Mateusz Franckowiak	Katedra Inżynierii Stopów i Kompozytów Odlewanych	Data ćwiczenia: 05.03.2013
Rok: I magisterski Odlewnictwo 1	Metaloznawstwo i obróbka cieplna Temat: Badania metalograficzne staliwa i żeliwa w stanie lanym	Ocena:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z mikrostrukturą staliwa oraz żeliwa w stanie nieobrobionym cieplnie

1. Część teoretyczna

Ferryt jest ferromagnetycznym międzywęzłowym stałym roztworem węgla w żelazie α. Posiada on sieć regularną przestrzennie centrowaną (typ A2). Charakteryzuje się małą rozpuszczalnością węgla: od 0,022% w temperaturze 723^OC do tysięcznych części procentu w temperaturze pokojowej. Jest trwały poniżej temperatury określoną linią GPK na układzie żelazo – węgiel. Ferryt jest to miękki (80÷90 HB) i plastyczny składnik struktury (A₁₀ = ok. 40%). Jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 350÷500 MPa, a gęstość w temperaturze 20^OC ρ_α = 7,87g/cm³.

Z kolei austenit jest to paramagnetyczny międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie γ o sieci regularnej, ściennie centrowanej (typ A1). Charakteryzuje się maksymalną rozpuszczalnością węgla 2,08 lub 2,11% w temperaturze przemiany eutektycznej (odpowiednio punkty Eʹ i E w układzie żelazo - węgiel.), w temperaturze przemiany eutektoidalnej (punkty Sʹ i S) zmniejsza się do 0,68 lub 0,77%. Występuje powyżej temperatury przemiany eutektoidalnej, która wynosi 727^OC dla układu Fe – Fe₃C (metastabilnego) oraz 738^OC dla układu Fe-C (stabilnego). Jednak obecność w żeliwie i staliwie niektórych pierwiastków takich jak np. Ni, Mn, które obniżają temperaturę przemiany eutektoidalnej, jednocześnie zmieniając zakres trwałości austenitu nawet poniżej temperatury pokojowej. Austenit posiada dużą plastyczność (A₁₀ = 40÷60%) jego wytrzymałość na rozciąganie R_m = 690÷790 MPa, twardość ok. 200 HB, a gęstość w temperaturze 20^OC wynosi ρ_γ = 8,22 g/cm³.

Martenzyt jest to silnie przesycony roztwór stały węgla w żelazie α o sieci tetragonalnej. Otrzymany wskutek bezdyfuzyjnej przemiany austenitu. Temperatura początku tej przemiany (leżąca poniżej zakresu temperatury przemiany bainitycznej) oznacza się M_s, zależy od składu chemicznego roztworu (obniża się wraz ze wzrostem zawartości C, Mn, Ni, Cr i Mo). Dolną granicą zakresu temperatury przemiany martenzytycznej oznacza się symbolem M_f.

Grafit występuje w żeliwie w różnych ilościach, postaciach wydzieleń, kształtach, rozmieszczeniach i wymiarach. Jednak zawsze krystalizuje w układzie heksagonalnym, o charakterystycznej budowie warstwowej. Jest składnikiem miękkim o znikomej wytrzymałości, niskiej gęstości ρ = 2,22 g/cm³. Sieć krystaliczna jest specyficzna, gdzie w poprzecznych warstwach istnieją wiązania kowalencyjne o energii ok. 420 kJ/mol, a pomiędzy nimi występuje słabe wiązania molekularne, zbliżone do wiązań Van der Waalsa o energii równej ok. 4÷10 kJ/mol. Zazwyczaj budowa takiego grafitu przestawiona jest w formie bryły sześciobocznej o charakterystycznych kierunkach.

