WYDZIAŁ IN YNIERII MATERIAŁOWEJ

POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA

Materiały pomocnicze do wiczenia nr 2 pt.:

„BADANIA WPŁYWU W GLA NA MIKROSTRUKTUR I

TWARDO STOPÓW UKŁADU Fe-Fe

3

C W STANIE RÓWNOWAGI”

Opracował dr in . Andrzej W. Kalinowski

1. Wiadomo ci wst pne

Stopy sporz dzane na bazie elaza posiadaj ponad 90% udziału masowego w tworzywach metalicznych

stosowanych w konstrukcjach, maszynach, pojazdach, urz dzenia, narz dziach itd. Tak wi c stopy te maj

najwi ksze zastosowanie techniczne.

elazo od bardzo dawna miało znacz cy wpływ na rozwój cywilizacyjny ludzko ci, st d jeden z okresów

tego rozwoju przyj ł nazw epoki elaza.

Czyste elazo z punktu widzenia współczesnych potrzeb konstrukcyjnych ma zbyt niskie wła ciwo ci

wytrzymało ciowe, np. elazo elektrolityczne posiada R

m

=250MPa, R

e

=140MPa, twardo 75HB, ma natomiast

wysokie warto ci wska ników plastycznych – A

10

=50%, Z=80% i udarno 250J/cm

2

. Z przytoczonych warto ci

wynika, e czyste elazo nie jest atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym zdolnym do przenoszenia du ych

obci e . Dlatego od dawna na bazie elaza sporz dza si stopy, których głównym składnikiem jest w giel.

2. Układ elazo-W giel

Do celów praktycznych interesuj cy jest tylko fragment układu elazo-w giel do zawarto ci 6,67% w gla

i temperatury nieco powy ej 1536°C, tj. topnienia elaza. Przy st eniu 6,67%C tworzy si w glik elaza Fe

3

C

nazywany cementytem.

Cementyt powoduje to, e mo na rozpatrywa dwa układy: Fe-Fe

3

C i Fe-C. Pierwszy, bardzo dobrze

poznany jest metastabilny, tworzeniu którego sprzyja znaczna pr dko chłodzenia taka jaka istnieje w

rzeczywistych warunkach krystalizacji. Drugi stabilny, mniej poznany, tworzy si w pewnych warunkach

krystalizacji pierwotnej przy powolnym chłodzeniu, b d długotrwałym wygrzewaniu powy ej temperatury 600°

stałych stopów układu Fe-Fe

3

C.

Rysunek 1 przedstawia cz

układu elazo-w giel posiadaj cy znaczenie praktyczne. Linie ci głe

odnosz si do układu elazo-cementyt, za przerywane do układu elazo-grafit. Poniewa w rzeczywistych

warunkach krystalizacji pierwotnej, jakie maja miejsce w zakładach metalurgicznych przy wytwarzaniu stopów

Fe-C, łatwiej tworzy si układ Fe-Fe

3

C dlatego został on zbadany dokładniej i stosowany powszechnie. Analiza

mikrostruktur jakie tworz si w tym układzie pod wpływem zmian zawarto ci w gla, przemian alotropowych

elaza, zmiennych rozpuszczalno ci w gla w elazie i reakcji perytektycznej oraz eutektoidalnej jest podstaw

wielu procesów technologicznych stosowanych do stopów elazo-w giel. Dzi ki bowiem tym przemianom

technolog stosuj c ró ne zabiegi cieplne mo e kształtowa i otrzymywa ró ne mikrostruktury a w

konsekwencji wymagane wła ciwo ci mechaniczne stopu.

Układ, którego wykres podany jest na rysunku 1 opisany jest fazowo, gdzie – oznacza roztwór stały

w gla w odmianie alotropowej Fe , – roztwór stały w gla w odmianie alotropowej Fe , za w glik elaza

oznaczony jest wzorem Fe

3

C. W temperaturze otoczenia istniej tylko dwie fazy: i Fe

3

C – cementyt, których

udziały w stopach zale od zawarto ci w gla.

