WYDZIAA
INŻYNIERII MATERIAA
OWEJ
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
LABORATORIUM MATERIAA
OZNAWSTWA
Materiały pomocnicze do ćwiczenia
" BADANIA WPA
YWU W
GLA NA MIKROSTRUKTUR
I TWARDOŚĆ
STOPÓW UKA
ADU Fe-Fe3C W STANIE RÓWNOWAGI"
Opracował dr inz
. Andrzej W. Kalinowski
1.WIADOMOŚCI WST
PNE
Stopy sporządzane na bazie żelaza posiadają ponad 90% udziału masowego w
tworzywach metalicznych stosowanych w konstrukcjach, maszynach, pojazdach, urządzeniach,
narzędziach itd. Tak więc stopy te mają największe zastosowanie techniczne.
Żelazo od bardzo dawna miało znaczący wpływ na rozwój cywilizacyjny ludzkości, stąd jeden z
okresów tego rozwoju przyjął nazwę epoki żelaza.
Czyste żelazo z punktu widzenia współczesnych potrzeb konstrukcyjnych ma zbyt niskie
właściwości wytrzymałościowe; np. żelazo elektrolityczne posiada Rm=250MPa, Re=140MPa,
twardość 75HB, ma natomiast wysokie wartości wskaz
ników plastyeznych-A10=50%, Z=80% i
udarność 250J/cm2. Z przytoczonych wartości wynika, że czyste żelazo nie jest atrakcyjnym materiałem
konstrukcyjnym zdolnym do przenoszenia dużych obciążeń. Dlatego od dawna na bazie żelaza
sporządza się stopy, których głównym składnikiem jest węgiel.
2. UKA
AD ŻELAZO-WEGIEL
Do celów praktycznych interesujący jest tylko fragment układu żelazo-węgiel do
zawartości 6,67% węgla i temperatury nieco powyżej 1536�C tj. topnienia żelaza. Przy stężeniu
6,67%C tworzy się węglik żelaza Fe3C, nazwany cementytem
Cementyt powoduje to, że można rozpatrywać dwa układy: Fe-Fe3C i Fe-C. Pierwszy,
bardzo dobrze poznany jest metastabilny, tworzeniu którego sprzyja znaczna prędkość chłodzenia
taka jaka istnieje w rzeczywistych warunkach krystalizacji. Drugi-stabilny, mniej poznany, tworzy
się w pewnych warunkach krystalizacji pierwotnej przy powolnym chłodzeniu, bądz
długotrwałym
wygrzewaniu powyżej temperatury 600�C stałych stopów układu Fe-Fe3C.
1
Rysunek l przedstawia cześć układu żelazo-węgiel posiadający znaczenie praktyczne. Linie
ciągłe odnoszą się do układu żelazo-cementyt, zaś przerywane do układu żelazo-grafit. Ponieważ w
rzeczywistych warunkach krystalizacji pierwotnej, jakie mają miejsce w zakładach metalurgicznych
przy wytwarzaniu stopów Fe-C, łatwiej tworzy się układ Fe-Fe3C dlatego został on zbadany
dokładniej i stosowany powszechnie. Analiza mikrostruktur jakie się tworzą w tym układzie pod
wpływem zmian zawartości węgla, przemian alotropowych żelaza, zmiennych rozpuszczalności
węgla w żelazie i reakcji perytektycznej, eutektycznej oraz eutektoidalnej jest podstawą wielu
procesów technologicznych stosowanych do stopów żelazo-węgiel. Dzięki bowiem tym przemianom
technolog stosując różne zabiegi cieplne może kształtować i otrzymywać różne mikrostruktury a w
konsekwencji wymagane właściwości mechaniczne stopu.
Układ, którego wykres podany jest na rysunku l opisany jest fazowo, gdzie ą-oznacza roztwór
stały węgla w odmianie alotropowej Feą , ł-roztwór stały węgla w odmianie alotropowej Fey, zaś
węglik żelaza oznaczony jest wzorem Fe3C. W temperaturze otoczenia istnieją tylko dwie fazy: a� i Fe3C-
cementyt, których udziały w stopach zależą od zawartości węgla.
