1

פחמן-מטלוגרפיה והכרת דיאגרמת הפאזות ברזל. 1

מטרות המעבדה, בחינת חומרים באמצעות ציוד מטלוגרפי כדוגמת המיקרוסקופ המטלוגרפי המאפשר לראות גבישים. 1

.ואזורי התבדלות, פאזותידי - על) יםקירור וחימום איטי(בתנאי שיווי משקל של פלדות שונות ויציקת ברזלגבישי המבנה הזיהוי. 2

-ברזל המעברים השונים במערכת ולמידת, Fe-Cפחמן -הכרת דיאגרמת פאזות ברזל, בדיקה מיקרוסקופית

. (Fe-C)פחמן

רקע תיאורטיהמטלוגרפיה עוסקת בבחינת המבנה . של חומריםהמיקרומבנהמטרת המטלוגרפיה היא לספק מידע אודות

ובהבנת הקשר שבין , ם המיועדים לצורך בדיקת המבנהבשיטות הקימות להכנת דגמי, הפנימי של החומרלהכנת הדגמים המטלוגרפיים חשיבות מרובה מאחר שרק באמצעות הכנה נכונה . המבנה לבין תכונות החומר

, חיתוכו, הכנת הדגם כוללת בחירת הדגם. של הדגמים ניתן לקבל מידע חזותי שיאפשר הבנת המיקרומבנה .ביצוע איכול כימיליטושו ו, השחזתו, קיבועו

אך גם לחומרים נוספים כדוגמת החומרים הקרמים , המטלוגרפיה משמשת בעיקר לבחינת מתכות ונתכיםלקבוע , באמצעות המטלוגרפיה ניתן לדוגמה. תוך שימוש במכשור דוגמת מיקרוסקופ אופטי, והמרוכבים

.השפעות תרמיות על חומרים שונים .'ב1.1המוצג באיור , נעשית באמצעות מכבש' א1.1 הכנת הדגם המטלוגרפי המוצג באיור

בוכנה תחתונה

גוש מתכת

אבקה

אלמנט חימום

בוכנה עליונה

מד חום

לחץ

)א(

)ב(

.מתקן להכנת דגם מטלוגרפי. ב, דגם מטלוגרפי אופייני. א:1.1איור

:הדגם המטלוגרפי עובר את השלבים הבאים .1.1 כמוראה בטבלה ,בשלבים מהשחזה גסה לעדינההשחזה . אמנת להסיר את סימני ההשחזה -על, תרחיף יהלום/משחת אלומינה או ליטוש באמצעות בדי לטוש ואבקת. ב

מתקן המשמש לליטוש הדגמים המטלוגרפים ניתן לראות . חסר שריטוט מהותיות, כך שיתקבל דגם מלוטש

מומלץ להתבונן בדגם ולראות . o90 - במעבר משלב השחזה אחד למשנהו נהוג לסובב את הדגם ב.1.2באיור .ו שריטותהאם נשארו ב

2

. Bousfield, B. (1994) , ב לאלה האירופאיות" מהיחידות הנהוגות בארהgrit -טבלת מעבר ל: 1.1טבלה

European USA Grit Average size

)m(µ Average size

)m(µ Grit

P40 412 428 40 P80 197 192 80

P120 127 116 120 P180 78 78 180 P240 58 53 240 P320 46 36 320 P400 35 23 400 P600 25 16 600 P800 22 12 800 P1000 18 9.2 1,000 P1200 15 P4000 6.5

6.5 1,200

. מתקן לליטוש דגמים מטלוגרפים:1.2איור

)Etching (האיכול לצורך הבחנה בין . פאזי-ת השונות בגרעיני החומר הרבלאחר הליטוש עדיין איננו יכולים להבחין בין הפאזו

-רשימת מאכלים מקיפה נמצאת ב. צורבים את הדגם בחומצה המתאימה לחומר, הגרעינים

ASM Handbook, vol. 9 (1985)וב - ASTM-E407 .החומצה תוקפת בצורה מועדפת את גבולות הגרעינים .להתקפה כימית ואז אפשר להבחין גם בין הפאזות השונות פאזה אחת רגישה יותר , בנתך בעל שתי פאזות

דבר , ישנה אפשרות להשתמש במאכלים צבעוניים הצובעים באופן שונה את הפאזות השונות).1.3איור ( .המאפשר לגלות אזורים בעלי הרכב כימי או קריסטלוגרפי שונה

3

.פאזי-חומר חד. א

אחרי איכוללפני איכול

אחרי איכוללפני איכול

.פאזי-חומר דו. ב

α αα ααα

ααα α ββββββββ

.פאזי-חומר חד. א

אחרי איכוללפני איכול

אחרי איכוללפני איכול

.פאזי-חומר דו. ב

α αα ααα

ααα α ββββββββ

.יפאז- פאזי ובחומר דו- תאור תהליך האיכול בחומר חד:1.3איור

מיקרוסקופ מטלוגרפי :תפקידיו של המיקרוסקופ המטלוגרפי

.סיפוק מידע אודות המבנה והרכב הפאזות של המתכת .א

).ברמה המאקרוסקופית(בחינת הטופוגרפיה של משטחים .ב .בחינת העובי והרכב הפאזות בשכבות דקות המכסות שטחי חומרים .ג

המשמש (המערכת הראשונה מכילה את מקור האור . ניתן לחלק את המיקרוסקופ לשתי מערכות עיקריותהמערכת השניה הינה מערכת אופטית . ומערכת הפריזמות והעדשות להארת הדגם) להארת שטח הדגם

.המגדילה את התמונה ונותנת לנו את הדמות הסופית .לכן מקור האור ממוקם מתחת לדגם, במיקרוסקופ הביולוגי עובר האור אל עין המתבונן דרך הדגם

ובזה , המיקרוסקופ המטלוגרפי הנו בעל מערכת הארה המותאמת לדגמים אטומים שדרכם האור אינו עוברנמצא מקור האור באותו ' ב1.4במיקרוסקופ המטלוגרפי המוצג באיור , לכן. הנו שונה מהמיקרוסקופ הביולוגי

מן המקור אל הדגם וגם המביאה את האור " חצי שקופה"לכן משתמשים במראה . הצד שבו נמצאת הדמותובתוך , לשם ריכוז האור מן המקור על הדגם משתמשים בעדשה מרכזת. מאפשרת לצופה לראות את הדמות

מערכת מקור האור ישנם גם צמצמים שתפקידם לאפשר אך ורק לקרן האור מן המקור לפגוע בדגם ולמנוע . מאור מכל מקום אחר מלהגיע אליו

:שימוש בשתי עדשותהדמות הסופית מתקבלת מתוך

עדשה זאת הנה בעלת כושר הפרדה . או עדשת הדגם, (objective)אוביקטיב המכונה , עדשה בכיוון הדגם. 1 .המשמש לבחינת פרטי המבנה, גבוה

עדשה זו משמשת להגדלת התמונה . או עדשת העין(eyepiece) אוקולרהמכונה , עדשה בכיוון עין המסתכל. 2 .ת הדגםהמתקבלת בעזרת עדש