W układzie obok przemian alotropowych elaza zachodz jeszcze inne przemiany. W temperaturze

1496°C zachodzi reakcje perytektyczna, w wyniku której wcze niej powstałe kryształy fazy o składzie punktu

H reaguj c z roztworem ciekłym L o składzie punktu B, tworz kryształy fazy o składzie punktu J

H

+ L

B

J

W temperaturze 1147°C roztwór ciekły o składzie punktu C krzepn c przechodzi w mieszanin

eutektyczn dwóch faz stałych: cementytu (Fe

3

C) i nasyconego roztworu stałego o składzie punktu E

L

C

Fe

3

C +

E

Faza o składzie punktu S w temperaturze 723°C ulega rozpadowi na mieszanin eutektoidaln zło on z

cementytu (Fe

3

C) i nasyconego roztworu stałego o składzie punktu P.

S

Fe

3

C +

F

2.1. Składniki układu Fe-C

elazo – główny składnik stopów układu Fe-C w normalnym ci nieniu posiada dwie odmiany

alotropowe: Fe o strukturze krystalicznej RPC (A2) i stałej sieciowej 2,86Å (20°C) oraz odmian Fe o

strukturze RSC (A1) i stałej sieciowej 3,62 (750°C).

Odmiana Fe jest trwała do temperatury 910°C, powy ej której przechodzi w odmian Fe . Ta odmiana

istnieje do temperatury 1390°C i ponownie przemienia si w Fe , nazywan odmian wysokotemperaturow

elaza alfa. Istnieje ona a do temperatury topnienia elaza. Dawniej oznaczano j liter

δ s dz c, ze jest to

jeszcze jedna z odmian alotropowych elaza.

Wzrost zawarto ci rozpuszczaj cego si w gla w elazie gamma powoduje rozszerzenie obszaru istnienia

tej odmiany. W wysokich temperaturach obszar ten si ga temperatury perytektycznej (1496°C) przy zawarto ci

w gla w roztworze wynosz cym 0,16%. W dolnym zakresie temperatury, obszar Fe obni a si , kosztem Fe od

910°C do 723°C przy zawarto ci 0,8% w gla. Dalszy wzrost zawarto ci w gla zawarto ci w gla nie wpływa ju
na temperatur przemiany Fe

⇔ Fe . (rys. 1)

Do temperatury 768°C elazo wykazuje wła ciwo ci ferromagnetyczne, a w temperaturach wy szych

staje si paramagnetyczne.

W giel – drugi składnik stopów z elazem tworzy roztwory stałe w całym zakresie temperatur i do

zawarto ci 2,06%C (temperatura eutektyczna). W zale no ci od warunków przebiegu krystalizacji pierwotnej i

wtórnej w giel tworzy z elazem faz mi dzymetaliczn Fe

3

C albo wyst puje w stanie wolnym pod postaci

grafitu. Grafit w porównaniu z elazem ma niskie wła ciwo ci mechaniczne (tablica 1), tak e praktycznie s

one pomijalne, a ziarna grafitu w mikrostrukturze stopów niekiedy traktuje si jako nieci gło ci osnowy

metalicznej.

2.2. Fazy i składniki strukturalne układu Fe-Fe

3

C

Do celów praktycznych bardziej przydatny jest strukturalny opis wykresu Fe-Fe

3

C (rys. 2), który

uwzgl dnia mikrostruktury tworz ce si w ró nych temperaturach przy ró nych zawarto ciach w gla i w

warunkach, które pozwoliły stopom na uzyskanie stanu bliskiego równowagi.

2.2.1. Fazy układu Fe-Fe

3

C

W układzie wyst puj trzy fazy:

• ferryt oznaczony na wykresie liter F - Fe (C),

• austenit oznaczony na wykresie liter A - Fe

(C),

• cementyt oznaczony na wykresie liter C – Fe

3

C.

W zale no ci od warunków tworzenia si cementytu do symbolu C dopisuje si jako indeks liczb

rzymsk I, II, III.

I tak:

C

I

– cementyt pierwszorz dowy tworzy si jako pierwszy z cieczy w wyniku krzepni cia stopów

zawieraj cych ponad 4,3% w gla,

C

II

– cementyt drugorz dowy wydziela si z austenitu zmiennej w nim rozpuszczalno ci w gla,

C

III

– cementyt trzeciorz dowy, wydziela si z ferrytu równie w wyniku zmiennej w nim

rozpuszczalno ci w gla.