W układzie obok przemian alotropowych żelaza zachodzą jeszcze inne przemiany. W
temperaturze 1496�C zachodzi reakcja perytektyczna, w wyniku której wcześniej powstałe
kryształy fazy a� o składzie punktu H reagując z roztworem ciekłym L o składzie punktu B, tworzą
kryształy fazy ł o składzie punktu J.
W temperaturze 1147�C roztwór ciekły o składzie punktu C krzepnąc przechodzi w
mieszaninę eutektyczną dwóch faz stałych: cementytu (Fe3C) i nasyconego roztworu stałego ł o
składzie punktu E.
Faza ł o składzie punktu S w temperaturze 723�C ulega rozpadowi na mieszaninę
eutektoidalną złożoną z cementytu (Fe3C) i nasyconego roztworu stałego a� o składzie punktu P.
łs=>Fe3C+ąp
2.1. Składniki układu Fe-C
Żelazo-główny składnik stopów układu Fe-C w normalnym ciśnieniu posiada dwie odmiany
alotropowe: Feą o strukturze krystalicznej RPC (A2) i stałej sieciowej 2,86A (20�C) oraz odmianę Fey o
strukturze RSC (Al) i stałej sieciowej 3,62A (750�C).
Odmiana Feą jest trwała do temperatury 9100C, powyżej której przechodzi w
2
odmianę Fey. Ta odmiana istnieje do temperatury 1390�C i ponownie przemienia się w Feą,
nazywaną odmianą wysokotemperaturową żelaza alfa. Istnieje ona aż do temperatury
topnienia żelaza. Dawniej oznaczano ją literą d� sądząc, że jest to jeszcze jedna z odmian
alotropowych żelaza.
Wzrost zawartości rozpuszczającego się węgla w żelazie gama powoduje rozszerzenie
obszaru istnienia tej odmiany. W wysokich temperaturach obszar ten sięga temperatury
perytektycznej (1496�C) przy zawartości węgla w roztworze wynoszącym 0,16%. W dolnym
zakresie temperatury obszar Fey obniża się, kosztem Feą od 910�C do 723�C przy zawartości
0,8% węgla. Dalszy wzrost zawartości węgla nie wpływa już na temperaturę przemiany
Feą <=> Fey.(rys. l)
Do temperatury 768�C żelazo wykazuje właściwości ferromagnetyczne, a w
temperaturach wyższych staje się paramagnetyczne.
Węgiel-drugi składnik stopów z żelazem tworzy roztwory stałe w całym zakresie
temperatur i do zawartości 2,06%C (temperatura eutektyczna). W zależności od warunków
przebiegu krystalizacji pierwotnej i wtórnej węgiel tworzy z żelazem fazę międzymetaliczną Fe3C
albo występuje w stanie wolnym pod postacią grafitu. Grafit w porównaniu z żelazem ma niskie
właściwości mechaniczne (tablica 1), tak że praktycznie są one pomijalne, a ziarna grafitu w
mikrostrukturze stopów niekiedy traktuje się jako nieciągłości osnowy metalicznej.
2.2. Fazy i składniki strukturalne układu Fe-Fe3C.
Do celów praktycznych bardziej przydatny jest strukturalny opis wykresu Fe-Fe3C (rys. 2), który
uwzględnia mikrostruktury tworzące się w różnych temperaturach, przy różnych
zawartościach węgla i w warunkach które pozwoliły stopom na uzyskanie stanu bliskiego
równowagi.
2.2.l. Fazy układu Fe-Fe3C.
W układzie występują trzy fazy:
-ferryt oznaczony na wykresie literą F- Feą(C),
-austenit oznaczony na wykresie literą A- Fey(C),
-cementyt oznaczony na wykresie literą C- Fe3C
W zależności od warunków tworzenia się cementytu do symbolu C dopisuje się jako indeks
liczbę rzymską I, II lub III.
