Leszek Kłyk Wrocław

Wydz. Mechaniczno-Energetyczny 18.X.2000

rok II grupa C

czwartek godz. 11¹⁵

ANALIZA WYKRESU I MIKROSTRUKTUR UKŁADU Fe - Fe₃C

WSTĘP TEORETYCZNY

Ferryt jest roztworem stałym węgla w żelazie, przy czym rozpuszczalność węgla maleje w miarę obniżania się temperatury od 0,02% w temperaturze eutektoidalnej, prawie do zera w temperaturze otoczenia. Do trawienia ferrytu stosuje się wiele odczynników, ale najczęściej są używane alkoholowe roztwory kwasów, np. azotowego, pikrynowego itp. Po trawieniu ferryt wykazuje budowę ziarnistą, granice ziaren są z reguły krzywoliniowe a bliźniaczki prawie nie występują. Niektóre odczynniki powodują po trawieniu wystąpienie różnic w zabarwieniu poszczególnych ziaren ferrytu.

Oprócz ferrytu, którego jednofazowy obszar mieści się na wykresie na lewo od linii OPG, który może być obserwowany w normalnych temperaturach (ferryt - α), jest jeszcze znany ferryt trwały tylko w wysokich temperaturach. Występuje on w obszarze na lewo od linii AHN i dla odróżnienia nazywany jest ferrytem - δ, lub ferrytem wysokotemperaturowym.

Austenit jest roztworem stałym węgla w żelazie - γ, ale rozpuszczalność węgla w tej odmianie alotropowej żelazo jest znacznie większa niż w żelazie - α. W temperaturze eutektycznej wynosi ona 2,06% i maleje ze spadkiem temperatury do 0,8% w temperaturze eutektoidalnej. Austenit w stopach żelaza z węglem jest trwały w temperaturze 723˚C i w wyższych, a obszar jego występowania określają punkty NJESG. W normalnych temperaturach austenit może występować jedynie w niektórych stalach stopowych o odpowiedniej zawartości składników stopowych (stale wysokomanganowe i chromowo-niklowe).

Cementyt jest związkiem metalicznym żelaza z węglem (Fe₃C) o zawartości węgla 6,67% ciężarowych. Jest to faza twarda i krucha, a jej mikrotwardość wynosi 1100 HV. Ze względu na to, że stabilność cementytu szybko maleje ze wzrostem zawartości węgla w stopach, otrzymanie go w postaci jednofazowej jest praktycznie niemożliwe. W stopach żelaza z węglem cementyt występuje wspólnie z którąś z pozostałych faz, tj. z austenitem lub ferrytem. Gdy cementyt krystalizuje z fazy ciekłej wtedy jest nazywany cementytem pierwotnym i ma kształt płytek. Takie odczynniki, jak Mi1Fe lub Mi3Fe cementytu nie trawią i dlatego po wytrawieniu jest on widoczny pod mikroskopem w postaci jasnych, grubych i długich pałeczek. Ten charakterystyczny kształt jest cechą ułatwiającą identyfikację cementytu pierwotnego. W razie wątpliwości stosuje się trawienie zasadowym, wodnym roztworem pikrynianu sodowego - odczynnik Mi9Fe - który nie zmieniając zabawienia ferrytu, barwi cementyt na brunatno.

Zmienna rozpuszczalność węgla w austenicie (linia ESJ) i w ferrycie (linia PQ) jest powodem jego wydzielania się z tych faz w postaci cementytu. Wydzielający się z austenitu cementyt jest nazywany wtórnym a z ferrytu - trzeciorzędowym. Warunki zarodkowania i rośnięcia w stanie stałym są zupełnie inne niż w cieczy i dlatego zarówno cementyt wtórny, jak i trzeciorzędowy są rozmieszczone przeważnie na granicach ziaren. Różnica rozpuszczalności węgla w ferrycie jest niewielka i z tego powodu cementytu trzeciorzędowego jest za mało na to, by utworzył on ciągłą otoczkę na granicach ziaren.