Cementyt tworzy si tak e w przemianach eutektycznej i eutektoidalnej, produktem których s okre lone

mieszaniny austenitu i cementytu oraz ferrytu i austenitu.

Ferryt , Fe (C), F

Ferryt jest mi dzyw złowym roztworem stałym w gla w elazie Fe . Atomy w gla zajmuj luki

mi dzyw złowe w sieci RPC (A2), w której rozró nia si ich dwa rodzaje: luki o koordynacji tetraedrycznej

(rys. 3a) i oktaedrycznej (rys. 3b). Obie luki znajduj si na ciankach komórki elementarnej i s bardzo małe.

Przeprowadzaj c odpowiednie obliczenia mo na stwierdzi , e umiejscowienie si atomu w gla w luce

tetraedrycznej musi spowodowa rozsuni cie si czterech otaczaj cych go atomów, natomiast w luce

oktaedrycznej tylko dwóch. Wynika z tego, e bardziej prawdopodobne z punktu energetycznego jest

zajmowanie przez w giel luk okteedrycznych. Niemniej powoduje to zmniejszenie obj to ci luk s siednich, w

których atomy w gla ju nie mog si pomie ci . Zniekształcenie to jest tak znaczne, e w temperaturze 723°C

(eutektaidalnej) mo e by zaj ta tylko co 1650 luka przez atom w gla.

Odpowiada to maksymalnej rozpuszczalno ci w gla w niskotemperaturowej odmianie Fe i wynosi

0,02%. Wraz z obni eniem temperatury rozpuszczalno ta maleje i w 20°Cwynosi ju tylko ok. 0,008%. W

warunkach rzeczywistych mo e si ona nieznacznie zmienia , gdy atomy w gla mog lokalizowa si tak e w

defektach sieci krystalicznej skoncentrowanych zwykle w obszarach przygranicznych ziarn.

W odmianie wysokotemperaturowej Fe rozpuszczalno w gla, w zakresie jej istnienia (1390°C –

1536°C) jest zmienna. Najwy sza jest w temperaturze 1496°C (perytektaidelnej) i wynosi 0,1%.

Ferryt niskotemperaturowy jest faz bardzo mi kk , plastyczn o małej wytrzymało ci na rozci ganie.

Wła ciwo ci mechaniczne ferrytu zawiera tablica 1, a typowy obraz mikrostruktury przedstawia rys 5b.

Tablica 1. Wła ciwo ci mechaniczne składników fazowych i strukturalnych stopów elazo-w giel (2,3)

Wytrzymało na

rozci ganie

R

m

Wydłu enie

A

10

Udarno

K

Twardo

H

Składnik

MPa

%

J/cm

2

HB

Ferryt

295

40

180

80

Austenit

740

50

200

200

Cementyt

29,5

0

-

700

Grafit

19,5

0

-

ok. 1

Perlit

740

8

-

200

Ledeburyt

-

-

-

450

Austenit,

γ, Fe

γ

(C), A

Austenit jest mi dzyw złowym roztworem w gla w Fe

γ

. Podobnie jak w ferrycie, atomy w gla zajmuj

luki mi dzyw złowe-oktaedryczne i tetraedryczne (rys. 4) w sieci RSC (A1). Luki te s znacznie wi ksze tak, e

znajduj ce si w nich atomy w gla powoduj niewielkie zniekształcenia sieci. To sprzyja wi kszej
rozpuszczalno ci w gla w austenicie, która maksymaln warto 2,06% osi ga w temperaturze 1147

°C

(eutektycznej). Z oblicze wynika, e w tych warunkach na 11 luk przez atom w gla zaj ta jest jedna.

Rys. 3. Luki mi dzyw złowe sieci RPC: a luka tetraedryczna, b – luka oktaedryczna. (2)

Rys. 4. Luki mi dzyw złowe sieci RSC: a - luka oktaedryczna, b-luka tetraedryczna.

W miar obni ania si temperatury rozpuszczalno maleje i w 723°C (temperatura eutektoidalna)

wynosi ju tylko 0,8%. Na 28 luk mo e by zaj ta przez atom w gla ju tylko jedna. W punkcie S (rys. l i 2)

austenit jest nietrwały i ulega eutektoidalnemu rozpadowi na dwie fazy stałe: ferryt i cementyt.

