Układ żelazo - cementyt

Układ żelazo - cementyt jest układem metastabilnym.

Wykres Fe-Fe₃C odzwierciedla równowagę fazową w stalach i surówkach (żeliwach) białych, w których nie występuje grafit.

Wykres Fe-Fe₃C jest złożony, a cementyt (Fe₃C) występuje w postaci osobnego składnika strukturalnego. Wszystkie punkty charakterystyczne wykresu oznaczono dużymi literami alfabetu.

Rys. 1. Wykres równowagi układu żelazo-cementyt; układ niestabilny Fe-Fe₃C.

• 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.

Istnieje jeszcze jedna odmiana alotropowa żelaza - heksagonalna zwarta Fe-ε, trwała przy ciśnieniu większym od 130 · 10⁸ Pa

• odmiany alotropowe węgla.

Kryształ grafitu ma budowę warstwową. Atomy węgla są ułożone w równoległych płaszczyznach. Wiązania między atomami w jednej warstwie są jednakowe i krótsze od wiązań między atomami w równoległych warstwach. Poszczególne warstwy grafitu mogą przesuwać się względem siebie, dzięki czemu jest on - w przeciwieństwie do diamentu - miękki i ścieralny. Grafit jest blaszkowaty, czarno-szary, brudzi palce, dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Stosowany jest do wyrobu materiałów ogniotrwałych, elektrod, ołówków oraz jako smar stały.

Diament występuje w postaci przezroczystych kryształów silnie załamujących światło. Rzadko jest bezbarwny, częściej bywa zanieczyszczony (wtedy jest żółty, brunatny, czarny, zielony, a nawet - choć najżadziej - niebieski). Tworzy regularne kształty. Każdy atom w sieci diamentu jest połączony z czterema atomami węgla, które znajdują się w narożach czworościanów foremnych. Diament nie przewodzi prądu elektrycznego, jest natomiast bardz0o dobrym przewodnikiem ciepła. Własność ta wykorzystywana jest do odróżniania diamentu od jego imitacji. Ponieważ diamenty odznaczają się niezwykłą twardością, sporządza się z nich noże do skrawania metali, cięcia szkła, łożysk, zakończenia wierteł geologicznych (do drążenia twardych skał). Specjalnie oszlifowane szlachetniejsze gatunki diamentów, zwane brylantami, są używane jako ozdoby. Diamenty można wytworzyć w sztucznych warunkach ze związków węgla: w temperaturze 3000ºC i pod ciśnieniem 1000MPa.

Fullereny są nazywane trzecią formą czystego węgla. Jego cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla (min. 32, najczęściej 60) mają budowę czystej kuli. Fullereny C60 mają doskonale symetryczny kształt piłki futbolowej, ale też są znane rurki fullerenowe. Cząsteczki fullerenów mogą mieć różne wielkości, nawet do C960. Fullereny C60 w stanie stałym są żółte, a rozpuszczone w benzynie maja zabarwienie karmazynowe. Fullereny można otrzymać w łuku węglowym. Ostatnio stwierdzono występowanie znacznego stężenia fullerenów w kopcącym płomieniu świecy. Przewiduje się, że fullereny będą miały duże zastosowanie w elektronice jako przewodniki i półprzewodniki. Fullereny otrzymano dopiero w 1985 r., chociaż już wcześniej przewidywano ich istnienie. Są one obecnie przedmiotem badań w wielu laboratoriach.

• fazy i składniki strukturalne układu Fe-C oraz ich własności.

Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie c wstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone, i tetraedrycznych (rys.2). 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

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 (rys.5).

Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe₃C) o strukturze rombowej (rys. 6). 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.

Cementyt jest składnikiem bardzo twardym ­może rysować szkło (700 HB), ale zarazem kruchym.

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 (rys.7).

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).

• przemiany: perytektyczna, eutektyczna, eutektoidalna.

Przemiany: perytektyczna, eutektyczna i eutektoidalna zachodzą w stałych temperaturach w określonych zakresach stężeń stopów i mają charakter odwracalny. Przebieg ich można zapisać symbolicznie.

Przemiana perytektyczna przebiega zgodnie ze wzorem

δ_H + L_B ^→1495º_← γ_J

co oznacza, że przy chłodzeniu ferrytu δ o składzie punktu H reaguje z roztworem ciekłym L o składzie punktu B dając w wyniku austenit o składzie punktu J. Przemiana ta zachodzi tylko w stopach o zawartości węgla w zakresie między punktami H (0,09%) i B (0,53%).

Przemiana eutektyczna przebiega zgodnie ze wzorem

L_C ^→1148º_← γ_E + Fe₃C

co oznacza, że przy chłodzeniu roztwór ciekły o składzie C (4,3% C) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektuczną złożoną z austenitu o składzie punktu E i cementytu, zwaną ledeburytem. Przemiana ta zachodzi tylko w stopach o zawartości węgla wyżej od punktu E (2,11%).

Przemiana eutektoidalna przebiega zgodnie ze wzorem

γ_S ^→727º_← α_P + Fe₃C

co oznacza, że przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S (0,77% C) ulega rozkladowi na mieszaninę eutektoidalną ferrytu o składzie punktu P i cementytu, zwaną perlitem. Przemiana ta występuje we wszystkich stopach o zawartości węgla wyższej od punktu P (0,0218% C).

W stopach o zawartości węgla powyżej 2,11% przemianie eutektoidalnej podlega również austenit wchodzący w skład eutektyki (ledeburytu), w wyniku czego poniżej 727ºC składa się ona z perlitu oraz cementytu i jest nazywana ledeburytem przemienionym.

Układ żelazo - grafit

Układ żelazo - grafit Fe-C jest układem stabilnym i opisuje równowagę w stopach z grafitem. Wszystkie punkty charakterystyczne wykresu oznaczono dużymi literami alfabetu oznaczone dodatkowo przecinkiem. Zmiany mikrostruktury w stopach zelaza z węglem zachodzą zwykle zgodnie z układem metastabilnym. Przyczyny takiego zachowania są następujące:

4

---