Układ żelazo-cementyt

1. Odmiany alotropowe czystego żelaza

- α, w temp niższej od 912st.C. i między 1394-1538st.C.; krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego A2; w temp niższej niż 770st.C jest ferromagnetyczne, a w wyższej paramagnetyczne

- γ, w temp 912-1394 st.C.; o sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1

1. Ferryt – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C

- α=Fe_α(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A2 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

- atomy węgla zajmują luki oktaedryczne w przestrzennie centrowanej, regularnej sieci żelaza α

- mała zawartość węgla, własności bardzo zbliżone do czystego żelaza : wytrzymałość na rozciąganie (R_m) 300MPa, granica plastyczności (R_0,2) 150MPa, wydłużenie (A₁₀) 40%, udarność (K) 1765 kJ/m², twardość 90HB

- występowanie na wykresie: do temp 910 i między 1391 do 1536

1. Austenit – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C

- γ = Fe_γ(C) - roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A1 (podstawowy, międzywęzłowy, graniczny),

-w regularnej płasko centrowanej sieci żelaza γ węgiel zajmuje luki oktaedryczne

- rozpuszczalność węgla jest większa niż w ferrycie i wynosi w temp. 1147 – 2,06% i maleje wraz z obniżeniem temperatury

-własności: wytrzymałość na rozciąganie (R_m) 750MPa, granica plastyczności (R_0,2) 350MPa, wydłużenie (A₁₀) 40-60%, udarność (K) 900 kJ/m², twardość 180-200HB

- jest paramagnetyczny

- na wykresie występuje od temp. 910 do 1391 przy osi, następnie od 700 do 1495 przy większej zawartości węgla

1. Cementyt – rodzaj fazy stałej, sieć krystaliczna, własności, zakres występowania na wykresie Fe-Fe₃C,

- Fe₃C - metastabilny węglik żelaza (faza pośrednia, międzymetaliczna, międzywęzłowa złożona)

- w skład komórki elementarnej wchodzi 12 atomów żelaza i 4 atomy węgla

- krystalizuje w sieci rombowej o stałych sieciowych a=0,45144nm, b=0,50787nm i c=0,67297nm

- faza twarda (800HB) i krucha, wykazuje wiele cech metalicznych w tym metaliczny połysk (bo przeważają wiązania metaliczne)

- w temp otoczenia jest słabo ferromagnetyczny; ma zdolność rozpuszczania wielu metali, np. manganu, chromu

1. Przyczyna wydzielania się cementytu trzeciorzędowego – zakres występowania jako fazy strukturalnie wolnej

- malejąca z obniżeniem temperatury rozpuszczalność węgla w żelazie Fe-α wzdłuż linii PQ

- najwięcej cementytu trzeciorzędowego może się wydzielić w stopie zawierającym 0,0218% C, ale jego ilość jest mała, wynosi 0,2%

1. Przemiana alotropowa (temperatura A₃) w stopach układu Fe-Fe₃C

- stop III podobnie jak wszystkie stopy zawierające mniej niż 0,1% węgla jest zbudowany po skrzepnięciu z samych kryształów ferrytu δ. W ferrycie tym począwszy od punktu 7 rozpoczyna się przemiana alotropowa i powstający austenit ma skład punktu 7”. W miarę dalszego obniżania temperatury przybywa austenitu a ubywa ferrytu δ. Jednocześnie wskutek większej rozpuszczalności węgla w austenicie dyfunduje on z ferrytu do austenitu, a jego stężenie w ferrycie δ zmniejsza się wzdłuż linii HN od punktu 7 do 8’. W austenicie zawartość węgla zmienia się wzdłuż linii JN od punktu 7” do 8. Przemiana Fe_δ(C) -> Fe_γ(C) kończy się w punkcie 8. (rys. 172 str. 221, Haimann)

1. Przemiana eutektoidalna (temperatura A₁) w stopach układu Fe-Fe₃C

- przebiega zgodnie ze wzorem γ_S = α_P + Fe₃C

- oznacza to, że przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S (0,77% C) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektoidalną ferrytu α o składzie punktu P (0,0218% C) i cementytu, zwaną perlitem

- przemiana ta występuje we wszystkich stopach o zawartości węgla wyższej od punktu P- także austenit w ledeburycie przemienia się w perlit i powstaje ledeburyt przemieniony. (rys 10.2 str.199, Przybyłowicz)

1. Perlit – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własności

- eutektoid złożony z ferrytu i cementytu

-powstaje z austenitu w temp eutektoidalnej (727st.C.)

-jest zbudowany z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1

-dyspersja perlitu (odl. między płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temp A1

- własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji, tzn. wytrzymałość i twardość rosną w miarę rozdrabniania struktury i wynoszą: R_m=700-800 MPa, R_e=400MPa, twardość ok. 180-220 HB, a własności plastyczne maleją: A₁₀=8% i udarność KC=40 J/cm²

- pod mikroskopem przy małych powiększeniach, po trawieniu nitalem perlit przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów, co było przyczyną jego nazwy

- przy większych powiększeniach widoczna jest wyraźnie budowa płytkowa

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,01 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+Fe₃C_III

- ferryt z wydzieleniami Fe₃C_III na granicach ziaren

- stal konstrukcyjna najczęściej umacniana odkształceniowo, np. gwoździe, wkręty, elementy karoserii pojazdów itp.