Austenit w porównaniu z ferrytem jest faz twardsz i bardziej wytrzymał na rozci ganie a przy tym

podatn na odkształcenia plastyczne. Niektóre jego wła ciwo ci mechaniczne zawiera tablica 1, za przeci tny

obraz struktury uzyskany w mikroskopie wietlnym przedstawia rys. 5a.

Cementyt, Fe

3

C,C

Cementyt, w glik elaza jest faz mi dzymetaliczn o strukturze zło onej. Krystalizuje w układzie

rombowym o parametrach sieciowych: a=4,514Å, b=5,078Å i c=6,729 Å. W skład komórki elementarnej

wchodz 4 atomy w gla i 12 atomów elaza. Wykazuje on pewne cechy meta1iczne jak przewodnictwo

elektryczne i słaby ferromagnetyzm (punkt Curie wynosi 210°C). Cechy te powoduje, b d ce w przewadze,

wi zanie metaliczne zachodz ce mi dzy atomami

elaza. Wi zania mi dzy atomami

elaza i

w gla zbli one jest do kowalencyjnego.

Z uwagi na skomplikowan budow krystaliczn cementyt jest faz tward (ok. 65HRC)

i kruch . Wyst puj c w mikrostrukturze stopów układu Fe-Fe

3

C powoduje wzrost ich

wła ciwo ci

wytrzymało ciowych.

Na

wzrost

tych

wła ciwo ci wpływa nie

tylko

jego

udział ale równie stopie rozdrobnienia (dyspersji) i kształt ziarna.

Cementyt nie ma ustalonej temperatury topnienia, gdy jest faz nietrwał i ulega

rozpadowi. W zale no ci od temperatury w jakiej długotrwale jest wytrzymywany rozpada
si na: Fe

3

C G+Fe

γ

(C), lub poni ej 723°C Fe

3

C G+F

α

(C) tj. na grafit i stałe w

okre lonych warunkach roztwory: austenit i ferryt.

Jak wcze niej napisano, cementyt krystalizuje z roztworu ciekłego na odcinku linii

likwidusa D-C (rys. 2). Cementyt ten nazwano cementytem pierwszorz dowym. Na linii
E-S zmiennej rozpuszczalno ci w gla w Fe

α

wydziela si cementyt drugorz dowy i linii S-Q

zmiennej rozpuszczalno ci w gla w Fe

α

- cementyt trzeciorz dowy. Cementyty te posiadaj

identyczn struktur krystaliczn i s t sam faz , zró nicowan jedynie pod wzgl dem

kształtu ziarna ze wzgl du na warunki i miejsce tworzenia si .

Ledeburyt, Ld

Ledeburyt jest mieszanin eutektyczn zło on z nasyconego w glem austenitu i cementytu

pierwszorz dowego, krystalizuj c w temperaturze1147°C, o zawarto ci w gla 4,3%. W zakresie temperatury

1147°C-723°C wskutek zmniejszania si rozpuszczalno ci w gla z austenitu wydziela si cementyt

drugorz dowy. Zawarto w gla w roztworze zmienia si od 2,06% (w temperaturze eutektycznej) do ,08% (w

temperaturze eutektoidalnej). W mikrostrukturze zatem wzrasta udział cementyt.

Ledeburyt przemieniony, Ldp

W temperaturze 723°C austenit zawarty w ledeburycie rozkłada si na mieszanin eutektoidaln ferrytu

cementytu drugorz dowego. Ledeburyt w którym austenit uległ rozkładowi eutektoidalnemu nazwano

ledeburytem przemienionym Poni ej temperatury 723°C z ferrytu zawartego w Ldp wydziela si cementyt
trzeciorz dowy w wyniku zmiennej rozpuszczalno ci w gla w Fe

α

.

Ledeburyt przemieniony jest struktur tward i kruch , nieplastyczn trudno obrabialn mechanicznie. Te

wła ciwo ci zawdzi cza on du emu udziałowi cementytu, którego zawarto w mikrostrukturze wynosi ok.

