فازها وساختارهاي بلوري

۱-۱ 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 ۱-۱ 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 ۸/۰ درصد استحكام تسليم از ۱۰۳ Mpa (1500psi) به ۴۴۸ Mpa (65000 psi) افزايش يافته و انعطاف پذيري از ۶۲ درصد به ۱۴ درصد

كاهش مي يابد. اگر فولاد ياد شده به مدت يك ساعت در ۱۰۰۰ درجة سانتگيراد حرارت داده شود و سپس به آهستگي (به عنوان مثال در مدت ۲۴ ساعت) تا ۲۵ درجة سانتگيراد سرد شود، ميكروساختار نشان داده شده در شكل ۱-۱ (ج) به دست مي آيد. فولاد ياد شده داراي استحكام تسليم ۴۴۸ Mpa (6500 psi) و انعطاف پذيري ۱۴ درصد است. ليكن، اگر فولاد ياد شده به مدت يك ساعت در ۱۰۰۰ درجة سانتگيراد حرارت داده شود و سپس خيلي سريع (سرد كردن در آب) تا ۲۵ درجة سانتيگراد سرد شود ميكروساختار كاملاً تغيير كرده و مشابه شكل ۱-۱ (هـ) خواهد شد.

در اين حالت استحكام تسليم تا ۲۰۷۰ Mpa (300000 psi) افزايش يافته و انعطاف پذيري تا ۱ 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 ۵۰۰ درجة سانتگيراد نگه داشته و سپس تا دماي اتاق سرد كنيم ميكروساختار نشان داده شده در شكل ۱-۱ (و) به دست مي آيد. در اين حالت انعطاف پذيري تا ۷ درصد افزايش مي يابد ولي استحكام تسليم به ۹۶۶ 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.

۱-۲ 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 ۲ درصد كربن (معمولاً يك و يا كمتر از آن) اند. بنابراين، قسمتي از نمودار كه داراي كمتر از ۲ 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 ۱-۲ 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 ۷۷۰ درجة كلوين و ۱۱۰ كيلوبار است.
۱-۲-۱ 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 ۹۱۲ درجة سانتيگراد آهن گاما يا آهن آستنيتي در دماهايي بين ۹۱۲-۱۳۹۴ درجة سانتيگيراد و آهن دلتا از ۱۳۹۴ درجة سانتيگراد تا نقطة ذوب آهن خالص يا ۱۵۳۸ 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 ۱-۳). 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 ۸ اتم موجود در گوشه هاست كه برابر ۲ اتم مي شود.
پارامتر شبكة آهن آلفا در دماي اتاق ۸۶/۲ انگسترم (nm 286/0) است. قطرهاي اصلي واحد شبكة bcc در جهات > 111< است كه همان جهات با چگالي زيادند. اتم مركزي داراي ۸ 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 ۱-۴ 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 ۸ واحد شبكه مشترك است. بنابراين از ۶ اتم موجود در صفحات جانبي فقط ۳ اتم و از ۸ اتم موجود در گوشه ها، فقط يك اتم به هر واحد شبكه تعلق دارد كه جمعاً ۴ اتم در هر واحد شبكه وجود خواهد داشت.

پارامتر شبكه آهن گاما برابر با ۵۶/۳ آنگسترم (nm 356/0) بوده و بنابراين بزرگتر از پارامتر شبكة آهن آلفا است. ليكن، ساختار بلوري با چگالي زياد و وجود ۴ 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 ۱-۵ نشان داده شده است.
در شبكة بلوري fcc جهات با چگالي زياد، منطبق بر قطرهاي صفحات جانبي يا جهات >110< اند. در اينجا ۱۲ 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 ۱-۵ 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 ۱-۲)
نكته ديگري كه در رابطه با آهن خالص بايد بدان اشاره شود، خاصيت آهنربايي آن است. آهن تا ۷۷۰ 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 ۱-۲). آهن با شبكة بلوري bcc كه خاصيت آهنربايي ندارد (در بين دماهاي ۷۷۰-۹۱۲ 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.
۱-۲-۲ 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 ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ 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 ۱۱۴۸ درجة سانتگيراد است كه به ۱۱/۲ 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 ۶ اتم آهن در مجاور خود و اگر در يك فضاي چهار وجهي قرار گيرد، داراي ۴ 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 ۵۲/۰ انگسترم (nm 052/0) را در خود جاي دهد. در حالي كه يك فضاي چهار وجهي مي تواند اتمي به شعاع ۲۸/۰ انگسترم (nm 028/0) را در خود بپذيرد. با توجه به اينكه شعاع اتمي كربن برابر با ۷/۰ 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 ۰۲/۰ درصد در ۷۲۷ درجه سانتگيراد است كه با كاهش دما به طور پيوسته كاهش يافته و در دماي اتاق به مقدار ناچيزي خواهد رسيد.
مشابه با آهن با شبكة fcc، در آهن با شبكة bcc نيز دو نوع فضاي بين نشيني، يكي هشت وجهي و ديگري چهار وجهي وجود دارد كه ممكن است اتمهاي كربن را در خود جاي دهند. از آنجايي كه فضاهاي بين نشيني در فريت بسيار كوچكتر از آستنيت اند، حد حلاليت كربن در فريت بسيار كمتر از آستنيت است. در فريت يك فضاي هشت وجهي مي تواند اتمي به شعاع ۱۹/۰