3
 4
 5
I tak:
C1-cementyt pierwszorzędowy tworzy się jako pierwszy z cieczy w wyniku
krzepnięcia stopów zawierających ponad 4,3% węgla,
CII-cementyt drugorzędowy wydziela się z austenitu w wyniku zmiennej w nim
rozpuszczalności węgla,
CIII-cementyt trzeciorzędowy, wydziela się z ferrytu również w wyniku zmiennej w
nim rozpuszczalności węgla.
Cementyt tworzy się także w przemianach eutektycznej i eutektoidalnej, produktem
których są określone mieszaniny austenitu i cementytu oraz ferrytu i austenitu.
Ferryt ą . Feą(C), F
Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie Feą. Atomy węgla
zajmują luki międzywęzłowe w sieci RPC (A2), w której rozróżnia się ich dwa rodzaje: luki o
koordynacji tetraedrycznej (rys 3a) i oktaedrycznej (rys. 3b). Obie luki znajdują się na
ściankach komórki elementarnej i są bardzo małe. Przeprowadzając odpowiednie obliczenia można
stwierdzić, że umiejscowienie się atomu węgla w luce tetraedrycznej musi spowodować
rozsunięcie się czterech otaczających go atomów, natomiast w luce oktaedrycznej tylko
dwóch. Wynika z tego, że bardziej prawdopodobne z punktu energetycznego jest zajmowanie
przez węgiel luk oktaedrycznych. Niemniej powoduje to zmniejszenie objętości luk sąsiednich, w
których atomy węgla już nie mogą się pomieścić. Zniekształcenie to jest tak znaczne, że w
temperaturze 723�C (eutektaidalnej) może być zajęta tylko co 1650 luka przez atom węgla.
Rys.3 Luki międzywęzłowe sieci RPC: a-luka tetraedryczna, b-luka oktaedryczna.(2)
6
Odpowiada to maksymalnej rozpuszczalności węgla w niskotemperaturowej
odmianie Feą i wynosi 0,02%. Wraz z obniżeniem temperatury rozpuszczalność ta maleje i
w 20�C wynosi już tylko ok.0,008%. W warunkach rzeczywistych może się ona
nieznacznie zmieniać, gdyż atomy węgla mogą lokalizować się także w defektach sieci
krystalicznej skoncentrowanych zwykle w obszarach przygranicznych ziarn.
W odmianie wysokotemperaturowej Feą rozpuszczalność węgla, w zakresie jej
istnienia (1390�C-1536�C) jest zmienna. Najwyższa jest w temperaturze 1496�C
(perytektoidalnej) i wynosi 0,1%.
Ferryt niskotemperaturowy jest fazą bardzo miękką, plastyczną o małej
wytrzymałości na rozciąganie. Właściwości mechaniczne ferrytu zawiera tablica l a
typowy obraz mikrostruktury przedstawia rys. 5b.
Tablica 1. Właściwości mechaniczne składników fazowych i strukturalnych
stopów żelazo-węgiel.(2,3)
Składnik Wytrzymałość na Wydłużenie Udarność K Twardość H
rozciąganie A10
Rm
MPa % J/cm2 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, ł. Feł (C), A
Austenit jest międzywęzłowym roztworem węgla w Fey. Podobnie jak w ferrycie, atomy
węgla zajmują luki międzywęzłowe-oktaedryczne i tetraedryczne (rys. 4) w sieci RSC(A1).
Luki te są znacznie większe tak, że znajdujące się w nich atomy węgla powodują niewielkie
zniekształcenia sieci. To sprzyja większej rozpuszczalności węgła w austenicie, która maksymalną
wartość 2,06% osiąga w temperaturze 1147�C (eutektycznej). Z obliczeń wynika, że w tych
warunkach na 11 luk przez atom węgla zajęta jest jedna.
7
Rys. 4. Luki międzywęzłowe sieci RSC: a-luka oktaedryczna, b-luka tetraedryczna.
