UKŁAD

ŻELAZO -CEMENT

Marcin Urbański gr 29-CR-A4

Katarzyna Kruk gr 29-CR-A2

UKŁAD

ŻELAZO-

WĘGIEL

Ferryt
α
+Perlit

Fe – Fe

3

C

100
0

120
0

140
0

160
0

200

40
0

600

80
0

0,
5

1,
0

1,
5

2,
0

2,
5

3,
0

3,
5

4,
0

4,
5

5,
0

5,
5

6,
0

6,
5

Zawartość C
%

Te

m

p

e

ra

tu

ra

[

o

C

]

F

e

rr

y

t

α

Pe

rl

i

t

L

e

d

e

b

u

ry

t

p

rz

e

m

ie

n

io

n

y

C

e

m

e

n

ty

t

F

e

3

C

0,00
8

Ledeburyt
przemieniony +
Fe

3

C

I

L

e

d

e

b

u

r

y

t

Perlit +
Fe

3

C

II

+

ledeburyt
przemienion
y

Perlit
+
Fe

3

C

II

Ferryt
α
+ Fe

3

C

III

Austenit γ

Austenit γ +

Ferryt α

Austeni
t γ +
Fe

3

C

II

Austenit γ +
ledeburyt+
Fe

3

C

II

ledeburyt+
Fe

3

C

I

Fe

3

C

I

+cie

cz

ciecz

Austenit γ +

ciecz

Ferryt α

[δ] +

Austenit γ

F

e

rr

y

t

α

[δ

]

Ciecz + Ferryt

α [δ]

6,6

7

727

o

C

1148

o

C

912

1394

1495

1538

A

B

E

C

D

F

K

S

G

P

Q

J

N

H

L

likwidus

likwidu
s

solidus

Układ żelazo-węgiel to dwuskładnikowy układ równowagi
utworzony przez żelazo i węgiel, krzepnący przeważnie jako
układ żelazo-cementyt.
Linie ciągłe dotyczą układu

metastabilnego

, żelazo-cementyt

Fe3C - są to stopy, w których węgiel występuje pod postacią
cementytu (stosowany do stali i surówek białych).
Linie przerywane dotyczą układu

stabilnego

, żelazo-grafit są

to stopy, w których węgiel występuje pod postacią grafitu.

Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w

stopie

, na osi pionowej

temperatura

.

Likwidus- jest linią na wykresie równowagi, powyżej której w
każdym stężeniu stop jest cieczą
Solidus- wykres temperatury wyznaczający jej wartość, poniżej
której występuje już tylko faza stała.

STAL

są to stopy żelaza z węglem o zawartości 0,02-2,06%C i

innymi pierwiastkami (np. wolfram, molibden, chrom, kobalt,
nikiel, krzem) poddane obróbce plastycznej po odlaniu i
skrzepnięciu.

STALIWA

to takie same stopy żelaza z węglem otrzymane

przez odlanie i skrzepnięcie.

ŻELIWA

to odlewnicze stopy żelaza z węglem i innymi

dodatkami zawierające 2,06-6,67% C, najczęściej do 4,3% C.

CEMENTYT

węglik żelaza Fe

3

C, kruchy, odporny chemicznie i

bardzo twardy składnik

stali

i

żeliw

białych. Do temperatury

210

0

C wykazuje właściwości ferromagnetyczne, powyżej –

paramagnetyczne.

Wzrost zawartości węgla w stali niestopowej do ok. 0,85% C
powoduje wzrost wytrzymałości Rm, a następnie jej spadek. Ze
wzrostem zawartości węgla maleją własności plastyczne –
wydłużenie A i przewężenie Z, zmniejsza się udarność KC,
rośnie twardość i kruchość.

siarka-(S<0,05%) ma działanie niekorzystne, gdyż tworzy
siarczki FeS o temperaturze topnienia 1000ºC i powoduje
kruchość stali na gorąco.
wodór- zmniejsza własności plastyczne i technologiczne
azot-powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie
plastyczności.
tlen-powoduje pogorszenie własności mechanicznych.

fosfor-(P<0,05%) zmniejsza plastyczność i powoduje
kruchość stali na zimno. Wzrost zawartości fosforu do
0,1% polepsza skrawalność, a do zawartości 0,35%
zwiększa odporność na ścieranie.

Na własności metali wpływają również takie domieszki
jak:

mangan- dodaje się w procesie wytwarzania stali, w celu
odtleniania i zapobiegania tworzeniu się niekorzystnych
związków siarki z żelazem. Powoduje on zwiększenie
wytrzymałości wyrobów stalowych walcowanych na
gorąco.