Inaczej jest w przypadku austenitu, gdyż największa ilość cementytu wtórnego, która może wydzielić się z tej fazy wynosi:

Cementytu wystarcza zatem na utworzenie ciągłej siatki, a w wypadku stopów zaeutektoidalnych o większych zawartościach węgla tworzy on nawet iglaste wydzielenia wewnątrz ziaren.

Z wykresu równowagi metastabilnej żelazo-cementyt wynika, że w temperaturach poniżej 723˚C w stopach tego układu mogą występować tylko dwie fazy: ferryt i cementyt. Fazy te tworzą jednak dwie charakterystyczne mieszaniny (eutektoidalną i eutektyczną), które łatwo można zidentyfikować pod mikroskopem.

Eutektoidalna mieszanina cementytu i ferrytu jest nazywana perlitem. Patrząc pod światło na szlify można sprawdzić umotywowanie tego określenia, wywodzącego się od perłowego połysku wytrawionej powierzchni szlifu (ze strukturą perlityczną). Perlit ma budowę płytkową, dobrze widoczną przy dużych powiększeniach.

Z wykresu równowagi metastabilnej żelazo-cementyt wynika, w temperaturach niższych niż 723˚C perlit jest składnikiem struktury wszystkich stopów od punktu P do punktu K (końce linii eutektoidalnej PSK). Początkowo przed punktem S perlit występuje razem z ferrytem, a za punktem S (w stopach zaeutektoidalnych) - z cementytem wtórnym.

Eutektyka począwszy od 2,06% węgla w stopach żelaza z węglem zaczyna pojawiać się nowy składnik struktury - eutektyka. Eutektyka w układzie żelazo-cementyt jest nazywana ledeburytem i jest to mieszanina austenitu i cementytu, zawierająca 4,3% węgla. Skład chemiczny faz tworzących eutektykę wyznaczają końce linii eutektycznej tj. punkty E i F. Austenit zawiera zatem w temperaturze eutektycznej 2,06% węgla, ale w miarę obniżania temperatury rozpuszczalność węgla w żelazie γ maleje. Następstwem tego jest wydzielanie się cementytu wtórnego, który narasta na cementycie eutektyki (pierwotnym) i w sutek tego jest nierozróżnialny.

Poniżej linii eutektoidalnej w mieszaninie eutektyczne wraz z cementytem występuje perlit i jest to tzw. ledeburyt przemieniony. Po wytrawieniu mitalem lub pikrolem cementyt pozostaje jasny, a ciemnieje perlit. Na fotografii perlit (były austenit) ma w ledeburycie kształt pręcików i płytek (na przekroju poprzecznym owalnych ziarenek), które w pobliżu granic kolonii eutektyki są większe (zwyrodniałe). Obraz ledeburytu przemienionego jest bardzo charakterystyczny i obszary zajęte przez ten składnik struktury są łatwe do zidentyfikowania.

W stopach przedeutektycznych z cieczy krystalizuje najpierw austenit i jego dendryty, ale już przemienione w perlit, są widoczne na tle ledeburytu przemienionego. W stopach zaeutektycznych w ledeburycie przemienionym są rozmieszczone płytkowe kryształy cementytu pierwotnego.

Stopy układu żelazo-węgiel zawierające od 2,06% węgla są nazywane stalami a pozostałe żeliwami. W stalach przedeutektoidalnych, jak już wspomniano, struktura składa się z ferrytu i perlitu. Udział perlitu w strukturze zwiększa się liniowo ze wzrostem zawartości węgla w stali i dla 0,8% węgla osiąga 100%. Ponieważ ferryt praktycznie biorąc nie zawiera węgla, a w perlicie jest go 0,8%, to po określeniu pod mikroskopem udziału perlitu w strukturze stali przedeutektoidalnej można oznaczyć zawartość węgla.

A - część powierzchni zajmowana w strukturze przez perlit

Wykres równowagi żelazo-cementyt Fe - Fe₃C

4

---