W miarę obniżania się temperatury rozpuszczalność maleje i w 723�C (temperatura
eutektoidalna) wynosi już tylko 0,8%. Na 28 luk może być zajęta przez atom węgla już 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 fazą twardszą i bardziej wytrzymałą na
rozciąganie a przy tym podatną na odkształcenia plastyczne. Niektóre jego właściwości
mechaniczne zawiera tablica l, zaś przeciętny obraz struktury uzyskany w mikroskopie
świetlnym przedstawia rys. 5a.
Cementyt, Fe3C, C
Cementyt, węglik żelaza jest fazą międzymetaliczną o strukturze złożonej. Krystalizuje w
układzie rombowym o parametrach sieciowych: a=4,514A, b=5,078A i c=6,729A. W skład
komórki elementarnej wchodzą 4 atomy węgla i 12 atomów żelaza. Wykazuje on pewne cechy
metaliczne jak przewodnictwo elektryczne i słaby ferromagnetyzm (punkt Curie wynosi 210�C).
Cechy te powoduje, będące w przewadze, wiązanie metaliczne zachodzące między atomami
żelaza. Wiązania między atomami żelaza i węgla zbliżone jest do kowalencyjnego.
Z uwagi na skomplikowaną budowę krystaliczną cementyt jest fazą twardą (ok. 65HRC) i
kruchą. Występując w mikrostrukturze stopów układu Fe-Fe3C powoduje wzrost ich
właściwości wytrzymałościowych. Na wzrost tych właściwości wpływa nie tylko jego udział ale
również stopień rozdrobnienia (dyspersji) i kształt ziarna.
8
Cementyt nie ma ustalonej temperatury topnienia, gdyż jest fazą nietrwałą i ulega rozpadowi. W
zależności od temperatury, w jakiej długotrwale jest wytrzymywany, rozpada się na:
Fe3C=>G+Fey(C), lub poniżej 723�C Fe3C=>G+Fą(C) tj. na grafit i stałe w określonych
warunkach roztwory: austenit i ferryt.
Jak wcześniej napisano, cementyt krystalizuje z roztworu ciekłego na odcinku linii
likwidusa D-C (rys. 2). Cementyt ten nazwano cementytem pierwszorzędowym. Na linii E-S
zmiennej rozpuszczalności węgla w Fey wydziela się cementyt drugorzędowy i linii S-Q zmiennej
rozpuszczalności węgla w Feą-cementyt trzeciorzędowy. Cementyty te posiadają identyczną
strukturę krystaliczną i są tą samą fazą, zróżnicowaną jedynie pod względem kształtu ziarna ze
względu na warunki i miejsce tworzenia się.
2.2.2. Składniki strukturalne układu Fe-Fe3C
Ledeburyt, Ld
Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną złożoną z nasyconego węglem austenitu i
cementytu pierwszorzędowego, krystalizującą w temperaturze 1147�C, o zawartości węgla 4,3%.
W zakresie temperatury 1147�C-723�C wskutek zmniejszania się rozpuszczalności węgla z
austenitu wydziela się cementyt drugorzędowy. Zawartość węgla w roztworze zmienia się od
2,06% (w temperaturze eutektycznej) do 0,8% (w temperaturze eutektoidalnej). W
mikrostrukturze zatem wzrasta udział cementytu.
Ledeburyt przemieniony, Ldp.
W temperaturze 723�C austenit zawarty w ledeburycie rozkłada się na mieszaninę
eutektoidalną ferrytu i cementytu drugorzędowego. Ledeburyt, w którym austenit uległ
rozkładowi eutektoidalnemu nazwano ledeburytem przemienionym. Poniżej temperatury 723�C
z ferrytu zawartego w Ldp wydziela się cementyt trzeciorzędowy w wyniku zmiennej
rozpuszczalności węgła w Feą.