.
Wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza z
węglem przybiera odmienne formy:
-przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje
się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane

ferrytem.

-przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną

eutektoidalną

(drobnokrystaliczna mieszanina dwóch lub więcej faz)

ferrytu i cementytu
-przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje
ledeburyt, mieszanina eutektyczna (mieszanina dwóch lub więcej

faz krystalicznych

o określonym składzie, która wydziela się z

roztworów ciekłych lub stopów w określonej temperaturze, zwanej
temperaturą eutektyczną austenitu z cementytem który w czasie
dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 727 °C przekształca
się w ledeburyt przemieniony - mieszaninę perlitu z cementytem.
-przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje
się stopy-

stale podeutektoidalne

które są mieszaninami

ferrytu i

perlitu.

Na polerowanym przekroju oglądanym pod mikroskopem daje się
zauważyć ziarna

ferrytu

oddzielone obszarami

perlitu

. Wraz ze

wzrostem zawartości węgla, udział ferrytu maleje, a perlitu wzrasta.
Wzrasta także

twardość

stali, a obniża się jej

ciągliwość

-stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% (żeliwo), są
mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3%
węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku
stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także
wystąpić grafit.

Na polerowanym przekroju oglądanym pod mikroskopem daje
się zauważyć ziarna

perlitu

oddzielone obszarami

cementytu

.

Wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział perlitu maleje, a
cementytu wzrasta. Wzrasta także twardość stali, a obniża się
jej

ciągliwość

.

-stopy w zakresie 0,77% do 2,11% węgla –

stale

nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu.

PERLIT

Ferryt

Ferryt iglasty

Ferryt siatkowy

AUSTENIT

Austenit,

roztwór stały węgla w żelazie, zawierający nie

więcej niż 1,7% węgla. Występuje w zakresie temperatur
710-1535

ο

C. Składnik stopowy

stali

i stopowych

żeliw

.

Jest paramagnetyczny, plastyczny, ma twardość ok. 200
HB

Ledeburyt

ledeburyt

Cementyt

-struktura złożona żelaza z węglem o zaw.

6,67%C. Cementyt zwany jest też węglikiem żelaza o
strukturze rombowej. Jego gęstość jest mniejsza od żelaza .
Jest bardzo twardy, kruchy
i mało plastyczny. W stopach żelaza z węglem może
występować w różnych składnikach strukturalnych ( perlit,
ledeburyt ) lub w postaci oddzielnych wydzieleń (pierwotny,
wtórny, trzeciorzędowy).
-Cementyt pierwszorzędowy-wydzielony z fazy ciekłej
podczas krzepnięcia surówek lub żeliw, czy też jako składnik
eutektyki ledeburytowej. Występuje poniżej linii CD.
-Cementyt drugorzędowy -wydzielony z austenitu podczas
obniżania temp. od 1148 do 727oC lub jako składnik perlitu.
Występuje poniżej linii ES.
-Cementyt trzeciorzędowy –wydzielony z roztworu stałego
węgla w żelazie α podczas obniżania temp. od 727oC do temp.
otoczenia .Występuje poniżej QP do perlitu

.

I

II

III

Układ żelazo-cementyt został opracowany do
zawartości
6,67 % C co odpowiada procentowej zawartości węgla
w cementycie - Fe3C.
Rozpatrując wykres widać ,że powyżej linii likwidusu -
ABCD znajduje się jedynie faza ciekła( L) , będąca
roztworem ciekłym węgla w żelazie. Między liniami
likwidusu ABCD i solidusu AHJECF współistnieją dwie
fazy, których jedna to faza ciekła , a druga faza stała,
przy czym w polu ograniczonym liniami ABHA fazą
stałą są kryształy roztworu stałego węgla w żelazie α
( δ ) , w polu ograniczonym liniami JBCE - kryształy
roztworu stałego węgla w żelazie γ i w polu
ograniczonym liniami CDFC - kryształy
pierwszorzędowego cementytu.

Poniżej linii solidus AHJECF stopy występują tylko w
stanie stałym.
W polu ograniczonym liniami AHN istnieją kryształy
roztworu stałego węgla w żelazie α ( δ ).-ferryt
wysokotemperaturowy . Punkt H- maksymalna
rozpuszczalność węgla w żelazie α.
Pole HJN jest mieszaniną kryształów roztworu stałego
węgla w żelazie α ( δ)-punkt H i kryształów węgla w
żelazie γ ( punkt J).
W obszarze GSEJNG występuje austenit –roztwór stały ,
międzywęzłowy atomów węgla w żelazie γ ( do 2,11 %
C),
ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu.
W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temp.
727oC.

