04.11.2003r
Rzeszów

NAUKA O MATERIAŁACH

Temat:

Układ Fe-C

Ćwiczenie: 5

Opracowanie:

ŻEAZKO MARCIN

JUCHA SYLWESTER

Grupa:

LB 3

W sprawozdaniu zamieszono:

1. Ogólna charakterystyka żelaza.

2. Odmiany alotropowe żelaza.

3. Ogólna charakterystyka stopów żelaza z węglem

4. Wykres równowagi układu żelazo - węgiel.

Układ Fe-C

1. Ogólna charakterystyka żelaza.

Żelazo nie występuje w przyrodzie w postaci rodzimej. Otrzymywanie żelaza chemicznie czystego, którego własności mogłyby być uznane za własności pierwiastka, jest trudne i kosztowne. Żelazo jest pierwiastkiem metalicznym o temperaturze topnienia 1534°C i temperaturze wrzenia 3070°C. W przyrodzie występuje głównie w postaci tlenków, węglanów, wodorotlenków i siarczków, jako magnetyt (Fe₃O₄), hematyt (Fe₂O₃), syderyt (FeCO₃,), limonit (2Fe₂O₃3H₂O) i piryt (FeS₂).Przez redukcję tlenków można uzyskać żelazo zawierające ok. 0,007% domieszek i zanieczyszczeń, których stężenie może być jeszcze zmniejszone w wyniku topienia strefowego w wysokiej próżni. Techniczne odmiany żelaza zestawiono w tabl. 1. Liczba atomowa żelaza jest równa 26. Masa atomowa tego pierwiastka wynosi 55,85 i jest średnią ważoną mas atomowych izotopów żelaza występujących w przyrodzie.

2. Odmiany alotropowe żelaza

Żelazo wykazuje dwie odmiany alotropowe:

- w temperaturze niższej od 912°C oraz w zakresie temperatury od 1394 do 1538°C występuje odmiana alotro­powa oznaczana α, a w zakresie wysokotemperaturowym oznaczana niekiedy również α (δ) lub δ.

Roztwory stałe w żelazie α są nazywane ferrytem. W temperaturze niższej od temperatury 770°C, zwanej temperaturą Curie, żelazo α jest ferromagnetyczne, a w temperaturze wyższej paramagnetyczne.

- w zakresie temperatury od 912 - 1394°C stabilna jest odmiana żelaza γ o sieci ściennie centrowanej. Roztwory stałe w żelazie γ są nazywane austenitem. Parametr sieci a każdej odmiany alotropowej żelaza zwiększa się wraz z podwyższeniem temperatury. Przemianie żelaza α w żelazu γ towarzyszy zmniejszenie objętości właściwej, a przemianom odwrotnym -wzrost objętości.

Tabela 1

3. Ogólna charakterystyka stopów żelaza z węglem:

- w zależności od stężenia węgla oraz sposobu wytwarzania można dokonać ogólnej klasyfikacji stopów żelaza z węglem. Stopy o stężeniu węgla mniejszym od ok. 0.05% są nazywane żelazem technicznym. Stopy zawierające zwykle mniej niż 2% węgla, otrzymywane w wyniku odlewania i następnej obróbki plastycznej, są nazywane stalami. Odlewnicze stopy o tym samym stężeniu węgla noszą nazwę staliw.

- stopy żelaza o stężeniu powyżej 2% C o składzie fazowym zgodnym z wy­kresem Fe-Fe₃C noszą nazwę surówek białych, natomiast krzepnące zgodnie z wykresem żelazo­-grafit są nazywane surówkami szarymi. Surówki przetopione w żeliwiaku lub w innym piecu elektrycznym, często z dodatkiem złomu stalowego, noszą nazwę żeliw. Żeliwami są więc nazy­wane stopy odlewnicze żelaza z węglem zawierające zwykle powyżej 2% C.

- stopy żelaza z węglem o niewielkim stężeniu innych pierwiastków w postaci

domieszek lub zanieczyszczeń są nazywane odpowiednio stalami, staliwami lub żeliwami węglowymi. Do domieszek, które korzystnie wpływają na własności, należą Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Natomiast zanieczyszczenia, takie jak P, S, O, H, N, wywierają ujemny wpływ na własności stopów żelaza.

4. Wykres równowagi układu żelazo - węgiel

Rozróżnia się dwa wykresy równowagi układu:

• stabilny żelazo - grafit

• niestabilny żelazo - cementyt

Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie c wstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone, i tetraedrycznych. Fakt, że średnica atom węgla jest większa od średnicy luk powoduje, że rozpuszczalność węgla jest mała i nie przekracza 0,022%. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt przedeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza α i tak Rm = ok. 300 MPa, 80 HB, A₁₀ = 40%, KC = ok. 180 J/cm². Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik. Ferryt przedeutektoidalny występuje w postaci oddzielnych ziarenek na przemian z ziarnami perlitu (struktura komórkowa) lub na granicach ziaren perlitu.