המאפשרת החזרת האור המוקרן , "החצי שקופה"מערכת ההארה ממוקמת בין שתי העדשות הללו והמראה

.עליה בזווית מסוימת והעברתו בזוית אחרתמחזירים את האור כלפי המראה , פני הדגם שהנם חלקים וניצבים לקו מדומה המחבר את שני מרכזי העדשות

והתמונה המוגדלת , אל האוקולר, את האור הפוגע בה בזוית האחרתכעת המראה מעבירה . החצי שקופהכושר הביצוע של המיקרוסקופ תלוי במיוחד בתכונות עדשת האוביקטיב והאפשרות . נקלטת בעין המסתכלת

. שלה להפרדה בין פרטים על פני הדגםים כדוגמת סידור וגודל מאפשרת לגלות לגבי החומר פרט, בחינה מיקרוסקופית של הדגם לאחר ליטוש ואיכול

-או טיפולים תרמיים וכן קיום מורפולוגית אי/שינויים עקב דיפורמציה פלסטית ו, פיזור הפאזות, גרעינים . ניקיונות וחומרים זרים

4

האוביקטיבעדשת

A B C

A B C

מראה חצי שקופה

דגם

עדשה מרכזת

האוקולרעדשת

נורה

)ב()א(

)עדשת עין(

)עדשת הדגם(האוביקטיבעדשת

A B C

A B C

מראה חצי שקופה

דגם

עדשה מרכזת

האוקולרעדשת

נורה

)ב()א(

)עדשת עין(

)עדשת הדגם(

. תאור עקרון הפעולה של מיקרוסקופ מטלוגרפי:1.4איור

האופטיקה של המיקרוסקופ המטלוגרפי

. ההגדלה הסופית הינה מכפלה בין הגדלת האוביקטיב להגדלת האוקולר:)Magnitude(ההגדלה . 1

21 MMM ×=(1.1)

1M2 -ו, היא הגדלת האוקולרMהגדלת האוביקטיב .

.×100: לדוגמא×ההגדלה מסומנת בסימן

. מידת הקבלה הברורה של תמונה:)Focus(חדות . 2

כשמכל נקודה בתחום זה נמצאים פני הדגם מבלי , תחום בעל אורך מסוים:)Field depth(עומק חדות . 3 .ךעומק החדות קטן עם העלאת ההגדלה ולהיפ. שתיפגם חדות התמונה

ככל שההגדלה . גורם התלוי בהגדלה. המרחק בין הדגם ועדשת האוביקטיב:)Focal length(אורך מוקד . 4 . המרחק קטן ולהיפך, עולה

.קרוסקופ והנו קטן ככל שההגדלה עולהי הנראה במבדגםאזור :)Observed field( שדה נצפה . 5

5

יתמשקל- שיוויפאזות דיאגרמתקרח ומים הם . ופיינייםאבעל מאפיינים כימיים ופיסיקליים , של המערכת הומוגני פאזה מוגדרת כחלק

ן שתי פאזות של ה γ(FCC) וברזל אוסטניטי α(BCC)ברזל פריטי . H2Oפאזות שונות של המולקולה . ת פאזותהיא לייצור דיאגרמו, סוגסגות שונותהדרך הטובה ביותר לתעד שינוי פאזה במערכות מ. ברזל

המראה על הפאזות הקיימות בטמפרטורה הרכב-מיפוי טמפרטורהמשקלית היא - דיאגרמת פאזות שיווי . ובהרכב נתונים

:האינפורמציה שמקבלים מתוך דיאגרמת הפאזות

.מפרטורת היתוך של כל אחד מהמרכיבים הטהוריםט .1

של שניים או ) תערובת(ינוי בטמפרטורת ההיתוך כאשר ישנה מערכת הש/הירידה בטמפרטורת ההיתוך .2 .יותר רכיבים

.יה בין שני מרכיבים ליצירת רכיב שלישייהאינטרקצ .3 ).האם קיימת תמיסה מוצקה עבור מערכת נתונה כלשהי(קיומה של תמיסה מוצקה עבור מערכת נתונה .4 .השפעת הטמפרטורה על שיעור התמיסה המוצקה .5 .בה רכיב עובר ממבנה אחד למשנהוהטמפרטורה ש .6 .שיעור והרכב של פאזות נוזליות ומוצקות בטמפרטורה ובהרכב מסוים .7נוכל לדעת בטמפרטורות שונות איזה ). פריכות, קשיות, משיכות, חוזק(לפאזות שונות ישנן תכונות שונות .8

.ולפיכך נוכל לדעת תכונות חומר שונות שיתקבלו עבורו, פאזות נקבל

)פלדה (C -Feמשקל- ת שיווידיאגרמהוספת כמויות קטנות של פחמן . המוליכה טוב חשמל וחום, משיכה וקלה לעיצוב, הברזל הינו מתכת אפורה

. משקלי של פחמן2%פלדה מוגדרת כברזל המכיל עד . לברזל משפרת באופן משמעותי את התכונות המכניותמשיכות טובה , לפלדות חוזק גבוה. והנפוצים ביותרהפלדה מהווה את אחד החומרים ההנדסיים החשובים

ציוד בענף , מבנים, רכבות, מכוניות, ספינות: אנחנו מוצאים את הפלדה בכל מקום.ועמידות טובה לשברממחירה הנמוך ומהיכולת לקבל תחום רחב השימוש הכה נרחב בפלדה נובע . 'מפעלי כימיקלים וכו, המזון

.יפולים פשוטים יחסיתיחסית של תכונות באמצעות ט

:לפלדות SAEתקן

.קרויה גם פלדת מים. משקלי של פחמן0.2%המכילה , )רכה( פלדה פחמנית פשוטה - 1020

.קרויה גם פלדת שמן. משקלי של פחמן0.6%המכילה , פלדה קשה- 1060

ופאזות שאינן ) משקלית-דיאגרמת פאזות שיווי(משקליות - פחמן קיימות פאזות שיווי-עבור מערכת ברזל

, (Fe3C)צמנטיט , δברזל , אוסטניט, פריט: משקליות הינן-הפאזות השיווי). TTTדיאגרמת (משקליות -שיווי . מרטנזיט ובאיוניט: משקליות הינן-הפאזות שאינן שיווי. פרליט ולדבוריט

כאשר , )צמנטיט(Fe3C לי בין ברזל לקרבידמשקל מטסטבי- מתארת שיווי,1.5איור ב ,פחמן- דיאגרמת ברזל . באיור מציינים את אזורי הפאזות השונות בדיאגרמה5-1המספרים

-בהתאם לדיאגרמת ברזל, להלן מספר מונחים בסיסים הדרושים לשם הגדרת המבנה המטלוגרפי של פלדות :1.5פחמן שבאיור

- הפריט היא הפאזה הרכה ביותר בדיאגרמת הברזל.)תא מרוכז גוף( BCC במבנה α =Ferrite= פריט .1 .פחמן