W obszarze QPG istnieje ferryt- roztwór stały
międzywęzłowy atomów węgla w żelazie α o bardzo
małej zawartości węgla
( ok. 0,02% ), dlatego jego własności mało różnią się
od własności żelaza. Istnieje do temp. 912oC-punkt G
Punkt P –zawartość 0,0218%C-maksymalna
rozpuszczalność atomów węgla w żelazie α w temp.
727oC.
Punkt Q - zawartość 0,008%C-maksymalna
rozpuszczalność atomów węgla w żelazie α w temp.
pokojowej-0oC.

Pole ograniczone liniami ECFKS pod względem
fazowym jest mieszaniną dwu faz stałych : austenitu
(roztwór węgla w żelazie γ ) i cementytu.

Pod względem strukturalnym należy podzielić je na trzy
części.

1. obszar ograniczony linią ES do zaw. 2,11%C zawiera
głównie austenit oraz wydzielony z niego cementyt zwany
drugorzędowym.
2. pole między E i C o zaw. od 2,11 %C do 4,30 %C w
temp. powyżej 727oC do 1148oC to mieszanina
eutektyczna austenitu i cementytu zwana ledeburytem
Jest składnikiem surówek ( żeliw) białych
podeutektycznych, eutektycznych, nadeutektycznych.
Cechuje go znaczna twardość i kruchość. Występuje w
niektórych narzędziowych stalach stopowych..
3. poniżej temp. eutektoidalnej 727˚C występuje jako
ledeburyt przemieniony na skutek przemiany austenitu w
perlit.

Pole poniżej linii QPSK pod względem fazowym jest mieszaniną
dwu faz stałych: jedna to roztwór stały węgla w żelazie α (ferryt),
druga cementyt.
Poniżej temp. eutektoidalnej ,727˚C dla stopów o zawartości od
0,02 do 2,11%C istnieją tylko mieszaniny. Mieszanina
eutektoidalna powstała w tem. 727˚C na skutek rozpadu
austenitu ,nazywa się perlitem.
Perlit jest eutektoidem złożonym z płytek ferrytu i cementytu o
stosunku grubości 7:1 . Dyspersja perlitu tzn. odległość między
płytkami jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości
przechłodzenia względem temp. Wytrzymałość i twardość perlitu
rosną w miarę rozdrabniania struktury , własności plastyczne
maleją . Pod mikroskopem , przy małych powiększeniach
przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów. Przy dużych
powiększeniach widoczna jest wyrażnie jego budowa płytkowa.
Poniżej linii QP ( zaw. 0,0218%C) znajduje sie ferryt i cementyt
trzeciorzędowy.
Pole w zakresie 0,02% do 2,11%C istnieje ferryt z cementytem
trzeciorzędowym i cementyt drugorzędowy.
Obszar o zawartości od 2,11 do 4,30%C zawiera perlit z
cementytem drugorzędowym i ledeburyt przemieniony .Powyżej
zawartości 4,30 do 6,67%C istnieje cementyt pierwszorzędowy i
ledeburyt przemieniony.

Punkty charakterystyczne układu

żelazo – cementyt

Punk
t

Stężenie

C%

Temperat

uraºC

Pun
kt

Stężenie

C%

Temperatu

raºC

A

0

1538

E

2,11

1148

H

0,09

1495

G

0

912

J

0,17

1495

P

0,021

8

727

B

0,53

1495

S

0,77

727

N

0

1394

K

6,67

727

D

6,67

1227

Q

0,008

20

C

4,3

1148

Oznaczenia linii w układzie żelazo –

cementyt

Oznaczeni

e linii

Omówienie

AB

Likwidus; początek wydzielania fazy α(δ); odpowiada

zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku

wydzielania fazy α(δ).

BC

Likwidus; początek wydzielania fazy γ ; odpowiada

zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku

wydzielania fazy γ

CD

Likwidus; początek wydzielania cementytu pierwotnego;

odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w

wyniku wydzielania cementytu

AH

Solidus; koniec krzepnięcia fazy α(δ); odpowiada

stężeniu węgla

w kryształach fazy α(δ)

HJB

Linia przemiany perytektycznej
Ciecz (B) + roztwór α(δ) (H)  roztwór γ (J)

JE

Solidus; koniec krzepnięcia roztworu γ ; odpowiada

stężeniu węgla

w kryształach roztworu γ

DF

Solidus; wydzielanie cementytu pierwotnego z roztworu

ciekłego