Ferryt δ jest roztworem stałym węgla w wysokotemperaturowej od­mianie żelaza α. Wykazuje on większą rozpuszczalność węgla niż ferryt α (do 0,09%), ma również większy parametr sieci niż ferryt α.

Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w Fe-γ o ma­ksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem luk oktaedrycznych. Ze względu na typ sieci A1 ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu. W warun­kach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A₁ (727°C). Wpro­wadzenie pierwiastków austenitotwórczych (np. Mn, Ni) obniża zakres istnienia austenitu do temperatury pokojowej. Własności mechaniczne au­stenitu w temperaturze pokojowej są następujące: Rm = ok. 700-800 MPa, Re = ok. 250 MPa, 200 HB, A₁₀ = 40=60%, KC = ok. 200=300 J/cm². W próbie rozciągania odkształca się równomiernie (nie tworzy się szyjka). Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik z charaktery­stycznymi, prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Dys­persja perlitu (tzn. odległość między płytkami) jest odwrotnie proporcjo­nalna do wielkości przechłodzenia względem temperatury A₁. Własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji tzn. wytrzymałość i twar­dość rosną ze wzrostem stopnia dyspersji i wynoszą: Rm = ok. 700-800 MPa, Re = ok. 400 MPa, ok. 180=220 HB, A₁₀ -- ok. 8%, KC = ok. 40 J/cm²

Pod mikroskopem przy małych powiększeniach, po trawieniu nitalem perlit przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów, co było podstawą jego nazwy. Przy większych powiększeniach widoczna jest wyraźnie bu­dowa płytkowa.

Perlit jest składnikiem strukturalnym stali i surówek podeutektycz­nych białych i surówek szarych perlitycznych.

Niekiedy perlitem kulkowym nazywa się strukturę złożoną ze sferoi­dalnych wydzieleń cementytu na tle ferrytu. Strukturę taką uzyskuje się w wyniku długotrwałego wyżarzania stali eutektoidalnych lub nadeutektoi­dalnych . Ostatnio częściej jest stosowana nazwa cemen­tytu kulkowego lub sferoidytu.

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Po­wstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% C. Jest składnikiem struk­turalnym surówek białych. Cechuje go dość znaczna twardość (ok. 450 HB) i kruchość. Występuje również w niektórych narzędziowych stalach stopo­wych. Poniżej temp. 727°C występuje jako ledeburyt przemieniony w wy­niku przemiany austenitu ledeburytycznego w perlit.

Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe₃C) o strukturze rombowej (rvs. 10.8). Zawiera 6,67% mas. węgla (25% at.).

Ze względu na znaczny udział wiązania metalicznego ma własności metaliczne. Punkt Curie cementytu występuje w temp. 210°C. Jego gę­stość jest mniejsza niż żelaza i wynosi i.68 Mg/m³ . Temperatura topnienia

(obliczona) 1227°C.

Atomy żelaza mogą być zastępowane w cementycie atomami Cr, Mn i Mo, a atomy węgla atomami azotu. W ten sposób powstaje tzw. cementyt stopowy lub azotowy. Cementyt jest składnikiem bardzo twardym ­może rysować szkło (700 HB), ale zarazem kruchym. W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych, albo w postaci oddzielnych wydzieleń np. cementyt pierwotny, wtórny, trzecio­rzędowy, lub jako składnik eutektyki (ledeburytu) albo eutektoidu (perli­tu). Przy obserwacjach mikroskopowych po trawieniu nitalem przyjmuje postać jasnych wydzieleń, niekiedy trudno odróżnialnych od ferrytu. Za­sadowy pikrynian sodowy barwi cementyt na kolor ciemny.

W czasie wyżarzania w wysokich temperaturach cementyt ulega roz­kładowi na ferryt + grafit według reakcji Fe₃C→3Fe+C.

Grafit jest składnikiem strukturalnym surówek (żeliw) szarych i pstrych. Jest on odmianą alotropową węgla o strukturze heksagonalnej (typ A9). Jego parametry wynoszą: a = 0,246 nm. , c = 0,671 nm.

Gęstość grafitu jest znacznie mniejsza od żelaza (2,22 Mg/m³). Również wy­trzymałość i twardość grafitu są bardzo niskie i wynoszą odpowiednio ok. 20 MPa i około 0,5-1 w skali Mohsa. Temperatura topnienia 3500°C. Jest słabym przewodnikiem elektrycznym.

W surówkach występuje w postaci wydzieleń o różnymi kształcie, naj­częściej jako płatkowy lub kulisty (sferoidalny). :Może wydzielać się bez­pośrednio z fazy ciekłej lub powstawać w wyniku rozkładu cementytu (węgiel żarzenia). Przy obserwacjach mikroskopowych, nawet bez trawie­nia, jest widoczny w postaci czarnych wydzieleń. Pod względem morfolo­gicznym, podobnie jak cementyt, może być pierwotny, wtórny, eutektycz­ny, eutektoidalny.

---