Ledeburyt przemieniony jest strukturą twardą i kruchą, nieplastyczną i trudno
obrabialną mechanicznie. Te właściwości zawdzięcza on dużemu udziałowi cementytu, którego
zawartość w mikrostrukturze wynosi ok. 64,5%. Mikrostrukturę ledeburytu przemienionego
przedstawia zdjęcie (rys. 5h).
9
Perlit. P
Perlit jest to mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu drugorzędowego tworząca
się w temperaturze 723�C w wyniku rozkładu austenitu o zawartości 0,8% węgla. Poniżej
temperatury eutektoidalnej z ferrytu wydziela się cementyt trzeciorzędowy. Znaczny udział w
perlicie cementytu (ok. 12%) powoduje to, że posiada on dobrą wytrzymałość Rm, twardość
HB, odporność na ścieranie, obrabialność, przy czym zachowuje pewne właściwości plastyczne
(tablica 1). Typową mikrostrukturę perlitu pokazano na zdjęciu (rys. 5e).
2.3. Mikrostruktury układu Fe-Fe3C
Analizując układ żelazo-cementyt w temperaturze normalnej, można wyróżnić
szereg typów utworzonych mikrostruktur o określonej budowie, w obrębie których zmieniają
się tylko udziały poszczególnych składników fazowych i strukturalnych.
Rozpoczynając tę analizę od strony żelaza otrzymuje się:
1. Fą-ferryt o zawartości węgla %C<0,008 (rys. 5b)
2. F+Cm o zawartości węgla 0.008%<%C<0,02 (rys. 5c)
3. F+P+Cm o zawartości węgla 0,02<%C<0,8 (rys. 5d)-w opisie wykresu pomijany
4. P-perlit o zawartości węgla 0,8%C (rys. 5e)
5. P+CII o zawartości węgla 0,8<%C<2,06 (rys. 5f)
6. P+Ldp+CII o zawartości węgla 2,06<%C<4,3 (rys. 5g)
7. Ldp-ledeburyt przemieniony o zawartości węgla 4,3%C (rys. 5h)
8. Ldp+CI o zawartości węgla 4,3<%C<6,67 (rys. 5i)-w opisach strukturalnych często CII pomijamy
10
Rys. 5. Mikrostruktury układu Fe-Fe3C: a-austenit, b-ferryt, c-ferryt+CIII, d-ferryt+perlit,
e-perlit, f-perlit+CII, g-perlit+ledeburyt przemiemony+CII, h-ledeburyt przemieniony i
ledeburyt przemieniony+CI. Mikrostruktury trawiono nitalem (2-4% roztwór kwasu
azotowego w alkoholu)
11
3. TECHNICZNY PODZIAA
STOPÓW
Na podstawie udziału węgla stopy układu Fe-C dzieli się na dwie zasadnicze grupy:
-stale o zawartości węgla do 2,06% (lub staliwa jeśli stop stosowany jest w
wyrobach w stanie lanym),
-żeliwa zawierające od 2,06% do 6,67% teoretycznie węgla.
3.1. Stale
Stale tradycyjnie definiuje się jako stopy żelaza z węglem do zawartości 2,06% C i
innymi pierwiastkami, obrobione plastycznie.
Stale w których głównym składnikiem stopowym jest węgiel nazywamy stalami
węglowymi. Prócz węgla zawierają one jeszcze inne pierwiastki pochodzące z rudy i
procesów metalurgicznych. Norma określa górne udziały tych pierwiastków.
Stale do których wprowadza się świadomie w odpowiednich ilościach inne składniki w celu
uzyskania określonych właściwości mechanicznych, fizycznych czy chemicznych nazywamy
stalami stopowymi.
W obu grupach stali pierwiastki, które do ich składu chemicznego przechodzą z rudy i
procesów metalurgicznych dzieli się na dwie grupy: zanieczyszczenia (jak P, S, O2,H2, N2)
obniżające właściwości i dodatki (domieszki), które wprowadza się w czasie wytopu stali w celu
jej odtlenienia (Si i Al) i związania siarki (Mn).