- przyśpieszone chłodzenie zabezpiecza zwykle przed wydzieleniami cementytu – ferryt lekko przesycony węglem

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+perlit

- zdecydowana przewaga udziału ferrytu nad perlitem

- wysoka ciągliwość ale niska wytrzymałość

- górna granica %C zapewniająca łatwą spawalność stali

- struktura stali konstrukcyjnych (łatwo spawalnych)

(podwyższanie wytrzymałości w inny sposób niż przez wzrost %C)

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,4 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- ferryt+perlit

- około pół na pół strukturalnie wolnego ferrytu i perlitu

- optymalne skojarzenie wytrzymałości i ciągliwości

- struktura wyjściowa stosowana na części maszyn

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,6 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit+ferryt

- strukturalnie wolny ferryt (na granicach ziaren byłego austenitu) podwyższa ciągliwość oraz zdolność do odkształceń plastycznych i obniża wskaźniki wytrzymałościowe

- struktura wyjściowa na sprężyny, lemiesze pługów, szyny kolejowe, itp.

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 0,8 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit (stal przeznaczona zwykle na narzędzia po dalszej obróbce cieplnej)

- płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu (grubości płytek 7:1)

- dyspersja i właściwości zależą od szybkości chłodzenia

- w jednym ziarnie austenitu powstaje bardzo wiele różnie zorientowanych w przestrzeni kolonii perlitu

- własności: patrz perlit

1. Struktura i własności stopu (stali) zawierającej 1,2 %C – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- perlit+Fe₃C_II- (stal zaeutektoidalna, przeznaczona zwykle na narzędzia, ale po odpowiedniej obróbce cieplnej stanu wyjściowego i końcowego

- Fe₃C_II wydziela się na granicach ziaren austenitu oraz może utworzyć ciągłą i kruchą otoczkę (siatkę)

- siatka cementytu dyskwalifikuje każdy użytkowy wyrób

- usuwanie siarki cementytu wymaga długotrwałego wyżarzania sferoidyzującego (wydzielenia kulkowe Fe₃C)

1. Przemiana eutektyczna (temperatura 1147 ^oC) w stopach układu Fe-Fe₃C

- zachodzi przy temp 1147st.C., w stopach zawartych między punktami E (2,11% C) i F (6,67% C)

- polega na tym, że przy chłodzeniu roztwór ciekły o składzie C (4,3%) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektyczną złożoną z austenitu o składzie punktu E i cementytu, zwaną ledeburytem

- wzór: L_C = γ_E + Fe₃C

1. Ledeburyt – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje)

- mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu

- powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% C

- składnik surówek (żeliw) białych

- znaczna twardość (ok. 450HB) i kruchość

- występuje w niektórych narzędziowych stalach stopowych

1. Ledeburyt przemieniony – definicja (jak, kiedy i z czego powstaje), budowa, przyczyna własności

- mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z ledeburytu w perlit, trwała poniżej temperatury 727st.C.

- składa się z dwóch faz, ferrytu (35% masy) i cementytu

- 40% perlitu i 60% Fe₃C

- ze względu na znaczny udział cementytu, jest kruchy i twardy, a ego twardość wynosi orientacyjnie powyżej 450HB

1. Struktura i własności żeliwa białego przedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- stop podeutektyczny (ok. 3,5% C) w temp<727st.C.

- dendrytycznie rozłożony perlit (dendryty austenitu powyżej 727st.C.) na tle ledeburytu przemienionego (cementyt drugorzędowy wyraźnie pogrubia cementyt eutektyczny wokół dendrytów byłego austenitu

- własności: struktura twarda (450-600HB, R_m=300-450MPa), odporna na ścieranie ale krucha oraz źle obrabialna

- zastosowanie ograniczone: półprodukt przy wytwarzaniu żeliwa ciągliwego (z grafitem klaczkowym)

Niektóre elementy odporne na ścieranie ale kruche

Zabielone fragmenty powierzchni odlewów z żeliw szarych (część węgla w postaci grafitu)

1. Struktura i własności żeliwa białego eutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu

- stop eutektyczny (4,3% C) – ledeburyt przemieniony ( w temp<727st.C.)

- ciemny perlit, który powstał z austenitu (składnika ledeburytu)

- jasny cementyt (drugi składnik ledeburytu)

- wydzielający się cementyt drugo- i trzeciorzędowy nie tworzy osobnych, strukturalnie wolnych wydzieleń (lokalnie pogrubiają się już wcześniej istniejące wydzielenia cementytu)

- własności: jak przedeutektyczne

1. Struktura i własności żeliwa białego zaedeutektycznego – w temp. pokojowej po wolnym chłodzeniu,

- stop nadeutektyczny (powyżej 4,3% C) w temp<727st.C.

- cementyt pierwszorzędowy (pierwotny) na tle ledeburytu przemienionego (niewielka ilość cementytu drugorzędowego oraz znikoma trzeciorzędowego – praktycznie niewidoczne)

- duże płytki kruchego cementytu pierwotnego uniemożliwiają zastosowanie takiego żeliwa

- struktura spotykana w surówkach na wstępnych etapach produkcji stopów żelaza