64,5%. Mikrostruktur ledeburytu przemienionego przedstawia zdj cie (rys. 5h).

Rys. 5. Mikrostruktury układu Fe-Fe

3

C: a – austenit, b – ferryt, c – ferryt + C

III

, d – ferryt + perlit, e – perlit,

f - perlit + C

II

, g – perlit + ledeburyt przemieniony + C

II

, h – ledeburyt przemieniony i ledeburyt przemieniony +

C

I

. Mikrostruktury trawiono nitalem (2-4% roztwór kwasu azotowego w alkoholu).

Perlit, P

Perlit jest to mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu drugorz dowego tworz ca si w temperaturze

723°C w wyniku rozkładu austenitu o zawarto ci 0,8% w gla. Poni ej temperatury eutektoidalnej z ferrytu

wydziela si cementyt trzeciorz dowy. Znaczny udział w perlicie cementytu (ok. 12% ) powoduje to, e posiada

on dobr wytrzymało Rm, twardo HB, odporno na cieranie, obrabialno , przy czym zachowuje pewne

wła ciwo ci plastyczne (tablica l). Typow mikrostruktur perlitu pokazano na zdj ciu (rys. 5e).

2.3. Mikrostruktury układu Fe-Fe

3

C

Analizuj c układ elazo-cementyt w temperaturze normalnej, mo na wyró ni szereg typów utworzonych

mikrostruktur o okre lonej budowie, w obr bie których zmieniaj si tylko udziały poszczególnych składników

fazowych i strukturalnych.

Rozpoczynaj c t analiz od strony elaza otrzymuje si :

l. F

α

- ferryt o zawarto ci w gla %C<0,008 (rys. 5b)

2. F+C

III

o zawarto ci w gla 0,008%<%C<0,02 (rys. 5c)

3. F+P+C

III

o zawarto ci w gla 0,02<%C<0,8 (rys. 5d) - w opisie wykresu pomijany

4. P - perlit o zawarto ci w gla 0,8%C (rys. 5e)

5. P+C

II

o zawarto ci w gla 0,8<%C<2,06 (rys. 5f)

6. P+Ldp+C

II

o zawarto ci w gla 2,06<%C<4,3 (rys. 5g)

7. Ldp - ledeburyt przemieniony o zawarto ci w gla 4,3%C (rys. 5h)

8. Ldp+C

I

o zawarto ci w gla 4,3<%C<6,67 (rys. 5i) - w opisach strukturalnych cz sto C

II

pomijamy

3. TECHNICZNY PODZIAŁ STOPÓW

Na podstawie udziału w gla stopy układu Fe-C dzieli si na dwie zasadnicze grupy:

- stale o zawarto ci w gla do 2,06% (lub staliwa je li stop stosowany jest w wyrobach w stanie lanym),

- eliwa zawieraj ce od 2,06% do 6,67% teoretycznie w gla.

3.1. Stale

Stale tradycyjnie definiuje si jako stopy elaza z w glem do zawarto ci 2,06% C i innymi pierwiastkami,

obrobione plastycznie.

Stale, w których głównym składnikiem stopowym jest w giel nazywamy stalami w glowymi. Prócz

w gla zawieraj one jeszcze inne pierwiastki pochodz ce z rudy i procesów metalurgicznych. Polska Norma PN-

57/H-01000 okre la górne udziały tych pierwiastków.

Stale, do których wprowadza si wiadomie w odpowiednich ilo ciach inne składniki w celu uzyskania

okre lonych wła ciwo ci mechanicznych, fizycznych czy chemicznych nazywamy stalami stopowymi.

W obu grupach stali pierwiastki, które do ich składu chemicznego przechodz z rudy i procesów

metalurgicznych dzieli si na dwie grupy: zanieczyszczenia (jak P, S, O

2

, H

2

, N

2

) obni aj ce wła ciwo ci i

dodatki (domieszki), które wprowadza si w czasie wytopu stali w celu jej odtlenienia (Si i Al) i zwi zania siarki

(Mn).