זוהי תמיסה מוצקה בה הפחמן מומס בתוך .)תא מרוכז פנים( FCC במבנה γ =Austenite = טאוסטני .2 . האוסטניט ביא פאזה יציבה בטמפרטורות גבוהות. הברזל בתא היחידה

מדובר בפאזה קשה ופריכה . משקלי של פחמן 6.67% הצמנטיט מכיל .Fe3Cזל קרביד הבר =צמנטיט .3 .בעלת חוזק נמוך במתיחה

הרכב . פחמן% 0.8 המכילה , תערובת של שכבות פריט וצמנטיט המתחלפות ביניהן לסרוגין= פרליט .4 . הפרליט היא פאזה רכה יחסית.1מוצק = 3מוצק + 2מוצק : אוטקטואידי

. הלדבוריט היא תערובת של אוסטניט וצמנטיט.נוזל = 2מוצק + 1מוצק : הרכב אוטקטי=לדבוריט .5

6

Pearliteand Ferrite

Eutectoid point

Pearlite and Cementite

910 oC

Austenite solid solution of carbon in gamma iron

Austenite in liquid

1493 oC

723 oC

Austeniteledeburite andcementite

Austenite topearlite

Cementiteandledeburite

γ + Fe3C

γ L + Fe3C

Fe3C

γ + L

α + γ

γ = Austenite

α = Ferrite

δ = Delta iron

CM = Cementite

L

Primary austenite begins to solidify

CM begins to solidiffy

1147 oC

Cementite, pearliteand transformedledeburite

δ + γ

δ + L

α + Fe3C1

2

3

5

4

0.83 % 2 % 3 % 4 % 6%0.50 %

0.16 %

0.51 %

Temperature oC

723

210

910

1130

1400

1539

0.16 % 1 %

Hypo-eutectoid Hyper-eutectoid

Steel

Weight percent carbon

Cast Iron

.Fe-Fe3Cמשקל - דיאגרמת שיווי:1.5איור

שהרכבם הכימי ומבנם - לכמה סוגים , המכילים רק פחמן, ם הפשוטיםיניתן לחלק את הנתכים הברזלי .1.2בטבלה המטלוגרפי מפורט

. הנתכים הברזליים לסוגים השונים בהתאם לתכונותיהם חלוקת1.2טבלה

סוג הנתך

)wt(%תכולת הפחמן

המבנה המטלוגרפי

)αברזל (פריט 0.008 - 0 ברזל נקי

אוטקטואידית-פלדה תתHypo Eutectoid

פרליט+ פריט 0.8 - 0.008

)גס או עדין(פרליט 0.8 פלדה אוטקטואדית

אוטקטואידית-פלדה עלHyper Eutectoid

צמנטיט+ פרליט 2.0 - 0.8

ראה פירוט בהמשך* 5.0 - 2.0 יציקת ברזל

7

Temperature oC

Pearliteand Ferrite

Eutectoid point

Pearlite and Cementite

Cementite, pearliteand transformedledeburite

α + Fe3C

0.83 % 2 % 3 % 4 % 6%0.50 %

723

210

0.16 % 1 %

Hypo-eutectoid Hyper-eutectoid

Steel

Weight percent carbon

Cast Iron

723

.סוגי פלדות: 1.6איור

ברזל נקי

C15401400בתחום : רור הוא עובר שלושה מעבריםיבמהלך הק. מופיע בקצה השמאלי של הדיאגרמה o−

C1400910 תחום ב,BCCהוא בעל מבנה o− הוא בעל מבנה FCC ,מתחת ל- C910o הוא שוב בעל מבנה BCC.

דיותיאוטקטוא- פלדות תת

מעבר איטי . הנתך אוסטניטי aבנקודה ). 1.7ראה איור (aeידי קו -אוטקטואדי טיפוסי מוצג על- הרכב תתגרעיני הפריט הראשונים יופיעו על גבול גרעיני . פאזי-נתך נכנס לשטח דו הbבנקודה : מתחיל תוך קירור איטי

לכן גידול הפריט , התמוססות פחמן בפריט היא קטנה בהרבה מהתמוססות פחמן באוסטניט. האוסטניט

, dבנקודה . גרעיני הפריט גדליםcרור האיטי לנקודה יבהמשך הק. מלווה בדחיית פחמן חזרה לאוסטניט ).1.8ראה איור (האוסטניט הופך לפרליט , דיתימפרטורה אוטקטואמתחת לט

Weight percent carbon

723oC

AusteniteFerrite +Austenite

0.54%

b

c

d

a

e

Pearliteand Ferrite

α + γ

0.83 %0.50 %

Temperature oC

723

210

910

0.025 %

α

Pearlite

Weight percent carbon

723oC

AusteniteFerrite +Austenite

0.54%

b

c

d

a

e

Pearliteand Ferrite

α + γ

0.83 %0.50 %

Temperature oC

723

210

910

0.025 %

α

Pearlite

.אוטקטואידי- נתך תת:1.7 איור

8

Austeniteγ

Ferrite nuclie

Austenite Austenite

FerritePearlite

Austeniteγ

Ferrite nuclie

Austenite Austenite

FerritePearlite

. מעבר האוסטניט לפרליט:1.8איור

דיותיאוטקטוא- פלדות על

hבנקודה . הנתך אוסטניטיgבנקודה ). 1.9ראה איור (gkידי קו -אוטקטואידי טיפוסי מוצג על-לעהרכב רור כמות הצמנטיט הולכת וגדלה יבהמשך הק. נטיט הראשונים מופיעים על גבול גרעיני האוסטניטגרעיני הצמ

המבנה הסופי מופיע . מתחת לטמפרטורה האוטקטואידית כל האוסטניט הנשאר הופך לפרליט. i בנקודה - .1.10באיור

Weight per cent carbon

1.2%Austenite

g

h

ij

k

To 6.7%

Tem

pera

ture

o C

Pearliteand Ferrite

α + γ

0.83 %0.50 %

723

210

910

0.025 % Pearlite and Cementite

α + Fe3C

2 %

Weight per cent carbon

1.2%Austenite

g

h

ij

k

To 6.7%

Tem

pera

ture

o C

Pearliteand Ferrite

α + γ

0.83 %0.50 %

723

210

910

0.025 % Pearlite and Cementite

α + Fe3C

2 %

.אוטקטואידי- נתך על:1.9איור

.צמנטיט+ רליט אוטקטואידי פ- נתך על:1.10איור

9

יציקת ברזל מצבמתאר 1.5 איור, כפי שהזכרנו. רור בהתמצקות ובהרכב הנתךיהמבנה של יציקות ברזל תלוי בקצב הק

אינו פאזה יציבה ותוך זמן ארוך בטמפרטורה Fe3C הקרביד. משקל מטסטבילי בין ברזל לקרביד-שיוויאפשר לראות את ההבדלים בדיאגרמת שיווי ' ב1.11 - ו'א1.11 באיורים. גרפיט+ ך לברזל וגבוהה הוא יהפ

