Opis struktur i przemian stali

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 austeniotwórczych (np. Mn, Ni) obniża zakres istnienia austenitu do temperatury pokojowej. Własności mechaniczne austenitu w temperaturze pokojowej są następujące:

• R_m=ok.700¸ 800 MPa,

• R_e=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.

Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe₃C) o strukturze rombowej. Ze względu na znaczny udział wiązania metalicznego ma własności metaliczne.

Punkt Curie cementytu występuje w temperaturze 210° C. Jego gęstość jest mniejsza niż żelaza i wynosi 7,68 Mg/m. 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 zrazem kruchym. W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych, albo w postaci oddzielnych 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 rekcji Fe₃C -> 3Fe+C.

Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie . Powstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone, i tetraedrycznych. Fakt, że średnica atomu 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 podeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza a i tak:

• R_m=ok.300Mpa,

• 80HB,A₁₀=40%,

• KC=ok. 180 J/cm².

Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik. Ferryt podeutektoidalny występuje w postaci oddzielnych ziarenek na przemian z ziarnami perlitu (struktura komórkowa) lub na granicach ziarn perlitu.

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

Grafit jest składnikiem strukturalnym surówek (żeliw) szarych i pstrych. Jest on odmianą alotropową węgla o strukturze heksagonalnej. Jego parametry wynoszą:  , m, , m.

Gęstość 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 różnym 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 i eutektoidalny.

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 temperatury 727° C występuje jako ledeburyt przemieniony w wyniku przemiany austenitu ledeburytycznego w perlit.

Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77%C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temperaturze 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:

• R_m= ok. 700¸ 800 Mpa,

• R_e= ok.400MPa, ok. 180¸ 220 HB,

• A₁₀= ok. 8,

• KC= ok.40 J/cm².

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. Struktura taką uzyskuje się w wyniku długotrwałego wyżarzania stali eutektoidalnych lub nadeutektoidalnych. Ostatnio częściej stosowana jest nazwa cementytu kulkowego lub sferoidytu.

Przemiana eutektoidalna przebiega zgodnie ze wzorem:

γ_S  <- (727^oC) -> _P + Fe₃C

co oznacza, ze przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S (0,77%C) ulega rozkładowi 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  727˚C składa się ona z perlitu oraz cementytu i jest nazywana ledeburytem przemienionym.

Przemiana eutektyczna przebiega zgodnie ze wzorem:

_c <- (1148^oC) -> γ_E + Fe₃C

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

Przemiana perytektyczna przebiega zgodnie ze wzorem:

δ_H+_B <- (1495^oC) -> γ_J

co oznacza, że przy chłodzeniu ferryt 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%).

---