Na podstawie wykresu układu Fe-Fe3C i udziału głównego składnika stopowego-węgla,
stale stopowe dzieli się na : stale podeutektoidalne (do 0,8%C), stale eutektoidalne (0,8%C) i
nadeutektoidalne (od 0,8% do 2,06%C). Praktycznie częściej używa się podziału na: stale
niskowęglowe (do 0,25%C), średniowęglowe (od 0,25% do 0,6%C) i wysokowęglowe (od
0,6%C).
Węgiel silnie wpływa na właściwości wytrzymałościowe stali. Wzrost jego zawartości
powoduje powiększenie się udziału cementytu odpowiedzialnego za umocnienie stopu, gdyż druga
faza jaka występuje w mikrostrukturze - ferryt jest roztworem stałym o niskich właściwościach
wytrzymałościowych. W stalach podeutektoidalnych większa część cementytu występuje w
perlicie (rys. 5d), którego ilość powiększa się aż do 0,8%C, przy której to zawartości w
mikrostrukturze występuje sam perlit (rys. 5e). Dalszy wzrost zawartości węgla powoduje
utworzenie się siatki cementytu drugorzędowego na granicach ziarn perlitu (rys. 5f, jasne obszary
na granicach ziarn).
12
Rys. 6. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali w stanie wyżarzonym.
-
13
Z obrazu mikroskopowego w sposób przybliżony można określić zawartość węgla w
stali, jeśli są spełnione następujące warunki: stal jest węglowa, podeutektoidalna i w stanie
wyżarzonym (tzn. stanie bliskim równowagi). Należy wtedy udział powierzchni zajętej przez
perlit w obrazie mikroskopowym np. przy powiększeniu x 100, wyrażony ułamkiem (lub w %)
pomnożyć przez 0,8% (sam perlit zawiera 0,8%C).
Zmiany mikrostrukturalne spowodowane powiększaniem zawartości węgla pociągają za
sobą wzrost właściwości wytrzymałościowych (rys. 6). Twardość HB wraz ze wzrostem
zawartości węgla nieprzerwanie rośnie. W stalach podeutektoidalnych stwierdzono pewną
zależność między twardością HB a wytrzymałością na rozciąganie Rm, z której w sposób
przybliżony praktycznie można korzystać:
Granica Rm rośnie do zawartości węgla ok. 0,9% a powyżej tej zawartości zaczyna się obniżać.
Przyczyną tego jest pojawienie się na granicach ziarn perlitu ciągłej siatki cementytu
drugorzędowego, co powoduje, że stal staje się krucha i łatwiej ulega pękaniu.
W zależności od zawartości węgla można określić orientacyjną wytrzymałość Rm stali
podeutektoidalnych posługując się zależnością:
Rm=300+600(%C) [MPa]
Właściwości plastyczne stali węglowych: wydłużenie A, przewężenie Z i udarność K ze
wzrostem węgla maleją. Obniżają się również właściwości technologiczne jak podatność na
odkształcenie itp.
Podane na wykresie (rys. 6) zależności, jak wspomniano, odnoszą się do stanu
bliskiego równowagi. Taki stan w stali osiąga się w wyniku obróbek cieplnych ogólnie
nazwanych wyżarzeniami.
Spośród kilkunastu rodzajów wyżarzań podanych w normie PN-76/H-01200 najbardziej
związane z tematem ćwiczenia są następujące:
-"wyżarzanie ujednoradniające (ujednorodnienie, homogenizowanie)-nagrzanie przedmiotu do
temperatury niewiele niższej od temperatury solidusu, długotrwałe wygrzewanie w tej
temperaturze i chłodzenie w celu zmniejszenia niejednorodności składu chemicznego i
struktury",
-"wyżarzanie normalizujące (normalizowanie)-nagrzanie przedmiotu do temperatury powyżej Ac3
(zwykle 30�-50�C p.aut.) lub Accm, ( w przypadku stali nadeutektoidalnych), wygrzaniu w tej
temperaturze i studzeniu w spokojnym powietrzu w celu uzyskania
14
drobnego ziarna lub równomiernego rozłożenia składników strukturalnych",
-"wyżarzanie zupełne-nagrzanie przedmiotu do temperatury nieznacznie powyżej Ac3 lub Accm
(w przypadku stali nadeutektoidalnych) wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury
poniżej Ar, w celu zupełnego przekrystalizowania i następne powolne studzenie.