Na podstawie wykresu układu Fe-Fe

3

C i udziału głównego składnika stopowego-w gla, stale stopowe

dzieli si na: stale podeutektoidalne (do 0,8%C), stale eutektoidalne (0,8%C) i nadeutektoidalne (od 0,8% do

2,06%C). Praktycznie cz ciej u ywa si podziału na: stale niskow glowe (do 0,25%C), redniow glowe (od

0,25% do 0,6%C) i wysokow glowe (od 0,6%C).

W giel silnie wpływa na wła ciwo ci wytrzymało ciowe stali. Wzrost jego zawarto ci

powoduje

powi kszenie si udziału cementytu odpowiedzialnego za umocnienie stopu, gdy druga faza jaka wyst puje w

mikrostrukturze - ferryt jest roztworem stałym o niskich wła ciwo ciach wytrzymało ciowych. W stalach

podeutektoidalnych wi ksza cz

cementytu wyst puje w perlicie (rys. 5d), którego ilo powi ksza si a do 0,8%C,

przy której to zawarto ci w mikrostrukturze wyst puje sam perlit (rys. 5e). Dalszy wzrost zawarto ci w gla powoduje

utworzenie si siatki cementytu drugorz dowego na granicach ziarn perlitu. (rys. 5f, jasne obszary na granicach ziarn).

Z obrazu mikroskopowego w sposób przybli ony mo na okre li zawarto w gla w stali, je li s

spełnione nast puj ce warunki: stal jest w glowa, podeutektoidalna i w stanie wy arzonym (tzn. stanie bliskim

równowagi). Nale y wtedy udział powierzchni zaj tej przez perlit w obrazie mikroskopowym np. przy

powi kszeniu x 100, wyra ony ułamkiem (lub w %) pomno y przez 0,8% (sam perlit zawiera 0,8%C).

Zmiany mikrostrukturalne spowodowane powi kszaniem zawarto ci w gla poci gaj za sob wzrost

wła ciwo ci wytrzymało ciowych (rys. 6). Twardo HB wraz ze wzrostem zawarto ci w gla nieprzerwanie

ro nie. W stalach podeutektoidalnych stwierdzono pewn zale no mi dzy twardo ci HB a wytrzymało ci na

rozci ganie Rm, z której w sposób przybli ony praktycznie mo na korzysta :

]

[

10

3

]

[

4

,

3

MPa

HB

MPa

HB

Rm

⋅

≈

=

Granica Rm ro nie do zawarto ci w gla ok. 0,9% a powy ej tej zawarto ci zaczyna si obni a .

Przyczyn tego jest pojawienie si na granicach ziarn perlitu ci głej siatki cementytu drugorz dowego, co

powoduje, e stal staje si krucha i łatwiej ulega p kaniu.

W zale no ci od zawarto ci w gla mo na okre li orientacyjn wytrzymało Rm stali

podeutektoidalnych posługuj c si zale no ci :

]

)[

(%

600

300

MPa

C

Rm

+

=

Rys. 6. Wpływ w gla na własno ci mechaniczne stali w stanie wy arzonym

Wła ciwo ci plastyczne stali w glowych: wydłu enie A, przew enie Z i udarno K ze wzrostem w gla

malej . Obni aj si równie wła ciwo ci technologiczne jak podatno na odkształcenie itp.

Podane na wykresie (rys. 6) zale no ci, jak wspomniano, odnosz si dostanu bliskiego równowagi. Taki

stan w stali osi ga si w wyniku obróbek cieplnych ogólnie nazwanych wy arzeniami.

Spo ród kilkunastu rodzajów wy arza podanych w normie PN-76/H-01200 najbardziej zwi zane z

tematem wiczenia s nast puj ce:

- "wy arzanie ujednoradniaj ce (ujednorodnienie, homogenizowanie) - nagie przedmiotu do temperatury

niewiele ni szej od temperatury solidusu, długotrwałe wygrzewanie w tej temperaturze i chłodzenie w celu

zmniejszenia niejednorodno ci składu chemicznego i struktury",

- "wy arzanie normalizuj ce (normalizowanie) - nagrzanie przedmiotu do temperatury powy ej Ac

3

(zwykle

30

°C - 50°C p.aut.) lub Ac

cm

(w przypadku stali nadeutektoidalnych), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu

w spokojnym powietrzu w celu uzyskania drobnego ziarna lub równomiernego rozło enia składników

strukturalnych ",

-"wy arzanie zupełne-nagrzanie przedmiotu do temperatury nieznacznie powy ej Ac

3

lub Ac

cm

(w przypadku

stali nadeutektoidalnych) wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury poni ej Ar

1

w celu zupełnego

przekrystalizowania i nast pne powolne studzenie.

