3.75. Sau khi làm mát, gang triển lãm một hỗn hợp của pearlite và cementite.Sơ đồ sắt-cacbon giai đoạn chỉ áp dụng cho hợp kim chứa chỉ sắt và cacbon. Nhưng vì khác mong muốn hoặc undesired kim yếu tố thường được ban đầu hiện tại khỏi quá trình ironmaking (ví dụ như, O, C, Si, P, Mn, V) hoặc được thêm vào cố ý (ví dụ như, Ni, Cr, Mo), trong sản xuất thép sắt-cacbon giai đoạn sơ đồ không hiển thị chính xác các điều kiện áp dụng cho thép thực tế. Do đó, nó đã được thay đổi một cách thích hợp để đưa vào tài khoản có hiệu lực của các yếu tố. Những yếu tố bổ sung ảnh hưởng đến cả hai điểm bắt giữ và cân bằng dòng, và họ cũng xác định sự tồn tại hoặc không của giai đoạn nhất định. Các yếu tố tạo với tác động có liên quan của họ vào giai đoạn sắt-Bon được liệt kê trong bảng 3.