انگسترم (nm 019/0) و يك فضاي چهار وجهي مي تواند اتمي به شعاع ۳۵/۰ انگسترم (nm 35/0) را در خود جاي دهد. فضاهاي هشت وجهي در رابطه با انحلال بين نشيني كربن در فضاهاي خالي هشت وجهي و چهار وجهي توجه به اين نكته لازم است كه از يك طرف اتمهاي كربن فضاهاي خالي با قطر بزرگتر را ترجيح مي دهند و از طرف ديگر تمايل دارند در فضاهاي خاصي قرار گيرند كه تعداد اتمهاي همسايه بيشتري را داشته باشند.

برخي از عناصر نظير كرم، سيليسيم، تنگستن، موليبدن و تيتانيم موجب پايداري فريت و برخي ديگر نظير نيكل و منگنز باعث پايداري آستنيت مي شوند. از همين خاصيت استفاده شده و فولادهاي فريتي و فولادهاي آستنيتي تهيه مي شود. فولادهاي گروه اول حاوي مقدار ۵/۱۱ تا ۲۷ درصد كرم بوده كه گاهي مقداري منگنز، سيليسيم و يا نيكل، آلومينيم، موليبدن و يا تيتانيم نيز بدان اضافه مي شود. آلياژهاي گروه دوم شامل ۱۶ تا ۲۵ درصد كرم بوده كه مقداري نيز نيكل، منگنز و يا نيتروژن جهت پايدار شدن آستنيت در دماي اتاق به آنها اضافه مي شود. شبكة بلوري فولادهاي فريتي، مكعبي مركزدار است، در حالي كه شبكة بلوري فولادهاي آستنيتي در دماي اتاق، مكعبي با سطوح مركز دار است.
چ: فريت دلتا
فريت دلتا عبارت از محلول جامد بين نشيني كردن در آهن دلتا است. فريت دلتا فقط از نظر علمي مورد توجه قرار گرفته و كاربرد صنعتي چنداني ندارد.
۱-۲-۳ كاربيد آهن (سمنتيت)
در صورتي كه درصد كربن در فولادها بيشتر از حد حلاليت آن در آستنيت و/يا فريت باشد، فاز جديدي موسوم به كاربيد آهن يا سمنتيت به وجود مي آيد. كاربيد آهن فازي كاملاً متفاوت از محلولهاي جامد فريت و آستنيت است. اين فاز تركيبي با نسبت ثابت و مشخص يك اتم كربن و سه اتم آهن است كه داراي ۶۷/۶ درصد كربن بوده و به صورت Fe3C نشان داده مي شود.
سمنتيت داراي شبكة بلوري مكعب مستطيل با پارامترهاي شبكة a= 0/452 nm و b= 0/509 و c= 0/674 است. واحد شبكة سمنتيت داراي ۱۲ اتم آهن و ۴ اتم كربن است. شبكة بلوري سمنتيت را مي توان متشكل از تعدادي هشت وجهي دانست كه در رئوس آنها اتمهاي آهن و در مركز هر كدام يك اتم كربن وجود دارد. از آنجايي كه هر اتم آهن متعلق به دو هشت وجهي و هر اتم كربن متعلق به يك هشت وجهي است، فرمول سمنتيت به صورت Fe3C در مي آيد. زواياي بين محورهاي هشت وجهيها با يكديگر برابر نيستند.

