Stop żelaza z węglem

Wykres żelazo-węgiel

Stop żelaza z węglem – stopy, w których węgiel rozpuszczany jest w żelazie. Węgiel może występować w nich w postaci węgla czystego – grafitu lub węglika żelaza Fe3C zwanego cementytem.

Stopy zawierające poniżej 2,11% (wg norm polskich zaś europejskich 1,75%) węgla to stale lub staliwo, a powyżej tej zawartości to żeliwo.

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 ferrytu i cementytu

przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 723 °C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.

przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu.

stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu.

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.

Wykres równowagi układu żelazo-węgiel - jest to wykres fazowy węgla w stopie z żelazem. Pierwszą, najczęściej wykorzystywaną i omawianą część wykresu nazywa się także wykresem żelazo - cementyt. Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką strukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Przy, na przykład, szybkim chłodzeniu stop może zachowywać się w inny sposób (na przykład granica rozpuszczalności węgla w ferrycie wzrasta wraz z wielkością przechłodzenia).

Należy zaznaczyć, że jest to tylko fragment wykresu równowagi układu żelazo-węgiel (zwany wykresem żelazo-cementyt), zawarty pomiędzy 0% a 6,69% (czasem mówi się 6,67%) węgla. Nazwa pochodzi od nazwy faz na granicach wykresu - z lewej jest żalazo (Fe), a z prawej cementyt (Fe3C). Jest on najbardziej istotny ze względów praktycznych, gdyż większe stężenie węgla powoduje zbyt dużą kruchość stopu.

Układ metastabilny	żelazo - cementyt		Układ stabilny	żelazo - węgiel
Punkt	stężenie węgla	przy temp.	Punkt	stężenie węgla	przy temp.
A	0 %C	1538 °C	A	0 %C	1538 °C
H	0,09 %C	1495 °C	H	0,09 %C	1495 °C
J	0,17 %C	1495 °C	J	0,17 %C	1495 °C
B	0,53 %C	1495 °C	B	0,53 %C	1495 °C
N	0 %C	1394 °C	N	0 %C	1394 °C
D	6,67 %C	1227 °C	D'	∞(?) %C	∞(?) °C
C	4,3 %C	1148 °C	C'	4,26 %C	1154 °C
E	2,11 %C	1148 °C	E'	2,08 %C	1154 °C
F	6,67 %C	1148 °C	F'	6,67 %C	1154 °C
G	0 %C	912 °C	G	0 %C	912 °C
M	0,0168 %C	770 °C	M	0,0168 %C	770 °C
O	0,45 %C	770 °C	O	0,45 %C	770 °C
P	0,0218 %C	727 °C	P'	0,0205 %C	738 °C
S	0,77 %C	727 °C	S'	0,68 %C	738 °C
K	6,67 %C	727 °C	K'	6,67 %C	738 °C
Q	0,008 %C	20 °C	Q	0,008 %C	20 °C

Charakterystyczne linie wykresu.

linia	stan skupienia	przemiana	opis
AB	Likwidus	Początek wydziealnia fazy α(δ)	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania fazy α(δ)
BC	Likwidus	Początek wydziealnia fazy γ	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania fazy γ
CD	Likwidus	Początek wydziealnia cementytu pierwotnego z roztworu ciekłego	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania cementytu
AH	Solidus	Koniec krzepnięcia fazy α(δ)	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w kryształach fazy α(δ)
HJB	Linia przemiany perytektycznej		ciecz (B) + roztwór α(δ)(H)CHŁODZENIEN/NAGRZEWANIE roztwór γ (J)
JE	Solidus	Koniec krzepnięcia fazy γ	Odpowiada stężeniu węgla w kryształach roztworu γ
ECF	Linia przemiany eutektycznej		ciecz (C) CHŁODZENIEN/NAGRZEWANIE roztwór γ (E) + cementyt (F)
HN		Początek przemiany alotropowej roztworu α(δ) w wyniku tworzenia się kryształów roztworu γ
JN		Koniec przemiany roztworu α(δ) w roztwór γ	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ w wyniku przemiany α(δ) w γ oraz γ w α(δ)
ES		Początek wydziealnia cementytu wtórnego w roztworze stałym	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ
GOS		Początek przemiany alotropowej roztworu γ w roztwór α	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ w wyniku tworzenia się kryształów roztworu α
MO	Linia przemiany magnetycznej		roztwór paramagnetyczny CHŁODZENIEN/NAGRZEWANIE roztwór α ferromagnetyczny
GMP		Koniec przemiany alotropowej roztworu γ w roztwór α	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze α
PSK	Linia przemiany eutektoidalnej		roztwór γ (S) CHŁODZENIEN/NAGRZEWANIE roztwór α (P) + cementyt (K)
PQ		Początek wydzielania cementytu trzeciorzędowego	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze α