.Fe-Cלבין Fe-Fe3C משקל בין המערכות

0 1 2 3 4 5 6 8 10

Weight % carbon

4.26 %1154oC

L + graphite

γγγγ + graphite

αααα + graphite

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 6.8

Weight % carbon

4.30 %1148oC

γγγγ + graphite

αααα + Fe3C

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Cast ironSteel

727oC

Cementite (Fe3C)

.ב.אFe C Fe Fe3C0 1 2 3 4 5 6 8 10

Weight % carbon

4.26 %1154oC

L + graphite

γγγγ + graphite

αααα + graphite

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 6.8

Weight % carbon

4.30 %1148oC

γγγγ + graphite

αααα + Fe3C

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Cast ironSteel

727oC

Cementite (Fe3C)

.ב.אFe C Fe Fe3C

,Fe-Cמשקל -דיאגרמת שיווי. ב, Fe-Fe3Cמשקל -דיאגרמת שיווי. א:1.11איור

.ASM Handbook, vol.3, p. 25 (1992)ראה

יציקת ברזל אפורה

a

b

c

liquid

Primary graphite

liquid

eutectic reaction incomplete

eutectic reaction incomplete

eutectic reaction incomplete

eutectic reaction incomplete

graphite pearlite pearlite

eutectic structure (graphite and γ)

graphiteγ

γ

0 1 2 3 4 5 6 8 10

Weight % carbon

4.26 %1154oC

L + graphite

γγγγ + graphite

αααα + graphite

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 6.8

Weight % carbon

4.30 %1148oC

γγγγ + graphite

αααα + Fe3C

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Cast ironSteel

727oC

Cementite (Fe3C)

Fe C

Fe Fe3C ).אוטקטואידית-על( קירור יציקת ברזל אפורה :1.12 איור

10

. 1.12ראה איור , (Hypereutectic)אוטקטואידי - פחמן על5%נעסוק בהתמצקות נתך

התגובה האוטקטית C1154oבטמפרטורה ). בציורacקו (תוך קירור איטי גבישי גרפיט מתבדלים מהנוזל

4.26 - התמוססות הפחמן יורדת מγ+ בתחום של גרפיט . מתרחשת ושאר הנוזל הופך לאוסטניט וגרפיטwt%נקודה (ולכן הפחמן המיותר מתבדל על גבישי הגרפיט הקימים , 0.77 - לc .( במהלך הקירור לטמפרטורת

. החדר האוסטניט הופך לפרליט

pearlite

graphite

pearlite

graphite

. צילום של יציקת ברזל אפורה:1.13איור

צילום של יציקת . ידי הגרפיט- אה האפור של שטח החתך שנגרם עליציקת ברזל אפורה קרויה כך על שום המר

. זרחןידי צורן ו-יציבות הגרפיט ביציקת הברזל האפורה מוגברת על. 1.13ברזל אפורה ניתן לראות באיור . יציקת ברזל אפורה היא חומר פריך העמיד במאמצי לחיצה. הגרפיט יכול להופיע בצורה תולעית או נודולרית

קת ברזל לבנהיצי

liquid

primary austenite

Fe3C

primary austenite

γ

Fe3C

Fe3C

pearlitepearlite

eutectic structure

higher magnifi-cation

0 1 2 3 4 5 6 6.8

Weight % carbon

4.30 %1148oC

γγγγ + graphite

αααα + Fe3C

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

727oC

Cementite (Fe3C)

liquid

primary austenite

Fe3C

primary austenite

γ

Fe3C

Fe3C

pearlitepearlite

eutectic structure

higher magnifi-cation

0 1 2 3 4 5 6 6.8

Weight % carbon

4.30 %1148oC

γγγγ + graphite

αααα + Fe3C

γγγγ + L

L

γγγγ

αααα + γγγγ

αααα

Temperature oC

400

600

800

1000

1200

1400

1600

727oC

Cementite (Fe3C)

).אוטקטית-תת(רור יציקת ברזל לבנה י ק:1.14 איור

. במקום הגרפיטFe3C רור די מהיר במשך ההתמצקות נוצר הקרבידיבקצב ק+ רור עוברים מנוזל לנוזליבמהלך הק. פחמן3.8%רור של נתך י מראה מהלך התמצקות וק1.14איור

). יתבדל קודםFe3C, אוטקטי-אם הנתך הוא על(של אוסטניט ים הגבישים הראשונים לפה מתבד. טאוסטני

דית יכך שבשעת המעבר דרך הטמפרטורה האוטוקטוא, CFe3+γבהמשך הקירור עוברים את התחום

הכמות היחסית של צמנטיט במבנה היא כה רבה עד . 'ב1.15 -ו' א1.15ראה איורים , האוסטניט הופך לפרליט

11

אחד משימושיו נובע מכושרו לספוג ולבלום . יקת הברזל הלבנה היא חומר מאוד פריך וקשהכדי כך שיצ . לבןההשם של היציקות נובע מצבע השבר . רעידות

.אוטקטית-יציקת ברזל לבנה תת. ב, אוטקטית-יציקת ברזל לבנה על. א:1.15איור

חוק המנוף-נוכל גם לחשב את כמות הפאזות בתחום דו, משקל-שיוויאת הרכבן מדיאגרמת יבנוסף לזיהוי פאזות ולקר

שימוש בחוק המנוף לצורך דוגמאות של ארבע מצורפות בהמשך הפרק. המנוף הקרוי חוקפאזי לפי חוק .פחמן- בדיאגרמת ברזל הכמויות של הפאזות השונות חישוב

?פריט והאוסטניטמהן כמויות ה .C850o - פחמן ב%1.0 נתך :1דוגמא

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xγγγγ xαααα

x

0.02 0.210. 1

Wt% C

850

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xγγγγ xαααα

x

0.02 0.210. 1

Wt% C

850

.1 דוגמא – הדגמת חוק המנוף :1.16איור

: ניתן לראות בקירוב1.16מתוך הגרף שבאיור

פחמן~0: נקיαהרכב

פחמן% γ :0.21הרכב

מצד (α -קוראים את הרכב ה. פאזי-בין שני הצדדים של התחום הדו C850oמותחים קו אופקי בטמפרטורה פחמן0.21%אוסטניט מצד ימין שהוא הפחמן והרכב ~ 0%שהוא ) שמאל

48%00.21

00.1====

−−−−

−−−−52%, כמות האוסטניט =

00.21

0.10.21====

−−−−

−−−− כמות הפריט=

12

?מהן כמויות הפריט והאוסטניט .C750o - פחמן ב%1.0 נתך :2דוגמא

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xγγγγ xαααα

x

0.01 0.650. 1

Wt% C

750

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xγγγγ xαααα

x

0.01 0.650. 1

Wt% C

750

.2 דוגמא – הדגמת חוק המנוף :1.17איור

: ניתן לראות בקירוב1.17מתוך הגרף שבאיור

פחמן~α:%01.0הרכב

פחמן~γ:%65.0הרכב

מצד (α -קוראים את הרכב ה. פאזי- שני הצדדים של התחום הדו ביןC750oמותחים קו אופקי בטמפרטורה . פחמן0.65%אוסטניט מצד ימין שהוא הפחמן והרכב ~ 0.01%שהוא ) שמאל