در سمنتيت پيوند بين اتمهاي آهن كاملاً فلزي است، در حالي كه پيوند بين اتمهاي آهن – كربن هنوز به طور كامل مشخص نيست. گفته مي شود كه پيوند ياد شده از نوع خاصي است كه مشخصه هاي هر دو پيوند فلزي و يوني را داراست. در هر حال، هر دو جزء كربن و آهن در شبكة سمنتيت به صورت يون مثبت وجود دارند. به بيان ديگر كربن و آهن هر دو شبيه فلزان عمل مي كنند. در حقيقت شرايط فوق و وجود پيوند فلزي موجود در سمنتيت است كه به آن خواص فلزي (هدايت الكتريكي، هدايت حرارتي و جلاي فلزي و …) مي دهد.
دماي ذوب سمنتيت در حدود ۱۲۵۰ درجة سانتيگراد است و برخلاف آهن تغييرات آلوتروپيك ندارد

ولي در دماهاي پايين، به مقدار بسيار كم داراي خاصيت آهنربايي بوده اما در اثر حرارت دادن تا ۲۱۷ درجة سانتيگراد خاصيت آهنربايي خود را از دست مي دهد. سختي سمنتيت، بسيار بالا (بيشتر از ۸۰۰ برينل كه به سادگي شيشه را خراش مي اندازد.) و انعطاف پذيري آن فوق العاده كم (عملاً صفر) است. بديهي است كه خواص ياد شده ناشي از ساختار پيچيده شبكة بلوري سمنتيت است.
سمنتيت، تركيبي ناپايدار است و تحت شرايط خاص تجزيه شده و كربن آزاد (گرافيت) توليد مي كند.
۱-۲-۴ دماهاي بحراني
فصل مشتركهاي بين نواحي فازي مختلف در نمودار تعادلي آهني- كربن مشخص كنندة دماهاي تعادلي دگرگونيهاي مختلفي اند كه ممكن است در آلياژهاي آهن – كربن انجام شود.
دماهاي دگرگوني، اغلب به دماهاي بحراني موسوم اند و عبارت اند از دماهايي كه تغييراتي در انتقال حرارت و يا حجم نمونه در اثر گرمايش يا سرمايش ملاحظه مي شود. دماهاي مزبور را با حرف A كه اول كلمه Arrest و به معني توقيف يا باز داشتن است نشان مي دهند.
دماهاي بحراني كه در نمودار تعادلي آهن – كربن وجود دارند و از نظر عمليات حرارتي داراي اهميت اند عبارت اند از: A1 مرز ناحيه دو فازي فريت – سمنتيت و يكي از نواحي دوفازي فريت – آستنيت و يا سمنتيت – آستنيت؛ A3 فصل مشترك ناحيه دو فازي فريت – آستنيت و ناحية تكفازي آستنيت است. دماهاي ياد شده تبديل يك فاز به فاز ديگر را در شرايط تعادلي يعني تحت شرايط گرمايش و سرمايش بسيار آهسته مشخص مي كنند. به همين خاطر گاهي به جاي حروف Acm و A3 و A1 به ترتيب از Aecm و A3 و A1 به ترتيب از Aecm و Ae3 و Ae1 استفاده مي شود. حرف e از اول كلمة تعادلي گرفته شده است.

دگرگونيهايي كه در دماهاي Acm و A3 و A1 انجام مي شود تابع نفوذند. (گرمايش سريع باعث مي شود) كه زمان قرار گرفتن نمونه در دماي بحراني تعادلي انجام شود. به همين ترتيب سرمايش سريع باعث مي شود كه دگرگوني در دمايي پايينتر از دماي بحراني تعادلي انجام شود. در نمودار تعادلي آهن – كربن، اثرات آهنگ گرمايش و آهنگ سرمايش توسط حروف قراردادي جديدي كه به ترتيب عبارت اند از Ac و Ar مشخص مي شوند. بنابراين، با در نظر گرفتن اثرات آهنگ گرمايش و آهنگ سرمايش، بجز دماهاي بحراني تعادلي دو سري ديگر دماهاي بحراني در نمودار آهن – كربن وجود دارند كه آنها را با علامتهاي Accm ‏، Ac3 ، Ac1 ، Ar¬cm ، Ar3 و Ar1 نشان مي دهند. در شكل ۱-۱۰ شمايي از دماهاي بحراني تعادلي و ناتعادلي نشان داده شده است.
فرمولهاي تجربي نيز وجود دارند كه اثرات عناصر آلياژي را بر روي دماهاي بحراني مشخص