3.2. eliwa

eliwa s to stopy elaza z w glem i innymi pierwiastkami o zawarto ci w gla od 2,06% do teoretycznie

6,67% stosowane w wyrobach w stanie lanym. W praktycznie stosowanych eliwach zawarto w gla wynosi od

2,5% do 5%. Podobnie jak stale na podstawie składu chemicznego dzieli si je na eliwa w glowe i eliwa

stopowe.

W obu rodzajach eliw istnieje równie grupa pierwiastków pochodz cych z rudy i procesów

metalurgicznych o podobnym wpływie na wła ciwo ci jak w stalach, które podobnie dzieli si na

zanieczyszczenia i domieszki .

Rys. 7. Oznaczenia temperatur krytycznych

Na podstawie układu Fe-Fe

3

C i zawarto ci w gla mo na rozpatrywa eliwa białe. eliwa te dzieli si na:

eliwa podeutektyczne (od 2,06% do 4,3%C), eutektyczne (4,3%C) i nad eutektyczne (powy ej 4,3%C).

Mikrostruktury tych eliw pokazano na rysunku 5-g,h,i. Nale y zaznaczy , e w giel w eliwach mo e

wyst powa w cementycie-zwi zany i w stanie wolnym w postaci grafitu. Mikrostruktury eliw zło one s z

roztworów (austenitu lub ferrytu ), mieszanin (ledeburytu przemienionego i perlitu), cementytu i grafitu. W

zale no ci od tego czy w giel jest zwi zany czy w stanie wolnym eliwa dziel si na dwie

zasadnicze grupy:

1. eliwa białe, w których w giel jest całkowicie zwi zany (rys. 5 g, h, i).

2. eliwa szare gdzie w giel jest cz ciowo (rys. 8 d, e) lub całkowicie wolnym (rys. 8c).

Nazwy tych eliw pochodz st d, e złom eliwa białego jest jasny-srebrzysty, a szarego ciemny-szary.

Na tworzenie si okre lonej mikrostruktury eliwa wpływ maj dwie grupy czynników: warunki

krystalizacji pierwotnej i skład chemiczny. eliwa białe otrzymuje si zwykle przy niewielkim ju

przechłodzeniu, mniejszym ni uzyskiwanym w rzeczywistych warunkach krystalizacji. Tworzeniu si eliwa

białego sprzyja mangan (szczególnie gdy zawarto jego jest wi ksza od 1,25%) i do silnie siarka. eliwa

białe nie maj szerszego zastosowania jako materiały konstrukcyjne. Jedynymi ich zaletami s du a twardo i

odporno na cieranie.

eliwa szare stanowi du grup stopów o szerokim zastosowaniu technicznym. S one bardzo

ró nicowane pod wzgl dem mikrostrukturalnym. Wpływa na to skład chemiczny, sposób wytopu (warunki

krystalizacji) i obróbka cieplna stosowana do gotowych odlewów. Grafit w nich przybiera mo e ró ne kształty

jak: płatkowy (rys. 8a ), sferoidalny (kulkowy, rys. 8b) czy kłaczkowy (w giel arzenia, rys. 8c). Na utworzenie

si grafitu, jego kształt i rozdrobnienie najwi kszy wpływ ma skład chemiczny.

Rys. 8. Kształt grafitu w eliwach szarych: a – płatkowy, b – sferoidalny, c – kłaczkowy (grafit arzenia).

Mikrostruktury eliwa szarego: d – eliwo szare perlityczne z grafitem płatkowym, e – eliwo szare sferoidalne

ferrytyczno perlityczne.

Pierwiastki takie jak: krzem, magnez, cez., nikiel sprzyjaj grafityzacji i tworzeniu si eliwa szarego.

Krzem wpływa na powstawanie grafitu o drobnych płatkach, magnez powoduje sferoidyzacj grafitu co podnosi

znacznie wytrzymało R

m

eliwa, gdy zwi ksza si powierzchnia czynna przekroju osnowy metalicznej.