כמות הפריט= 86%0.010.65

0.10.65====

−−−−

−−−−כמות האוסטניט= , 14%

0.010.65

0.010.1====

−−−−

−−−−

?פרליטמהן כמויות הפריט וה . החדר פחמן בטמפרטורת%2.0 נתך :3דוגמא

: ניתן לראות בקירוב1.18מתוך הגרף שבאיור

פחמן~α:%0הרכב

פחמן~%77.0: פרליט הרכב

מצד (α -הקוראים את הרכב . פאזי- בין שני הצדדים של התחום הדוC600oמותחים קו אופקי בטמפרטורה . פחמן0.77% מצד ימין שהוא הפרליטפחמן והרכב ~ 0%שהוא ) שמאל

13

.3 דוגמא – הדגמת חוק המנוף :1.18איור

כמות הפריט= 74%00.77

0.20.77====

−−−−

−−−−כמות האוסטניט = , 26%

00.77

00.20====

−−−−

−−−−

?פרליטמהן כמויות הפריט וה. C660o פחמן בטמפרטורה %0.6 נתך :4דוגמא

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xp xαααα

x

0.01 0.770. 6

Wt% C

660

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xp xαααα

x

0.01 0.770. 6

Wt% C

660

.4 דוגמא – הדגמת חוק המנוף :1.13איור

: ניתן לראות בקירוב1.19מתוך הגרף שבאיור

פחמן~α:%0הרכב

פחמן~%77.0: פרליט הרכב

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xp xαααα

x

0.01 0.770. 2

Wt% C

600

800

1000

αααα + Fe3C

αααα + γγγγ

6.70

912

T oC

723

xp xαααα

x

0.01 0.770. 2

Wt% C

14

מצד (α -קוראים את הרכב ה. פאזי- בין שני הצדדים של התחום הדוC660oמותחים קו אופקי בטמפרטורה . פחמן0.77% מצד ימין שהוא הפרליטפחמן והרכב ~ 0%שהוא ) שמאל

כמות הפריט= 22%00.77

0.60.7.7====

−−−−

−−−−78% הפרליטכמות = ,

00.77

00.6====

−−−−

−−−−

המעבדהמהלך .דגם המטלוגרפי והפעלת המיקרוסקופ המטלוגרפיקבלת הסבר על הכנת ה .1 .דגם מבקליט באמצעות כבישה בחום- דפינת המתכת בבית: הכנת דגם מטלוגרפי. 2 : ליטוש ואיכול, השחזה. 3הדגם מוחלק ידנית . המונחים על גבי משטח קשה וחלק, נעשית על גבי ניירות השחזה,השחזת פני הדגם. א

עם החלפת נייר o90 -שינוי כיוון העבודה במומלץ . כאשר מופעל עליו לחץ קל ואחיד,לאורכו של כל הניריש להמשיך . ידי הניר הנוכחי-כך שהשריטות מהניר הקודם תהינה ניצבות לאילו הנוצרות על, ההשחזה

.בהשחזה על גבי אותו הניר עד שכל השריטות מהניר הקודם נעלמות

כאשר פעולת ההשחזה מתחילה על הניר הגס ביותר , grit 1000 ,600 ,400 ,320 ,240תעשה בניירות ההשחזה

(240 grit) יש להקפיד על קירור הדגם ). בעלי גרגירים קטנים יותר(ונמשכת בהדרגה על ניירות עדינים יותרמומלץ במעבר בין שלבי . בנוזל במהלך ההשחזה למניעת שינוי המבנה כתוצאה מחימום יתר של הדגם

.ההשחזה השונים לשטוף את הדגם במים זורמיםמטרת שלב זה היא להיפטר מהשריטות שנגרמו בשלבים הקודמים וליצור פני שטח . ליטוש הדגם ושטיפתו. ב

כחומר השחיקה משתמשים בתרחיף . שלב זה נעשה על גלגלים מאוזנים מסתובבים המכוסים בד. אחידים

)OAl(לדוגמא אבקת אלומינה , ים קשיםהמכיל חלקיק , mµ5מתחילים ללטש עם חלקיקים בקוטר. 32

m05.0 ולבסוף עם חלקיקים עדינים בקוטרmµ3.0כ "אח µ .לשנות את כיוון העבודה במומלץ - o90 ומזיזים אותו , לוחצים את הדגם כנגד הגלגל המסתובב, בעת הליטוש.בין שלבי הליטוש השוניםבמעבר

יש לדאוג לסיכתו של . כדי לא לגרום לעיוותים מכניים, אין ללחוץ על הדגם חזק מדי. בתנועות סיבוביותיש . עות בקבוק התזהומדי פעם הוספתו של תרחיף ליטוש נוסף באמצ) בדרך כלל מים(הגלגל בהתאם לצורך

.לנקות היטב את הדגם וידי המפעיל במעברים משלב ליטוש אחד למשנהו .חם/ ייבוש באוויר קר.שטיפת הדגם במים ובאלכוהול. ג

. 3HNO חומצה חנקתית 3%+ אלכוהול 97%: (Nital) באופן כימי באמצעות תמיסה מאכלת אכול הדגם. ד

העיקרון של . ה זאת הינו חשיפת השטח המלוטש לפעולת ראגנט כימי תחת תנאים מבוקריםעיקרה של פעולהרי שכל פאזה מגיבה בצורה שונה עם הראגנט הכימי , כאשר מדובר בנתך ובמספר פאזות: תהליך האיכול

באם . דבר שמאפשר להבחין בין הפאזות השונות תחת המיקרוסקופ, שמשתמשים בו בגלל הרכבה השונההיות . על השטח המלוטש נמצא באורינטציה שונה) גביש(הרי שכל גרעין , דובר בדגם הומוגני רב גבישימ

הרי שמתגלים הגרעינים השונים והגבולות , ומהירות הריאקציה הכימית תלויה גם בכיוון הקריסטלוגרפיוכמו כן , ה מחצי שעהזמני האיכול משתנים לגבי מתכות ומאכלים שונים ממספר שניות ועד למעל . ביניהם

יש בידינו אפשרות טובה יותר , ככל שהאיכול איטי יותר. ישנה חשיבות לטמפרטורה שבה מתרחש האיכולואז הדגם מוכן לבדיקה , במים ואלכוהולבתום האיכול יש לשטוף את הדגם .לשלוט על התהליך

.המיקרוסקופית חמן משתנה וכן דגמים שעברו טיפולים תרמיים שונים פחמן בעלי ריכוז פ-בדיקה מטלוגרפית שלדגמי ברזל. 4

וזיהוי המבנה .1.3כמוראה בטבלה הבאה , פחמן בעלי ריכוז פחמן משתנה-במהלך המעבדה יבדקו מטלוגרפית דגמי ברזל