Rys. 7. Oznaczenia temperatur krytycznych. 3.2.
Żeliwa
Żeliwa są to stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości węgla od 2,06%
do teoretycznie 6,67% stosowane w wyrobach w stanie lanym. W praktycznie stosowanych
żeliwach zawartość węgla wynosi od 2,5% do 5%. Podobnie jak stale na podstawie składu
chemicznego dzieli się je na żeliwa węglowe i żeliwa stopowe.
W obu rodzajach żeliw istnieje również grupa pierwiastków pochodzących z rudy i
procesów metalurgicznych o podobnym wpływie na właściwości jak w stalach, które
podobnie dzieli się na zanieczyszczenia i domieszki.
Na podstawie układu Fe-Fe3C i zawartości węgla można rozpatrywać żeliwa białe. Żeliwa
te dzieli się na: żeliwa podeutektyczne (od 2,06% do 4,3%C), eutektyczne (4,3%C) i
nadeutektyczne (powyżej4,3%C). Mikrostruktury tych żeliw pokazano na rysunku 5-g,h,i. Należy
zaznaczyć, że węgiel w żeliwach może występować w cementycie-związany i w stanie wolnym
w postaci grafitu. Mikrostruktury żeliw złożone są z roztworów (austenitu lub ferrytu), mieszanin
(ledeburyt przemieniony i perlitu), cementytu i grafitu. W zależności od tego czy węgiel jest
związanych czy w stanie wolnym żeliwa dzielą się na dwie zasadnicze grupy:
1. Żeliwa białe, w których węgiel jest całkowicie związany (rys. 5g, h, i).
2. Żeliwa szare gdzie węgiel jest częściowo (rys. 8d, e) lub całkowicie wolnym (rys. 8c).
15
Nazwy tych żeliw pochodzą stąd, że złom żeliwa białego jest jasny-srebrzysty, a szarego
ciemny-szary.
Na tworzenie się określonej mikrostruktury żeliwa wpływ mają dwie grupy
czynników: warunki krystalizacji pierwotnej i skład chemiczny. Żeliwa białe otrzymuje się zwykle
przy niewielkim już przechłodzeniu, mniejszym niż uzyskiwanym w rzeczywistych warunkach
krystalizacji. Tworzeniu się żeliwa białego sprzyja mangan (szczególnie gdy zawartość jego jest
większa od 1,25%) i dość silnie siarka. Żeliwa białe nie mają szerszego zastosowania jako
materiały konstrukcyjne. Jedynymi ich zaletami są duża twardość i odporność na ścieranie.
Żeliwa szare stanowią dużą grupę stopów o szerokim zastosowaniu technicznym. Są one
bardzo zróżnicowane pod względem mikrostrukturalnym. Wpływa na to skład chemiczny,
sposób wytopu (warunki krystalizacji) i obróbka cieplna stosowana do gotowych odlewów.
Grafit w nich przybierać może różne kształty jak; płatkowy (rys. 8a), sferoidalny (kulkowy ,rys.
8b) czy kłaczkowy (węgiel żarzenia, rys. 8c). Na utworzenie się grafitu, jego kształt i rozdrobnienie
największy wpływ ma skład chemiczny.
Rys. 8. Kształt grafitu w żeliwach szarych: a-płatkowy, b-sferoidalny, c-kłaczkowy (grafit
żarzenia). Mikrostruktury żeliwa szarego: d-żeliwo szare perlityczne z grafitem płatkowym, e-
żeliwo szare sferoidalne ferrytyczno perlityczne.