Proces tworzenia si grafitu sferoidalnego pod wpływem wprowadzenia do ciekłego stopu magnezu czy cezu,

nazywa si modyfikacj . Z eliwa białego przez długotrwałe wy arzenie otrzymuje si tzw. eliwo ci gliwe

(wykazuj ce pewne wła ciwo ci plastyczne) z grafitem arzenia (kłaczkowym).

Główn cz ci struktury fazowej eliw szarych. która decyduje o wła ciwo ciach mechanicznych i

przenosi obci enia eksploatacyjne jest osnowa metaliczna. Składa si ona z ferrytu i perlitu. W zale no ci od

udziału w mikrostrukturze tych składników eliwa dzieli si na:

1. eliwa o osnowie ferrytycznej, gdy ilo w gla zwi zanego jest niewielka (rys. 8c)

2. eliwa ferrytyczno-perlityczne lub perlityczno-ferrytyczne je li w gla zwi zanego jest mniej ni 0,8% (rys.

8e).

3. eliwa perlityczne, gdy ilo w gla zwi zanego wynosi 0,8% (rys. 8d).

4. PRZYKŁAD ANALIZY ZMIAN MIKROSTRUKTURY WYBRANEGO STOPU NA

PODSTAWIE KRZYWEJ CHŁODZENIA

Rys. 9. Krzywa chłodzenia wybranego stopu układu Fe-Fe

3

C

5. PYTANIA KONTROLNE

1. Co to jest stal - poda okre lenie.

2. Co to jest staliwo - poda okre lenie.

3. Co to jest eliwo?

4. Co to - jest eliwo białe?

5. Co to jest eliwo szare?

6. Okre li ró nic mi dzy stal a eliwem.

7. Wymieni składniki fazowe jakie mog wyst powa w stalach w glowych.

8. Wymieni składniki strukturalne jakie mog wyst powa w stalach w glowych.

9. Poda definicj : ferrytu, austenitu i cementytu.

10. Poda w jakim zakresie temperatur mo e wyst powa w stalach w glowych:

a) ferryt,

b) austenit.

11. Poda maksymalne zawarto ci w gla jakie mo e zawiera :

a) ferryt,

b) austenit.

12. Narysowa sie w jakiej krystalizuje:

a) ferryt,

b) austenit.

13. Poda jakiego typu roztworem jest:

a) ferryt,

b) austenit.

14. Poda definicj perlitu i ile zawiera on w gla.

15. W czasie bada mikroskopowych ustalono, e w badanej stali 30% obserwowanej powierzchni zajmuje

ferryt, a 70% perlit. Obliczy ile w gla zawiera badana stal.

16. Narysowa wykres Fe-Fe

3

C i wykre li krzywe chłodzenia dla stali zawieraj cej:

a) 0,3%C,

b) 1 ,2%C .

na krzywych zaznaczy wydzielaj ce si składniki fazowe i strukturalne.

17. Narysowa mikrostruktury stali zawieraj ce:

a) 0,3%C,

b) 1,2%C.

18. Opisa wpływ w gla na własno ci stali.

19. Na cz ci wykresu Fe-Fe

3

C dla stali nanie zakresy ró nych rodzajów wy arze .

20. Poda cel wy arzania ujednoradniaj cego.

21. Poda cel wy arzania normalizuj cego.

22. Poda cel wy arzania zupełnego.

23. W oparciu o wykres Fe-Fe

3

C poda definicj składników strukturalnych wyst puj cych w eliwach białych.

24. Wykre li krzywe chłodzenia stopów, których składy zaznaczone s na wykresie układu (rys. 9).

6. LEKTURA

1. K. Wesołowski – „Metaloznawstwo i obróbka cieplna” Wyd. WNT 1972 Warszawa

2. R. Haimann – „Metaloznawstwo” Wyd Politechnika Wrocławska 1974

3. St. Prowans – „Struktura stopów” Wyd. PWN 1991 Warszawa

4. L. Dobrza ski – „Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali” Wyd. Politechnika l ska, Gliwice 1995

5. K. Przybyłowicz – „Metaloznawstwo” WNT Warszawa 1996