15

.הדגמים שיבדקו במעבדה הנוכחית מסודרים לפי שיעור הפחמן: 1.3טבלה

פחמןwt % מספר הדגם1 0 2 0.3 3 0.5 4 0.7 5 0.8 6 1.4 )חיסום (0.6% 7

)650oC -הרפיה ב + חיסום (0.6% 8 3%ברזל יציקה לבן 9

3%ברזל יציקה חשיל 10

4%ברזל יציקה אפור תולעי 11 4%ברזל יציקה ספרואידי 12

:לכל דגם יש לרשום את הפרטים הבאים. הכן טבלה לדגמים הללו

הרכב. א ימותפאזות קי. ב .השונות ומתן הסבר על המבנה ותלות התכונות המכניות במבנה ציור סכימתי של הפאזות. ג . התייחס לדגמים שעברו טיפולים תרמיים והסבר את התהליך ואת השפעתו על תכונות החומר. ד

ח"הוראות לעריכת הדו . IV-VIבדות החומרים עמודים של המבוא למעIIעריכת הדוח בהתאם להוראות המפורטות בסעיף . אכיצד יכולה מעבדה מסוג לעזור בפתרון . התייחס לשימושים אפשריים בבדיקות מטלוגרפיות בתעשייה. ב

.בעיות הנדסיות בתעשייהמצא לפחות שני אתרי אינטרנט מעניינים העוסקים בתחום המטלוגרפיה ושני אתרי אינטרנט נוספים . ג

.פחמן- הפאזות ברזלהעוסקים בתחום דיאגרמות? הכיצד. שם לב שהטבלה המאוירת שאתה מכין בסעיף תוצאות מפורטת כראוי ויכולה לשמש אותך בעתיד. ד

.דון על כך בסעיף ניתוח תוצאות ודיוןהסברים נוספים שהית רוצה , כולל רעיונות לשיפור המעבדה, פרט את התרשמותך האישית מתוך המעבדה. ה

.מהלשמוע בתחום וכדו

ספרות מומלצת

).1994( מעבדה מטלורגית – 230ב "יה, מבוא לתורת החומרים והתהליכים, נעם אליעז

).1974(הוצאת מכלול , מבוא להנדסת חומרים, נדיב ורוזן, ברנדון, אלון – גליליאו, "?ר'למג' האם ניתן היה למנוע את אסונות הטיטאניק והצ–חקר כשלונות חומרים ", נה אשכנזיד

.34 - 20עמודים , 2007מרץ , 103גיליון , כתב עת למדע ולמחשבה

ASM Handbook, vol. 9, Metallography and Microstructures, ASM International, Materials Park, OH (1985). ASM Handbook, vol.1, Properties and Selection: Iron, Steels and High-Performance Alloys,

ASM International, Materials Park, OH (1990).

16

ASM Handbook, vol.3, Alloy Phase Diagram, ASM International, Materials Park, OH (1992).

Bousfield, B., Surface Preparation and Microscopy of Materials, John Wiley & Sons, N.Y. (1994), pp.58, 232-258. Cahn, R.W., Physical Metallurgy, North-Holland Pub. Comp., London (1970), Chap. 12, p.205. Callister, N.D., Materials Science & Engineering an Introduction, Fifth Edition, John Wieley & Sons, Inc., N.Y. (1999). Gordon, P., Principles of Phase Diagrams in Materials Systems, McGraw-Hill Book Company, N.Y. (1968). Hansen, M and Anderko, K., Constitution of Binary Alloys, 2nd edition, McGraw-Hill Book Company, N.Y. (1969). Vander Voort, G. F., Metallography, Principles and Practice, McGraw-Hill Book Co., N.Y. (1984).

אתרי אינטרנט מומלצים

http://www.e-mago.co.il/Editor/science-1731.htm http://www.metallography.com http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/abstracts/CP1b.html http://www.mee-inc.com/metal1.html http://www.paxcam.com/imagelibrary.asp http://www.umist.ac.uk/MatSci/research/intmic/phase/fec_diag.htm http://www.ul.ie/~walshem/fyp/iron%20carbon%20diagram.htm

פחמן- מטלוגרפיה והכרת דיאגרמת הפאזות ברזל- מילון מושגים

, ות מגנטיותבעל תכונ, משיך וקל לעיבוד, מוליך טוב חשמלית ותרמית, חומר שצבעו אפור מבריק:)Fe(ברזל

. והינו חומר קל למחזור

נתכים אלה נועדו להיות יצוקים . סיליקון1.0-3.0% - פחמן ו2% נתכי ברזל המכילים מעל :ברזל יציקהדבר , הם בעלי ערכים נמוכים יחסית של חוזק לנגיפה ומשיכות. במקום להיות מעובדים במצב מוצק, לצורתם

. המגביל את השימוש בהם

-תולעי גרפיט המוקפים ב/כלל מבנה של פתיתי-בדרך wt% C , .1-3 wt% Si 2.5-4: הרכב :יקה אפורברזל יצ

αמבנה של ברזל היציקה האפור -המיקרו. מדובר על פלדה חלשה ופריכה מבחינה מכנית. פריט או בפרליט

עמידות : יתרונות .יריםידי קירור בקצבי קירור מה-או על) Si -הפחתת כמות ה(יכול להשתנות שינויים בהרכב

17

ברזל יציקה . לנתך זה זרימות טובה בטמפרטורת היציקה, בנוסף במצב המותך. טובה בויברציות ובשחיקה .אפור הוא החומר הזול ביותר מבין הנתכים המתכתיים התעשייתיים

הקירור גבוהים נמוך וקצבי Si -כאשר ריכוז ה .wt% Si 1 -פחות מ , wt% C 2.5-4:הרכב :לבןברזל יציקה משטח השבר של נתך זה נראה בהיר ומכאן בה . רוב הפחמן יופיע בצורת צמנטיט ולא בצורת גרפיט, יחסית

דבר , וקשה מאוד לעבדו, ברזל היציקה הלבן הוא מאוד קשה אך גם מאוד פריך .השם ברזל יציקה לבןרים בהם נדרשת קשיות מאוד גבוהה השימושים של ברזל יציקה לבן הם רק עבור מק .המקטין את השימוש בו . או כדורי טחינה במטחנות, לדוגמה גלגיליות של מערגלים, ועמידות טובה בשחיקה

חימום של ברזל יציקה לבן לטמפרטורה של . Si%wt1 -פחות מ, C%wt4 -.52 :הרכב :חשילברזל יציקה

800-900oC ,ידי מטריצה - המוקפות על, )רוזטות(שנים גורם לפרוק הצמנטיט ולהתבדלות של גרפיט בצורת שולברזל יציקה חשיל ישנו חוזק גבוה ובנוסף הוא חומר משיך ונוח ). תלוי בקצב הקירור(של פריט ופרליט

.חלקי שסתומים, חלקים שונים בתעשיית הרכב, מוטות הילוכים: שימושים. לעיבוד

הצורה הבסיסית של סידור . מימדי של חומר מוצק-גביש הינו המבנה התלת. מבנה בעל סידור מחזורי :גביש. הסריג בנוי מאוסף של תאי יחידה החוזרים על עצמם בצורה מסודרת. האטומים בגביש המוצק קרויה סריג