مي كنند. فرمولهاي زير اثرات تعدادي از عناصر آلياژي را بر روي دماهاي A1 و Ac3 نشان مي دهند.
Ac1 = 723 – ۱۰/۷ Mn – ۱۶/۹ Ni + 29/1Si + 16/9Cr + 290 As + 6/38 W
Ac3 = 910 – ۲۰۳ Vc – ۱۵/۲ Ni + 44/7 Si + 104 V + 31/5 Mo + 13/1W
عناصري كه پايدار كننده‌ آستنيت اند دماهاي بحراني Ac1 و Ac3 را كاهش مي دهند. اثرات عناصر ياد شده با علامت منفي در رابطه هاي بالا مشخص شده است. از طرف ديگر عناصري كه پايدار كننده فريت يا كاربيد اند، دماهاي بحراني Ac1 و Ac3 را افزايش مي دهند. اثرات اين عناصر با علامت مثبت در رابطه هاي بالا مشخص شده است.
۱-۳ توزيع و اثرات عناصر آلياژي در فولادها
مشاركت عناصر آلياژي و ناخالصيها در ساختار و خواص فولادها معمولاً با قرار گرفتن آنها به جاي اتمهاي آهن (اگر اندازة اتمي آنها تقريباً برابر اندازه اتمي آهن باشد) و يا نشستن در فضاهاي خالي بين نشيني (اگر اندازة اتمي آنها بسيار كوچكتر از اندازة اتمي آهن باشد) امكانپذير است. اگر مقادير عناصر آلياژي بيشتر از حد حلاليت باشند، فازهايي بجز فازهاي بحث شده در بالا به وجود مي آيند. به عنوان مثال، در اثر اضافه كردن مقدار بسيار كمي كرم به آلياژ آهن – كربن فاز M3C (M نشان دهنده مجموعه اي از كرم و آهن است) با ساختار بلوري سمنتيت به وجود آمده كه تا ۸۹۰ درجة سانتيگراد پايدار است. با افزايش بيشتر كرم ابتدا M7C3 و سپس M23C6 به وجود مي آيد.
نيكل نسبت به آهن تمايل كمتري به تشكيل كاربيد داشته و عمدتاً در فريت حل مي شود. سيليسيم تا حدودي با اكسيژن تركيب شده و تشكيل ناخالصي نافلزي مي كند و در غير اين صورت، در افريت حل مي شود. بدون توجه به درصد كربن فولاد، درصد زيادي از منگنز در فريت حل مي شود. توانايي منگنز به تشكيل كاربيد در حد بسيار كمي بيشتر از آهن است و منگنزي كه تشكيل كاربيد مي كند، معمولاً به شكل (Fe , Mn) 3 C وارد ساختار سمنتيت مي شود.
كرم بين فازهاي فريت و كاربيد توزيع مي شود. توزيع كرم بستگي به درصد كربن و عناصر كاربيدساز ديگر در فولاد دارد. در صورتي كه كربن به اندازة كافي در فولاد وجود داشته باشد و عناصر كاربيدساز بسيار قوي نظير تيتانيم و كلمبيم وجود نداشته باشند، تنگستن و موليبدن با كربن فولاد تركيب شده، تشكيل كاربيد مي دهند. در غير اين صورت عناصر ياد شده، مي توانند در فريت حل شوند.

تمام عناصر آلياژي كه به صورت جانشيني در فولادها وارد مي شوند نظير نيكل، كرم، سيليسيم، منگنز، تنگستن، موليبدن و تيتانيم، درصد كربن نقطه يوتكتوييد را كاهش مي دهند.
بعضي از عناصر آلياژي، دماي يوتكتوييد را در فولادها كاهش داده و برخي آن را افزايش مي دهند. منگنز و نيكل، هر دو دماي يوتكتوييد را كاهش داده و به عنوان عناصر پايدار كننده آستنيت موسوم اند.
عناصر تشكيل دهنده كاربيد، نظير تنگستن، موليبدن، تيتانيم و كرم، دماي يوتكتوييد را افزايش داده

و بنابراين ناحية تشكيل و پايداري آستنيت را كاهش مي دهند. بنابراين، اين عناصر به پايدار كننده هاي فريت موسوم اند. شكل ۱-۱۴ نشان مي دهد كه چگونه افزايش درصد كرم در فولادهاي كربني، ناحية پايداري آستنيت را كاهش مي دهد. توزيع و اثرات ويژه عناصر آلياژي در فولادها در جدول ۱-۲ خلاصه شده است.

