Wybrane właściwości czystego żelaza

● pierwiastek polimorficzny - dwie odmiany alotropowe (

α

oraz

γ

), trzecia (

ε

) tylko przy ciśnieniach

>

12 GPa,

● gęstość

ρ

= 7,87 Mg/m

3

, moduł Younga E = 206 GPa,

● pierwiastek pospolity w przyrodzie (5,2 % wag.) – związany w tlenki, węglany, wodorotlenki, siarczki,

- duży problem z otrzymywaniem czystego żelaza (zwykle minimum ok. 0,1 % wag. domieszek),

- najwięcej węgla (używany do redukcji rud), azotu, groźnej siarki, fosforu, itd.,

(+)

Fazy układu stabilnego

Fe-C

lub układu metastabilnego

Fe-Fe

3

C

ferryt

:

α

≡

Fe

α

(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A2 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

austenit

:

γ

≡

Fe

γ

(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A1 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

grafit

(odmiana alotropowa węgla) - faza stabilna,

cementyt

(

Fe

3

C) - metastabilny węglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna, międzywęzłowa złożona),

Sieć krystaliczna ferrytu RPC (A2)

l

k

= 8

ww = 0,68

spłaszczone luki oktaedryczne
(0,633x0,633x0,155d)

6 luk oktaedrycznych/komórkę

a = 0,286 nm (w temp. pokojowej)
a = 0,293 nm (w 1394 °C)

mała rozpuszczalność węgla

(tetragonalne zniekształcenie komórki)

-zajęta co 1650 luka w 727 °C

(0,0218 % wag. C)

płaszczyzny poślizgu {110}
- nie są najgęściej upakowane,
- tylko kierunki najgęstszego ułożenia

〈

111

〉

(+)

Sieć krystaliczna austenitu RSC (A1)

l

k

= 12

ww = 0,74

(średnica luki 0,414d)

4 luki oktaedryczne/komórkę

a = 0,365 nm (w 912 °C)

znaczna rozpuszczalność węgla

- zajęta co 11 luka w 1148 °C (2,11 %wag.C)
- zajęta co 28 luka w 727 °C (0,77 %wag. C)

średnica luki = 0,106 nm (w 916 °C)
średnica jonu węgla = 0,154 nm

płaszczyzna poślizgu {111}
(jest najgęściej upakowana z możliwych)

(+)

Sieć krystaliczna cementytu

(+-)

Grafit –

odmiana alotropowa węgla

odległość między atomami w warstwie = 0,142 nm
odległość między warstwami = 0,340 nm

● właściwości wytrzymałościowe grafitu są tak małe, że
traktujemy jego wydzielenia jako nieciągłość osnowy
metalowej stopu,

● o właściwościach stopów z grafitem (żeliwa szare)
decyduje jego kształt, wielkość i rozmieszczenie,

(+-)

Wykres równowagi stabilnej Fe – C (opis fazowy)

(para)

fazy stałe:

ferryt, austenit, grafit

(-+)

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe

3

C (opis fazowy)

fazy stałe:

ferryt, austenit, cementyt

(+)

Wykres równowagi metastabilnej Fe – Fe

3

C (opis strukturalny)

(+-)

różny przebieg krystalizacji austenitu powoduje, w warunkach technicznych, odmienną segregację domieszek
oraz dodatków stopowych i wpływa pośrednio również na właściwości stopów w temperaturze pokojowej

(-)

przemiana
alotropowa

A

cm

+ Fe

3

C

III

+ Fe

3

C

III

(+)

3% nital (Mi1Fe), 250x

3% nital (Mi1Fe), 1000x

3% nital (Mi1Fe), 2000x

struktura stopu 0,77%C –

perlit

● płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu

(grubości płytek 7:1),

-

dyspersja i właściwości zależą od szybkości chłodzenia,

-

w jednym ziarnie austenitu powstaje bardzo wiele różnie

zorientowanych w przestrzeni kolonii perlitu,

∼

200

÷

260

90

HB

∼

8

÷

10

40

A

10

[%]

∼

500

150

R

e

(R

0,2

) [MPa]

∼

800

300

R

m

[MPa]

perlit płytkowy

ferryt

(stal przeznaczona zwykle na narzędzia po dalszej obróbce cieplnej)

(+)

struktura stopu 1,2%C –

perlit + Fe

3

C

II

3% nital (Mi1Fe), 100x

3% nital (Mi1Fe), 250x

3% nital (Mi1Fe), 1000x

●

Fe

3

C

II

wydziela się na granicach ziaren austenitu

oraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę),

●

siatka cementytu

dyskwalifikuje każdy użytkowy wyrób,

● usuwanie siatki cementytu wymaga długotrwałego
wyżarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe Fe

3

C),

siatka Fe

3

C

II

perlit

(stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narzędzia ale po
odpowiedniej obróbce cieplnej stanu wyjściowego i końcowego)

(+)

struktura stopu

∼

0,65%C

–

perlit + ferryt

struktura

∼

0,4%C

–

ferryt + perlit

●

strukturalnie wolny ferryt

(na granicach ziaren byłego austenitu),

-

podwyższa ciągliwość oraz zdolność do odkształceń plastycznych,

-

obniża wskaźniki wytrzymałościowe,

●

struktura wyjściowa na sprężyny, lemiesze pługów, szyny kolejowe, itp.