החלקיקים המרכיבים את הגביש יכולים להיות אטומי מתכת כאשר מדובר בקשר מתכתי או יונים כאשר . בישים נקרא התגבשותתהליך יצירת הג. מדובר בקשר יוני

היא מתחילה מנקודות . ההתמצקות של חומר נוזלי בעת הקרור אינה מתבצעת בבת אחת בכל הנפח:גרעינים

מנקודות אלה היא מתפשטת בחומר עד שכל החומר הופך . פי רוב באזורים של אי נקיונות-על, מסויימות בנוזל. שכל אחד מהם מקורו בנקודת התמצקות שונה, מוצקתופעה זאת יוצרת אזורים מוגדרים בחומר ה. מוצק

גבול משטח המפגש בין הגרעינים הוא . האזורים שונים זה מזה בכיווניות הגבישים והם נקראים גרעינים .ועל כן ניתן לראותו כפגם משטחי, אשר מהווה איזור של אי התאמה מבחינת רצף המבנה, הגרעין

ת מבנה החומר כתלות בריכוז היסודות השונים וכתלות בטמפרטורה דיאגרמה המתארת א :דיאגרמת פאזות

-דיאגרמת פאזות מתארת את מצבה המיקרוסקופי של מערכת מבחינת המבנה בתנאים של שיווי. ובלחץמבחינה טכנית הדבר יתכן רק אם התהליכים איטיים . לכן היא מתארת תהליכים הפיכים. משקל תרמודינמי

.ביותר

דיאגרמת פאזות אוטקטית דיאגרמת פאזות של תמיסה מוצקה

CFeמשקל-דיאגרמת שיווי :פחמן- ברזלדיאגרמת פאזות : והפאזות המופיעות בה הן, C%7 המוצגת עד −

היא פאזה הקיימת בטמפרטורות FCC(γ( - אוסטניט. δ-ברזל, יטלדבור, פרליט, צמנטיט, אוסטניט, פריט

C910727האוסטניט פאזה יציבה בין הטמפרטורות (גבוהות o− .פריט. זוהי פאזה רכה ומשיכה -

)BCC(α . תרכובת סטויכומטרית בין - צמנטיט. פחמן-ברזלזוהי הפאזה הרכה ביותר הקיימת בדיאגרמת

פאזה זו . תערובת בין אוסטניט וצמנטיט- לדבוריט. פאזה קשה ופריכה יחסית. CFe3 -ברזל לפחמן

לטמפרטורות האופייניתBCC פאזה בעלת מבנה - δδδδברזל . פחמן2% -מתקיימת כאשר הברזל מכיל למעלה מ . גבוהות והינה בעלת תכונות מגנטיות

18

פחמן אינה מספקת די אינפורמציה מאחר -דיאגרמת הפאזות ברזל, כאשר הקירור מהיר:TTTדיאגרמת לצורך השימוש ההנדסי הוכנה דיאגרמה של הפאזות השונות המתקבלות כתלות . שהיא חסרה את ציר הזמן

TTT (Time-Temperature-Transformation)דיאגרמה זאת נקראת . ועובזמן ועבור ריכוז פחמן קב' בטמפואת השינויים , מסוימת' והיא מראה את המבנים המתקבלים מאוסטניט כאשר מקררים אותו במהירות לטמפ

והיא תערובת של פריט , פאזה המתקבלת בעת קירור מהיר- ביאניט. במבנה המתקבלים בו כתלות בזמןתא . לוחיות/בעלת גרעינים מאורכים דמויי מחטים. פאזה הנוצרת בעת קרור מהיר- מרטנזיט. וקרביד

אך , מדובר בפאזה בעלת קשיות וחוזק גבוהים. הכולא בתוכו אטום פחמן, מעוותBCTהיחידה בעל מבנה . מאוד פריכה

הסגסוגת יורדת כאשר הטמפרטורה של. תהליך יצירת פאזה חדשה מתוך פאזה מוצקה רווית יתר :התבדלות

כ על גבולות הגרעינים "בדר, מתחילה נוקלאציה של פאזה חדשה, של כושר ההמסה המקסימלי' מתחת לטמפ . של פאזת האם

100 :חוק המנוףlinetieoflengthtotal

leverofarmoppositeprecentPhase ×=

.ולולמעשה חוק המנוף מאפשר מעבר מריכוז של פאזות לכמות היחסית של הפאזות ביחס לחומר כ

1PCF :חוק הפאזות של גבס +−= אם . מציין שהטמפרטורה משתנה והלחץ קבוע+1, מספר הרכיביםC, מספר דרגות החופשFכאשר

. +2יש לקחת במשוואה , הטמפרטורה והלחץ שניהם משתנים

אוסטניטית ומצננים אותה במהירות במים לאחר ' תהליך שבו מחממים פלדה לטמפ :)Quenching(חיסום שבמצב , הצינון המהיר של הפלדה בנוכחות ריכוז פחמן גבוה בהרכבה גורם לכך. הומוגניזציה של האוסטניט

וא המבנה הקשה והפריך ביותר המוכר שה, מרטנזיטהנקרא , יש לפלדה מבנה גבישי מיוחד במינו" מחוסם"

למבנה FCCאטומי הברזל שואפים לעבור ממבנה . ומכאן שהוא בעל התנגדות מירבית לשחיקה, בפלדה

BCC ,תחת עדשת . התוצאה היא קבלת מרטנזיט;אולם לאטומי הפחמן אין אפשרות לצאת ממקומם . המיקרוסקופ נראות דיסקיות המרטנזיט כמחטים

כתוצאה . מבניים בחומר נתון- חימום או קירור בקצבים שונים במטרה לקבל שינויים מיקרו:יטיפול תרמ

: קבוצות3 - החומרים מתחלקים ל. מכך מקבלים מגוון רחב של תכונות פיסיקליות ומכניות בחומרים שונים שמגיבים לזיקון ואלה, )סגסוגות טיטניום, פלדות(אלה שמגיבים לחיסום , אלה שאינם מגיבים לטיפול תרמי

).על-סגסוגות אלומיניום ונתכי(

. הקו בדיאגרמת הפאזות המפריד בין האזור המכיל רק נוזל לאזור המכיל תערובת של מוצק ונוזל :ליקווידוס

C910עד :מעברים אלוטרופיים o הברזל הוא בעל מבנה ( ) BCCFeα , ביןC910 oל - C4001 o הוא

)בעל מבנה ) FCCFeγ , וביןC4001 o ועד לנקודת ההיתוך הוא בעל מבנה BCCפחמן בתוך . שניתFeγ

. פריטמיסה מוצקה חדירה הנקראת יוצר תFeαפחמן בתוך , אוסטניטיוצר תמיסה מוצקה חדירה הנקראת נקרא ) מבנה למלרי(המונחות זו ליד זו במבנה של שכבות ) קרביד הברזל (צמנטיטמבנה של פאזות פריט ו