۱-۳-۱ فاز كاربيد در فولادهاي آلياژي
فاز كاربيد در فولادها فقط توسط فلزاتي كه در جدول تناوبي عناصر در سمت چپ آهن و پايين آن (از Mn تا Hf) قرار دارند تشكيل مي شود.
در فرايند تشكيل كاربيد، كربن الكترونهاي ظرفيت خود را به منظور پر كردن لايه الكتروني d اتمهاي فلزي از دست مي دهد. از سوي ديگر الكترونهاي ظرفيت كه توسط فلز گرفته مي شود، صرف تشكيل پيوند فلزي خواهد شد. اين پيوند فلزي به كاربيد حاصل، خواص فلزي مي دهد.
فقط عناصري كه تعداد الكترونهاي آخرين لايه الكتروني d آنها در مقايسه با آهن كمتر باشد، به عنوان عناصر آلياژي كاربيدساز تلقي مي شوند. هر چه لاية الكتروني d از الكترون تهي تر باشد، فعاليت عنصر كاربيدساز و همچنين پايداري كاربيد تشكيل شده بيشتر خواهد بود.
بر اساس نتايج حاصل از مطالعات انجام شده، تركيبات كاربيدي زير مي توانند در فولادها تشكيل شوند.
كاربيدهاي گروه I
Fe3C , Mn3C , Cr7C3 , Cr23C6 , FeMo3C , Fe3W3C
كاربيدهاي گروه II (فازهاي بين نشيني)
Mo2C , W2C , WC , VC , TiC , NbC , TaC , Ta2C , ZrC
كاربيدهاي ياد شده نمي توانند به صورت آزاد در فولادها تشكيل شوند. تمامي كاربيدهاي عناصر آلياژي، حاوي مقداري آهن به صورت محلول اند. همچنين در صورت وجود عناصر آلياژي كاربيدساز ديگر، اين عناصر نيز در تركيب و ساختار كاربيد موجود وارد مي شوند.
كاربيدهايي كه داراي فرمول شيميايي يكسان باشند، متقابلاً در يكديگر محلول اند. بنابراين، به همين دليل، تعداد و انواع كاربيدهايي كه احتمال تشكيل آنها در فولادهاي آلياژي وجود دارد كمتر از آنچه قبلاً اشاره شده است. در حقيقت فقط شش نوع كاربيد با فرمولهاي زير در فولادها تشكيل مي شود.

كاربيدهاي گروه I
M3C , M23C6 , M7C3 , M6C
كاربيدهاي گروه II (فازهاي بين نشيني)
MC , M2C
در اين فرمولها، M مجموع عناصر فلزي تشكيل دهنده كاربيد است.
كاربيدهاي گروه I داراي شبكة بلوري پيچيده اند. معمولترين كاربيدها از اين نوع‏، سمنتيت است. از جمله مشخصه هاي كاربيدهاي گروه II (فازهاي بين نشيني) شبكة بلوري ساده آنهاست. شبكة بلوري اين كاربيدها، همواره با كمبود كربن روبرو است.
كاربيدهاي گروه II به سختي در آستنيت حل مي شوند. به عبارت ديگر، در اثر حرارت دادن، حتي تا دماهاي خيلي بالا، كاربيدهاي ياد شده در آستنيت حل نخواهند شد. كاربيدهاي گروه I كه در اثر حرارت دادن به سادگي در آستنيت حل مي شوند، تمامي كاربيدها داراي نقطه ذوب و سختي بالايي اند. در اين رابطه، كاربيدهاي گروه II به كاربيدهاي گروه I برتري دارند.
۱-۳-۲ اثرات عناصر آلياژي بر روي فريت
انحلال عناصر آلياژي در آهن آلفا با جانشين شدن اتمهاي آنها به جاي اتمهاي آهن انجام مي شود. از آنجايي كه عناصر آلياژي از نظر اندازة اتمي و ساختار متفاوت از آهن اند، موقعي كه به جاي اتمهاي آهن قرار مي گيرند، شبكة بلوري آهن را تحت تنش قرار داده و در نتيجه پارامتر شبكة آن را تغيير مي دهند. عناصري كه شعاع اتمي آنها كمتر از شعاع اتمي آهن باشد پارامتر شبكة آهن را كاهش داده و بالعكس، عناصري كه شعاع اتمي آنها بيشتر از شعاع اتمي آهن باشد، پارامتر شبكة آهن را افزايش مي دهند. تغيير شكل و اندازه شبكة بلوري آهن آلفا موجب تغيير خواص مكانيكي آن خواهد شد.

در رابطه با اثرات عناصر آلياژي محلول در فريت بر روي خواص مكانيكي فريت اطلاعات بسيار محدودي وجود دارد.