|
|
Data: |
TD-I, LP2 |
|
ocena |
Wykres równowagi układu żelazo-węgiel - jest to wykres fazowy węgla w stopie z żelazem. Pierwszą, najczęściej wykorzystywaną i omawianą część wykresu nazywa się także wykresem żelazo - cementyt. Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką strukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Przy, na przykład, szybkim chłodzeniu stop może zachowywać się w inny sposób (na przykład granica rozpuszczalności węgla w ferrycie wzrasta wraz z wielkością przechłodzenia).
Podstawowe pojęcia.
1.Ferryt- charakteryzuje niska zawartość węgla, w temperaturze pokojowej maksymalnie 0,008%. Wypolerowany przekrój ferrytu oglądany pod mikroskopem w powiększeniu 250x wykazuje strukturę ziarnistą o jasnoszarym kolorze. Węgiel w całości rozpuszczony jest w sieci krystalicznej żelaza i nie jest widoczny jako oddzielna faza. Ferryt jest materiałem miękkim i ciągliwym, mniej wytrzymałym i mniej twardym, ale bardziej plastycznym niż austenit. Wykazuje właściwości ferromagnetyczne do temperatury Curie wynoszącej 768 °C, w której przechodzi w odmianę paramagnetyczną.
Właściwości mechaniczne:
-Twardość w skali Brinella: 90 HB
-Wytrzymałość materiałów: Rm = 300 MPa
-Granica sprężystości: Re(R0,2) = 150 MPa
-Wydłużenie (wytężenie) - A10 = ok. 40%.
2.Austenit- roztwór stały węgla w γ-żelazie, zawierający nie więcej niż 1,7% węgla. Występuje w zakresie temperatur 710-1535C. Składnik stopowy stali i stopowych żeliw.
Wyróżnia się:
1) austenit pierwszorzędowy, pierwotny, wydzielajacy się ze stopu przed rozpoczęciem przemiany eutektycznej,
2) austenit przechłodzony, który nie uległ rozkładowi w wyniku szybkiego chłodzenia od temperatury austenityzacji do temperatury przemiany eutektoidalnej, zazwyczaj nietrwały, zmienia się w perlit, bainit lub martenzyt,
3) austenit szczątkowy, który nie uległ przemianie w martenzyt w trakcie oziębiania stali austenitycznej, nagrzanej uprzednio do temperatury austenityzowania.
3.Cementyt- jedna z podstawowych faz międzymetalicznych z grupy węglików, występującą w stopach żelaza z węglem i innymi pierwiastkami. Cementyt jest jednym ze składników stali; jest materiałem twardym i kruchym, posiada strukturę krystaliczną rombową, jego twardość to około 65 HRC (800 HB), jest fazą metastabilną o zawartości węgla do 6,67%. Posiada liczne wiązania metaliczne, co sprawia, że posiada własności metaliczne.
W zależności od zawartości węgla w stopie można rozróżnić:
1)cementyt pierwotny, wydzielający się przy krzepnięciu stopów o zawartości 4,3-6,67% węgla z roztworu ciekłego ubożejącego w węgiel, w postaci grubych igieł
2)cementyt wtórny, wydzielający się z austenitu wskutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla. Cementyt wtórny może wydzielać się w postaci igieł, siatki na granicach ziaren perlitu oraz jest jego składnikiem.
3)cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu na skutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla wraz ze spadkiem temperatury.
Cementyt jest odporny na działanie czynników chemicznych, trudno trawi się nitalem (Mi1Fe). Dla ujawnienia cementytu w stopach żelaza stosuje się trawienie na gorąco pikrynianem sodu (Mi6Fe), który barwi cementyt na brunatno lub czarno.
4.Perlit- mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla. Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727°C. Nazwę swą zawdzięcza perlistemu odcieniowi, jaki posiada wypolerowany przekrój tej mieszaniny. Perlit ma budowę ziarnistą. Pojedyncze ziarno perlitu zbudowane jest z płytek (w przekroju widocznych jako linie) ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Stosunek grubości płytki ferrytu do grubości płytki cementytu wynosi 7:1.
5.Ledeburyt- jest mieszaniną eutektyczną złożoną z nasyconego węglem austenitu i cementytu pierwszorzędowego, krystalizującą w temperaturze1147°C, o zawartości węgla 4,3%. W zakresie temperatury 1147°C-723°C wskutek zmniejszania się rozpuszczalności węgla z austenitu wydziela się cementyt drugorzędowy. Zawartość węgla w roztworze zmienia się od 2,06% (w temperaturze eutektycznej) do ,08% (w temperaturze eutektoidalnej). W mikrostrukturze zatem wzrasta udział cementyt.
6.Ledeburyt przemieniony-W temperaturze 723°C austenit zawarty w ledeburycie rozkłada się na mieszaninę eutektoidalną ferrytu cementytu drugorzędowego. Ledeburyt w którym austenit uległ rozkładowi eutektoidalnemu nazwano ledeburytem przemienionym Poniżej temperatury 723°C z ferrytu zawartego w Ldp wydziela się cementyt trzeciorzędowy w wyniku zmiennej rozpuszczalności węgla w Feα.Ledeburyt przemieniony jest strukturą twardą i kruchą, nieplastyczną trudno obrabialną mechanicznie. Te właściwości zawdzięcza on dużemu udziałowi cementytu, którego zawartość w mikrostrukturze wynosi ok. 64,5%. Mikrostrukturę ledeburytu przemienionego przedstawia zdjęcie (rys. 5h).