Jako żelazo określa się pierwiastek chemiczny Fe oraz żelazo techniczne o bardzo małej zawartości innych składników. Żelazo w zależności od temperatury występuje w dwóch odmianach alotropowych alfa i gamma. Żelazo alfa jest plastyczne, krystalizuje w sieci przestrzennie centrycznej układu regularnego i do temperatury 780⁰C wykazuje własności ferromagnetyczne. Żelazo gamma posiada sieć płaskocentryczną układu regularnego. Żelazo jest paramagnetyczne, plastyczne i wykazuje znaczną zdolność do rozpuszczania węgla. Drugim składnikiem układu jest węgiel. Może on występować w postaci wolnej jako grafit, bądź w postaci związanej z żelazem jako faza międzymetaliczna Fe₃C. Węgiel posiada dwie odmiany alotropowe: diament i grafit, ten ostatni występuje niekiedy w stopach z żelazem. Cementyt jest fazą międzymetaliczną żelaza z węglem o wzorze Fe₃C (węglik żelaza)
i zawiera 6,67% C. Struktura cementytu jest dość skomplikowana. Kryształ cementytu składa się z ośmiościanów ułożonych względem siebie pod określonymi kątami. Wewnątrz każdego ośmiościanu mieści się atom węgla. Przewaga wiązania metalicznego decyduje o właściwościach metalicznych cementytu jak przewodność elektryczna, połysk metaliczny itp. Cementyt cechuje duża twardość oraz brak plastyczności. Może on tworzyć roztwory stałe różnowęzłowe, w miejsca atomów węgla mogą wchodzić atomu niemetali: azotu, tlenu, zaś w miejsca atomów żelaza- atomy metali: manganu, chromu, wolframu i innych. Jest on związkiem nietrwałym i w określonych warunkach rozpada się na węgiel i żelazo.

Stopy żelaza z węglem są niewątpliwie najważniejszymi stopami stosowanymi
w technice. Układ równowagi żelazo- węgiel został opracowany po raz pierwszy pod koniec XIX wieku i uległ w między czasie wielu poprawkom. Węgiel może występować w tym układzie w postaci wolnej jako grafit oraz związanej jako Fe₃C. W praktyce ma się raczej do czynienia z tym ostatnim składnikiem i taki układ Fe- Fe₃C nazywa się nietrwałym (niestabilnym), w odróżnieniu do trwałego układu Fe-C, opracowanego przy długotrwałym działaniu temperatury. W zależności od procentowej zawartości węgla można układ podzielić na 2 okresy:

- do 2%, gdzie przy wolnym chłodzeniu wydziela się cementyt; zakres ten odnosi się do stali węglowych;

- powyżej 2%- otrzymuje się stopy, w których węgiel występuje w postaci grafitu, zwłaszcza w obecności dalszego składnika jakim jest krzem- jest to zakres żeliw (3-4%) ; stopy powyżej 4% w praktyce raczej nie znajdują zastosowania- są krucze, gdyż węgiel występuje w nich zawsze w postaci cementytu.

Krzepnięcie stopów żelaza z węglem rozpoczyna się poniżej linii likwidusu.
Powyżej jej znajduje się jedynie faza będąca roztworem ciekłym węgla w żelazie. Pomiędzy liniami likwidusu i solidusu współistnieją dwie fazy ciekła i stała. Poniżej linii solidusu występować mogą stopy jedynie w stanie stałym. W rezultacie przemian zachodzących w stałej temperaturze (perytektyczna w 1492⁰C, eutektyczna w 1130⁰C i eutektoidalna (perlityczna) w 723⁰C) otrzymuje się:

-dla stopu 0,018%C w 1492⁰C roztwór stały węgla w żelazie gamma zwany austenitem, w wyniku przemiany perytektycznej między roztworem alfa o składzie 0,1% i cieczą o składzie 0,5%;

-dla stopu o 4,3%C w 1130⁰C mieszaninę eutektyczną austenitu o 2%C i cementytu pierwotnego, zwaną leburytem;

-dla stopu o 0,8%C mieszaninę eutektoidalną roztworu węgla w żelazie alfa (ferryt) i cementytu wtórnego, zwaną perlitem.