.פרליט

הופך לבלתי יציב ושואף להפוך , המקורר באופן פתאומי מתחת לנקודת ההתמצקות שלו, נוזל :נוקלאוסיםטמפרטורת הנוזל בקרבת , כשיוצקים מתכת נוזלית לתוך תבנית קרה. שהינו מצב יציב בטמפרטורה זו, למוצק

) מוקדי התמצקות(ונוצרים נוקלאוסים של מוצק , דופן התבנית יורדת מהר מתחת לטמפרטורת ההתמצקותנוקלאוסים אלה גדלים מהר לגרעינים בעלי צורה פחות או יותר כדורית . על דופן התבנית ובקרבתה

צריך להתפזר דרך , בנוסף לחום של המתכת הנוזלית, חום כמוס זה. ה של חום כמוסומשתחררת כמות גדול. קצב הוצאת החום יפקח לכן על קצב הגידול של הגבישים. קירות התבנית והשכבה הדקה שהתמצקה

. ומתקבל מהנה של גרעינים מאורכים בעלי קריסטלוגרפיה אופיינית, הגרעינים הקיימים ממשיכים לגדול

19

(a) (b) (c) (d)(a) (b) (c) (d)

היווצרות הינו שלב של )d(, הינם שלבי גידול גבישים)c(- ו)b(, שלב היווצרות הנוקלאוסים)a(: באיור .וגידול של גרעינים והיווצרות גבולות גרעין

, נוקלאוסיםהנקראים , וצרות חלקיקים קטנים של פאזה חדשהשלב הנוקלאציה הוא שלב של היו :נוקלאציה הוא הגדלת נפח החלקיקים עד אשר כל הפאזה הקודמת הופכת לפאזה חדשה או עד אשר הפאזה הגידול שלבו

. החדשה מגיעה לגודלה הסופי

. נוקלאציה אחידה בכל הנפח :נוקלאציה הומוגנית

כמו דפנות הכלי בשעת התמצקות או גבולות , מועדפים לנוקלאציהכאשר ישנם מקומות :נוקלאציה הטרוגנית . הנוקלאציה אינה אחידה בחומר, גרעינים בשעת מעבר פאזה

בדיאגרמת הפאזות קיימת נקודה בה המעבר מנוזל למוצק נעשה בטמפרטורה קבועה ולא :נקודה אוטקטית .ופיעה בריכוז והטמפרטורה קבועיםוהיא מ, נקודה זאת נקראת נקודה אוטקטית. בתחום טמפרטורות

. הקו בדיאגרמת הפאזות המפריד בין האזור המכיל רק מוצק לאזור המכיל תערובת של מוצק ונוזל:סולידוס

. ידי תאי היחידה של הגביש- הסידור התלת ממדי הנוצר על:סריג

מרבית המתכות . ריגי ברווההנקראים ס, סוגי סריגים שונים14 - המתכות בטבע מסודרות ב:סריגי ברווה :בטבע נכללות באחד משלושת הסריגים הבאים

BCC (Body Centered Cubic) – 2אטומים לתא יחידה .

FCC (Face Centered Cubic) – 4אטומים לתא יחידה .

HCC (Hexagonal Closed Packed) – 2אטומים לתא יחידה .

FCC (Face Centered Cubic), CN=12, PF=0.74 . Au, Ag, Ni, Fe, Cu, Al, Pb: דוגמאות

BCC (Body Centered Cubic), CN=8, PF=0.68

.Fe, W, Mo: דוגמאות

HCP (Hexagonal Close Packed), CN=12, PF=0.74 . Mg, Zn, Ti: דוגמאות

HCP FCC BCC

20

, במונח פאזה נכללים מצבי הצבירה גז. ות אופייניותבעל תכונות כימיות ופיסיקלי) אחיד(מבנה הומוגני :פאזה: דוגמאות. מבעד למיקרוסקופ) מבנים שונים(גם במצב מוצק ניתן להבחין בפאזות שונות , אולם. מוצק, נוזל

ואילו ברזל FCCברזל אוסטניטי הינו בעל מבנה ) H2O .2קרח ומים הם שתי פאזות של החומר המולקולרי ) 1

.BCCמבנה פריטי הינו בעל

כאשר ליסוד מסוים ישנם מספר מבנים קריסטלוגרפים שונים בתנאים : (polymorphism) פולימורפיזם

.(Fullerens Buckyball) 60כמבנה יהלום וכפחמן , היסוד פחמן יכול להופיע כגרפיט, לדוגמא, שונים

. של פחמן) 1% -פחות מ' בדרכ( חומר בעל חוזק גבוה שהינו שילוב בין ברזל לבין כמויות קטנות :פלדה. פחמן מתארת את סוג הפאזות הקימות בפלדות שונות כתלות בהרכב הפחמן ובטמפרטורה-דיאגרמת ברזל

10% -פחמן המכילה למעלה מ-הינה פלדה דלת, (stainless steel) מ" פלבהקרויה בקיצור, חלד-פלדת אל

שימושים של ברזל ). שיתוך(ת עמידותה בקורוזיה תוספת זאת של כרום היא המקנה לפלדה א. (Cr)כרום מוצרי , מגנטים, מכוניות, מסילות ברזל, רכיבים אלקטרונים, שלד לגורדי שחקים, שלד לגשרים: ופלדות . מטבעות ועוד, מכונות תעשייתיות, צעצועים, ספורט

0.6%, (Si) סיליקון 0.6% -ולא יותר מ, (C) פחמן 1.5%-0.05% הינם נתכי ברזל המכילים :ות פחמןפלד

כאשר , לשימושים לא תעופתיים כ משתמשים בפלדות פחמן"בד (Mn). מנגן 1.65% - ו(Cu)נחושת י חמצן בנוכחות "פלדות פחמן מחלידות ע. השיקולים העיקריים הם נוחות הייצור ומחירו הנמוך של החומר

).'ציפוי וכו, ביעהצ(ויש להגן עליהן במידת האפשר , לחות בטמפרטורת החדר/מים

שזוהי למעשה , האטומים מסודרים במבנה חוזר הנקרא תא יחידה, כאשר למוצק יש מבנה גבישי:תא יחידה .היחידה הבסיסית המבטאת את הסימטריה של הגביש

.β+α→liquid : בה מתרחש מעבר מנוזל לפאזות מוצקות תגובה :תגובה אוטקטית

כ אין מקבלים באחוזים נמוכים פאזה "בד, שמתחלים להוסיף יסוד אחד ליסוד האםכ :תמיסה מוצקהכ גבול המסיסות "בדר(' טמפ: גבול המסיסות במצב מוצק תלוי במספר גורמים. אלא תמיסה מוצקה, מוצקה

ההבדל , )1 -צריך שהיחס יהיה קרוב ל(היחס בין הקטרים האטומים של המרכיבים , )עולה עם הטמפרטורההאלקטרונגטיביות , אם קיים הבדל גדול קיימת אפשרות ליצירת תרכובות ביניהם(רכיות של היסודות בע

).יסוד בעל מספר קטן יותר של אלקטרונים חופשיים יומס יותר בקלות(