7.Eutektyk (eutektyka, mieszanina eutektyczna) - mieszanina dwóch lub więcej faz krystalicznych o określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych lub stopów w określonej temperaturze, zwanej temperaturą eutektyczną. Jest ona na ogół znacznie niższa od temperatury krzepnięcia czystych składników. Kryształy eutektyku są czystymi kryształami składników lub roztworami stałymi o różnych składach. W tym ostatnim przypadku mówi się o eutektykach roztworów stałych. Eutektyki są stałymi odpowiednikami mieszanin azeotropowych.
Przykładem eutektyku jest ledeburyt, który powstaje w układzie żelazo-cementyt przy stałej temperaturze. Przemiana układu żelazo-cementyt zachodzi we wszystkich stopach żelaza z węglem zawierających powyżej 2,11% węgla (żeliwach).
W przypadku ciekłych kryształów eutektyki to takie mieszaniny związków chemicznych, które generują stabilne fazy ciekłokrystaliczne w znacznie szerszym zakresie temperatur niż wyjściowe związki tworzące te mieszaniny. Mieszaniny eutektyczne ciekłych kryształów są powszechnie wykorzystywane w wyświetlaczach.
8.Przemiana perytektyczna zachodzi w temperaturze 1495C.jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła) przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α → β.
9.Przemiana eutektoidalna jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β
10.Przemiana perytektoidalna to przemiana, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy stałe reagują ze sobą i powstaje jedna - nowa faza stała. α + β → γ
11. Stal nadeuktoidalna - stal zawierająca powyżej 0.77% węgla. Na polerowanym przekroju oglądanym pod mikroskopem daje się zauważyć ziarna perlitu oddzielone obszarami cementytu. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział perlitu maleje, a cementytu wzrasta. Wzrasta także twardość stali, a obniża się jej ciągliwość.
12. Stal eutektoidalna - stal zwierająca 0.77% węgla. Stal taka ma strukturę ziarnistego perlitu, składającego się z płytek ferrytu i cementytu.
Struktury stali węglowych
W temperaturze otoczenia, w zależności od zawartości węgla, struktury stali węglowych są
następujące:
-Przy zawartości węgla teoretycznie nie przekraczającej 0,008%, występuje struktura
ferrytyczna (rys. 4.4).
-Przy zawartości węgla 0,008-0,02%, na granicach ziarn ferrytu pojawiają się wydzielenia
cementytu trzeciorzędowego. Jak już wspomniano, takie stopy nazywane są zwykle
żelazem technicznym.
-Stale o zawartości do 0,8% C noszą nazwę stali podeutektoidalnych. Ich struktura składa
się z dwóch składników, a mianowicie ferrytu i perlitu, przy czym w miarę wzrostu
zawartości węgla w stali wzrasta zawartość perlitu w strukturze (rys. 4.5-4.7).
-Stal o zawartości 0,8% węgla ma strukturę perlityczną (rys. 4.8) i nosi nazwę stali
eutektoidalnej.
-Stale o zawartości 0,8-2,06% węgla nazywają się stalami nadeutektoidalnymi i mają
strukturę składającą się z perlitu i cementytu wtórnego. W miarę wzrostu zawartości
węgla, wzrasta ilość cementytu w strukturze (rys. 4.9 i 4.10). Teoretycznie maksymalna
zawartość cementytu wtórnego występuje w stali o granicznej zawartości węgla 2,06% i
wynosi wtedy około 20%.
Rozpatrując własności mechaniczne stali węglowych można stwierdzić, że najniższą
wytrzymałość i najwyższą plastyczność w temperaturze pokojowej ma stal o strukturze
ferrytycznej. W miarę wzrostu zawartości węgla, a więc również wzrostu zawartości perlitu w
strukturze, rośnie wytrzymałość i twardość stali, przy jednoczesnym obniżaniu się plastyczności.
Maksymalną wytrzymałość (w stanie wyżarzonym) ma stal eutektoidalna (0,8% C). Dalszy
wzrost zawartości węgla powoduje podwyższanie twardości, gdyż w strukturze pojawia się
cementyt wtórny, równocześnie jednak maleje efektywna wytrzymałość stali, ponieważ staje się
ona mało plastyczna.
Struktura stali wykazuje często charakterystyczną pasmowość, która jest wynikiem obróbki
plastycznej na gorąco.
Oprócz omówionych wyżej składników strukturalnych, w każdej stali występują ponadto
różnego typu wtrącenia niemetaliczne, omówione już w rozdz. 3. Pod względem wielkości
wtrącenia te dzieli się na podmikroskopowe, mikroskopowe i makroskopowe.
Oznaczanie wtrąceń niemetalicznych w stali polega na obserwacji mikroskopowej (pod
powiększeniem 90-ll0x) powierzchni odpowiednio reprezentatywnie pobranych i
przygotowanych próbek i określeniu rodzaju, kształtu, ilości, wielkości i rozmieszczenia
Składniki strukturalne występujące w układzie żelazo- cementyt
Rys. 1 Struktura ferrytyczna (C=0,08%)
Rys. 2 Struktura ferrytyczno-perlityczna (C=0,15%)
Rys. 3 Struktura perlityczna (C=0,8%)
Rys. 4 Struktura perlit i ledeburyt przemieniony (C=3,5%)
Rys. 5 Struktura ledeburyt-cementyt (C=5%)