Cementyt (nazywany również węglikiem żelaza) krystalizuje w układzie rombowym (typ DO₁₁). Zawiera 6,67% węgla, jest składnikiem twardym i kruchym (twardość 800 HB), temperatura topnienia wynosi ok. 1600^OC oraz nie ulega przemianom alotropowym, a poniżej temperatury 210÷215^OC przechodzi w stan magnetyczny.

Perlit jest mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu o zawartości węgla 0,77% (punkt S). Charakteryzuje się budową płytkową o stosunku grubości płytek cementytu do grubości płytek ferrytu wynosi ok. 1:7. Właściwości perlitu w dużej mierze zależą od grubości płytek cementytu i ferrytu, oraz od składu chemicznego. Zazwyczaj perli charakteryzuje się następującymi właściwościami mechanicznymi: R_m = 700÷1200 MPa, A₁₀ = ok. 8%, twardość ok. 250 HB.

Ledeburyt jest eutektyką złożonym z mieszaniny nasyconego austenitu i cementytu, zawierający 4,3%C, krystalizujący w temperaturze 1148^OC. W temperaturze 727^OC austenit przechodzi przemianę w perlit, z tego względu ledeburyt poniżej tej temperatury, nazywamy ledeburytem przemienionym, który składa się z perlitu, cementytu. Jest składnikiem twardym o HB = 450, nie wykazującym wydłużenia.

1. Przebieg ćwiczenia

Podczas zajęć laboratoryjnych zostało przeprowadzone jakościowe badanie mikrostruktury sześciu próbek, różniących się zawartością węgla.

W przypadku próbki nr 1 (rys.1) zawartość węgla wynosi 5%. Za zdjęciu metalograficznym widać dwie fazy: długie białe płytki cementytu pierwszorzędowego oraz ledeburyt przemieniony.

Próbka nr 2 w której zawartość węgla wynosi ok. 3% charakteryzuje się trzema fazami występującymi w stopie: ciemny perlit, jasny cementyt drugorzędowy oraz ledeburyt przemieniony.

Na zdjęciu metalograficznym próbki nr 3 (zawartość węgla ok. 1,5%) można zauważyć dwie fazy: iglaste wydzielenia cementytu drugorzędowego oraz ciemny perlit.

W przypadku próbki nr 4 zmniejszenie zawartości węgla w stopie do ok. 0,6% spowodowało do zwiększenia objętościowego udziału perlitu, oraz do niewielkich iglastych wydzieleń ferrytu.

Dalsze zmniejszanie zawartości węgla do ok.0,3% (próbka nr 5) doprowadziło do zwiększenia udziału ferrytu, które mają kształt igieł na rzecz udziału perlitu.

W stopie przedstawionym na ostatniej fotografii metalograficznej zawartość węgla jest równa zawartości węgla odpowiadający punktowi P, która charakteryzuje się niemal ferrytyczną osnową z niewielkimi wydzieleniami cementytu trzeciorzędowego na granicach ziarn.

1. Wnioski

Wraz ze wzrostem zawartości węgla w układzie żelazo – węgiel, mikrostruktura zmienia się pod względem jakościowym, jak i ilościowym. Rozpatrując zakres węgla w przedziale 0÷0,77%, widać, że wraz ze wzrostem zawartości węgla w stopie zwiększa się zawartość perlitu, wypierając ferryt. Dalsze zwiększenie węgla powoduje, że nadmiar węgla zaczyna się wiązać w postaci cementytu drugorzędowego (zawartość węgla w perlicie wynosi 0,77%), taki efekt jest zauważalny do zawartości węgla równej 2,11%. Dalsze zwiększanie węgla, powoduje wydzielanie się i zwiększenie udziału objętościowego ledeburytu przemienionego, aż do zawartości 4,3% gdzie znajduje się 100% ledeburytu przemienionego. Dalsze zwiększanie węgla powoduje, że w temperaturze pokojowej zwiększa się udział objętościowy cementytu pierwotnego, aż do zawartości 6,67% gdzie znajduje się 100% Fe₃C.