● około pół na pół strukturalnie wolnego ferrytu i perlitu,
● optymalne skojarzenie wytrzymałości i ciągliwości,
● struktura wyjściowa stosowana na części maszyn,

3% nital (Mi1Fe),

(A. Krajczyk)

3% nital (Mi1Fe),

3% nital (Mi1Fe),

(A. Krajczyk)

(A. Krajczyk)

(+)

struktura stopu

∼

0,2%C

–

ferryt + perlit

3% nital (Mi1Fe)

3% nital (Mi1Fe)

3% nital (Mi1Fe)

(A. Krajczyk)

(A. Krajczyk)

(A. Krajczyk)

● zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem,
- wysoka ciągliwość ale niska wytrzymałość,

● górna granica %C zapewniająca łatwą spawalność stali,

● struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)

(podwyższanie wytrzymałości w inny sposób niż przez wzrost %C),

(+)

struktura stopu

∼

0,02%C –

ferryt + Fe

3

C

III

● ferryt z wydzieleniami Fe

3

C

III

na granicach ziaren,

●

stal konstrukcyjna najczęściej umacniana odkształceniowo,

np. gwoździe, wkręty, elementy karoserii pojazdów, itp.

●

przyśpieszone chłodzenie zabezpiecza zwykle przed

wydzieleniami cementytu – ferryt lekko przesycony węglem,

3% nital (Mi1Fe), 2000x

3% nital (Mi1Fe)

Fe

3

C

III

tiosiarczan sodu
(barwi tylko ferryt)

ziarna ferrytu

+ Fe

3

C

III

(niewidoczny)

(+)

Podsumowanie stopów do 2,11%C

(+)

Wpływ zawartości węgla na właściwości stali

(właściwości austenitu podano dla stali wysokostopowej,
dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)

HB

HB

R

m

3

10

4

,

3

≅

≅

m

e

R

R

65

,

0

≅

]

[

)

.

(%

650

300

MPa

C

wag

R

m

⋅

×

+

≅

(dla stali przedeutektoidalnych)

(R. Haimann)

(M. Blicharski)

2

200

÷

260

∼

200

90

800

75

HB

8

÷

10

∼

50

40

-

50

A

10

[%]

500

∼

300

150

-

137

R

e

(R

0,2

) [MPa]

800

∼

750

300

-

245

R

m

[MPa]

perlit
płytkowy

austenit
stopowy

ferryt

Fe

3

C

Fe

α

(+)

(-+)

3% nital (Mi1Fe), 250x

3% nital (Mi1Fe), 500x

- ciemny

perlit

, który powstał z austenitu (składnika ledeburytu),

- jasny

cementyt

(drugi składnik ledeburytu),

- wydzielający się

cementyt drugo-

i

trzeciorzędowy

nie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń

(lokalnie pogrubiają się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu),

]

)

[(

3

3

C

Fe

C

Fe

P

+

+

α

Żeliwa białe – stopy układu Fe-Fe

3

C powyżej 2,11 %C

● stop eutektyczny (4,3 %C) -

ledeburyt przemieniony

(w temperaturze poniżej 727 °C)

ledeburyt przemieniony

(+)

- dendrytycznie rozłożony

perlit

(dendryty austenitu powyżej 727 °C) na tle

ledeburytu przemienionego

(

cementyt drugorzędowy

wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu),

3% nital (Mi1Fe), 250x

3% nital (Mi1Fe), 63x

● stop przedeutektyczny (ok. 3,5 %C) -

w temperaturze poniżej 727 °C

własności żeliw białych przedeutektycznych oraz eutektycznych:
- struktury twarde (450

÷

600 HB, R

m

= 300

÷

450 MPa), odporne na ścieranie ale kruche oraz źle obrabialne,

- zastosowanie ograniczone:
- półprodukt przy wytwarzaniu żeliwa ciągliwego (z grafitem kłaczkowym),
- niektóre elementy odporne na ścieranie ale kruche,
- zabielone fragmenty powierzchni odlewów z żeliw szarych (część węgla w postaci grafitu),

]

)

[(

)

(

3

3

3

C

Fe

C

Fe

C

Fe

P

P

+

+

+

+

α

α

(znikoma ilość niewidocznego

cementytu trzeciorzędowego

)

ledeburyt przemieniony

(+)

● stop zaeutektyczny (powyżej 4,3 %C) -

w temperaturze poniżej 727 °C

-

cementyt pierwszorzędowy

(nazywany też

pierwotnym

) na tle

ledeburytu przemienionego

(niewielka ilość cementytu drugorzędowego oraz znikoma trzeciorzędowego – praktycznie niewidoczne),

- duże płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa,

- struktura spotykana w surówkach na wstępnych etapach produkcji stopów żelaza,

3% nital (Mi1Fe), 500x

3% nital (Mi1Fe), 100x

]

)

[(

3

3

3

C

Fe

C

Fe

C

Fe

P

I

+

+

+

α

ledeburyt przemieniony

(+-)