16
Pierwiastki takie jak: krzem, magnez, cez, nikiel sprzyjają grafityzacji i tworzeniu
się żeliwa szarego. Krzem wpływa na powstawanie grafitu o drobnych płatkach, magnez
powoduje sferoidyzację grafitu co podnosi znacznie wytrzymałość Rm żeliwa, gdyż
zwiększa się powierzchnia czynna przekroju osnowy metalicznej. Proces tworzenia się
grafitu sferoidalnego pod wpływem wprowadzenia do ciekłego stopu magnezu czy cezu,
nazywa się modyfikacją. Z żeliwa białego przez długotrwałe wyżarzenie otrzymuje się tzw.
żeliwo ciągliwe (wykazujące pewne właściwości plastyczne) z grafitem żarzenia
(kłaczkowym).
Główną częścią struktury fazowej żeliw szarych, która decyduje o właściwościach
mechanicznych i przenosi obciążenia eksploatacyjne jest osnowa metaliczna. Składa się
ona z ferrytu i perlitu. W zależności od udziału w mikrostrukturze tych składników żeliwa
dzieli się na:
1. Żeliwa o osnowie ferrytycznej, gdy ilość węgla związanego jest niewielka (rys. 8c)
2. Żeliwa ferrytyczno-perlityczne lub perlityczno-ferrytyczne jeśli węgla związanego
jest mniej niż 0,8% (rys. 8e).
3. Żeliwa perlityczne, gdy ilość węgla związanego wynosi 0,8% (rys. 8d).
17
4 PRZYKA
AD ANALIZY ZMIAN MIKROSTRUKTURY WYBRANEGO
STOPU NA PODSTAWIE KRZYWEJ CHA
ODZENIA
18
5. PYTANIA KONTROLNE
1. Co to jest stal - podać określenie.
2. Co to jest staliwo - podać określenie
3. Co to jest żeliwo?
4. Co to jest żeliwo białe?
5. Co to jest żeliwo szare?
6. Określić różnicę między stalą a żeliwem.
7. Wymienić składniki fazowe jakie mogą występować w stalach węglowych.
8. Wymienić składniki strukturalne jakie mogą występować w stalach węglowych.
9. Podać definicję: ferrytu, austenitu i cementytu.
10. Podać w jakim zakresie temperatur może występować w stalach węglowych:
a) ferryt,
b) austenit.
11. Podać maksymalne zawartości węgla jakie może zawierać:
a) ferryt,
b) austenit.
12. Narysować sieć w jakiej krystalizuje:
a) ferryt,
b) austenit.
13. Podać jakiego typu roztworem jest:
a) ferryt,
b) austenit.
14. Podać definicję perlitu i ile zawiera on węgla.
15. W czasie badań mikroskopowych ustalono, że w badanej stali 30% obserwowanej
powierzchni zajmuje ferryt a 70% perlit. Obliczyć ile węgla zawiera badana stal.
16. Narysować wykres Fe-Fe3C i wykreślić krzywe chłodzenia dla stali zawierającej:
a) 0,3%C,
b) 1,2%C. na krzywych zaznaczyć wydzielające się składniki fazowe i
strukturalne.
17. Narysować mikrostruktury stali zawierające:
a) 0,3%C,
b) 1,2%C.
18. Opisać wpływ węgla na własności stali
19. Na części wykresu Fe-Fe3C dla stali nanieść zakresy różnych rodzajów wyżarzeń
20. Podać cel wyżarzania ujednoradniającego.
19
21 Podać cel wyżarzania normalizującego.
22. Podać cel wyżarzania zupełnego.
23 W oparciu o wykres Fe-Fe3C podać definicję składników strukturalnych występujących
w żeliwach białych.
24. Wykreślić krzywe chłodzenia stopów, których składy zaznaczone są na wykresie
układu. (rys. 9).
6. LEKTURA
l 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. A. P. Gulajew - "Metaloznawstwo" Wyd. "Śląsk" 1967 Katowice
20