Ferryt jest to graniczny roztwór węgla w żelazie alfa o maksymalnej rozpuszczalności 0,008%C w temperaturze otoczenia a 0,025%C w 723⁰C tj. w temperaturze eutektoidalnej.
Na ogół ferryt posiada własności podobne do czystego żelaza, wykazuje niską twardość, wzrastającą w obecności atomów domieszek w roztworze.

Cementyt jest chemicznie bardzo odporny. Rozróżnia się cementyt pierwotny, wydzielający się z austenitu w postaci ziaren płytkowych lub laseczkowych, cementyt wtórny wydzielający się jako igły lub siatka na granicach perlitu.

Austenit jest to roztwór stały węgla w żelazie gamma. Krystalizuje w sieci płaskocentrycznej układu regularnego przy czym atomy węgla zajmują położenie środkowe.

Perlit jest to eutektoid, zawierający 0,8%C, powstały z przemiany austenitu przy powolnym chłodzeniu i składa się w zasadzie z płytek ferrytu i cementytu.

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną nasyconych kryształów austenitu zawierającego 2%C i cementytu; występuje przy stałym składzie chemicznym 4,3%. Jest trwały w zakresie 1130 do 723⁰C; poniżej istnieje tak zwany ledeburyt przemieniony będący mieszaniną perlitu i cementytu. Ledeburyt cechuje stosunkowo wysoka twardość oraz kruchość.

Struktury stopów żelaza z węglem zależą od zawartości węgla:

- stop1 (C=0,02%; żelazo elektrolityczne); stop2 (C=0,35%; stal konstrukcyjna); stop3 (C=0,8%; stal narzędziowa, stop podeutektoidalny); stop4 (C=1,5%; stal narzędziowa, stop nadeutektoidalny) ; stop5 (C=3,0%; żeliwo białe podeutektyczne); stop6 (C=4,3%; żeliwo ledeburyczne); stop7 (C=5,5%; żeliwo białe nadeutektyczne)

Na podstawie wykresu opracowanego przez Sauvera można określić procentowy udział poszczególnych składników w strukturze danego stopu. Dla stali podeutektoidalnej wyżarzonej można z wykresu Fe-C i obrazu mikroskopowego ocenić przybliżoną zawartość węgla. Zakładając, że ferryt prawie węgla nie zawiera, zaś perlit ma 0,8%C, z pewną dokładnością można określić daną zawartość węgla. Dla stali o zawartości ponad 0,8%C jest taka ocena już mniej dokładna. W stopach eutektycznych krzepnięcie rozpoczyna się od wykrystalizowania dużych płatów pierwotnego grafitu. W miarę krzepnięcia skład cieczy zmienia się osiągając e temperaturze eutektycznej stężenie ok. 4,3%, przy którym krzepnięcie w postaci eutektyki składającej się z drobnopłatkowego lub punktowego grafitu i austenitu. Podczas dalszego obniżania temperatury z austenitu wydziela się grafit wtórny, aż do osiągnięcia temperatury i składu eutektoidalnego; wtedy następuje rozpad austenitu na ferryt
i grafit. W stopach podeutektoidalnych krzepnięcie rozpoczyna się od utworzenia austenitu,
a następnie powstaje grafit eutektyczny. Dalsze przemiany zachodzą już jak w stopie nadeutektoidalnym.

Z ilości perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnej w stanie wolno chłodzonym można określić zawartość węgla w stali. Wiedząc, że przy zawartości 0,8% C stal posiada czysto perlityczną strukturę, a przy 0% C czysto ferrytyczną, oceniając pod mikroskopem procentowy udział perlitu w strukturze stali, można obliczyć zawartość węgla w stali wg formuły:

x = 0.8 , gdzie: x - zawartość węgla w procentach; P - powierzchnia zajęta przez perlit w procentach