Marcin Wierzchowski
II MDT
Gr 1210
Układ żelazo-węgiel
Pod nazwą żelazo rozumie się chemicznie lub technicznie czysty metal o bardzo małej zawartości innych składników. Do odmian żelaza technicznego zalicza się:
żelazo chemicznie czyste, otrzymywane przez redukcję chemicznie czystych tlenków żelaza, zawierające około 0,007 % domieszek,
żelazo elektrolityczne, otrzymywane w drodze elektrolizy i zawierające ok. 0,02 % domieszek,
żelazo karbonylkowe, otrzymywane przez rozkład karbonylku żelaza, o zawartości ok. 0,03 % domieszek,
żelazo „Armco”, otrzymywane metodą hutniczą, o zawartości 0,1 - 0,2% domieszek.
Własności techniczne czystego żelaza w stanie wyżarzonym w zależności od stopnia jego czystości wahają się w następujących granicach:
wytrzymałość na rozciąganie Rm = 180 - 280 N/mm ,
granica plastyczności Re = 90 - 200 N/mm ,
wydłużenie A10 = 30 - 50 %,
przewężenie Z = 70 - 80 %,
udarność KM = 180 - 280 J/cm ,
twardość HB = 45 - 80.
Jak widać, technicznie czyste żelazo jest metalem miękkim o dużej plastyczności. Z tego względu nie znajduje się ono szerszego zastosowania w technice jako materiał konstrukcyjny i produkowane jest, z wyjątkiem żelaza „Armco”, w niewielkich ilościach. W technice żelazo znajduje zastosowanie głównie w postaci stopów z węglem, które w zależności od zawartości węgla nazywamy stalami lub żeliwami. Stopy te poza żelazem i węglem zawierają jeszcze niewielkie ilości domieszek pochodzących z procesów metalurgicznych, a także mogą posiadać pewne dodatki stopowe celowo wprowadzone dla uzyskania pożądanych właściwości.
Węgiel może występować w stopach w postaci wolnej jako grafit lub też w postaci związanej z żelazem jako węglik żelaza Fe3C, zwany cementytem. Grafit jest odmianą alotropową węgla, krystalizującą w układzie heksagonalnym. Jego ciężar właściwy jest około trzy razy mniejszy od ciężaru właściwego żelaza i wynosi 21,76 kN/m .Własności mechaniczne grafitu, jak wytrzymałość, twardość i plastyczność, są bardzo niskie.
Cementyt jest to związek chemiczny żelaza z węglem o zawartości 6,67 % wagowych węgla, krystalizujący w układzie rombowym. Struktura krystaliczna cementytu jest dość złożona. Kryształ cementytu zbudowany jest z ośmiościanów, których osie są ułożone względem siebie pod odpowiednimi kątami. Wewnątrz każdego z ośmiościanów znajduje się atom węgla. Cementyt jest składnikiem bardzo twardym i bardzo kruchym. Jego ciężar właściwy wynosi 75,3 kN/m . Do temperatury 230° C cementyt wykazuje słabe własności ferromagnetyczne a wyższych temperaturach jest paramagnetyczny. Za temperaturę topnienia cementytu przyjmuje się około 1227°C. Cementyt jest związkiem nietrwałym i w określonych warunkach ulega rozpadowi na grafit oraz żelazo, z tego powodu temperatura topnienia cementytu nie została określona.
Układ równowagi żelazo - cementyt (Fe - Fe3C) obejmuje stopy żelaza z węglem do zawartości 6,67 % węgla, w cementycie. Dalsza część układu równowagi nie została dokładnie zbadana ze względu na to, że stopy o wyższej zawartości węgla nie przedstawiają praktycznego znaczenia, a badanie ich jest utrudnione. Podana postać układu jest wynikiem badań wielu uczonych, które zapoczątkował D.K. Czernow w roku 1868,wykrywając temperatury krytyczne stali i ich zależności od zawartości węgla.
Na podstawie przedstawionego układu równowagi żelazo - cementyt dzieli się stopy żelaza z węglem na:
stale zawierające do 2 % węgla ( punkt E - 2,11%),
żeliwa o zawartości od 2 do 6,67 % węgla.
Składniki strukturalne, występujące w poszczególnych polach układu, zaznaczono bezpośrednio na rysunku. Do składników strukturalnych, występujących w stopach żelazo - cementyt w stanie równowagi należą:
ciekły roztwór węgla w żelazie;
ferryt - jest to roztwór stały węgla w żelazie α krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Jest to prawie czyste żelazo; rozpuszczalność węgla w Fe α w temperaturze eutektoidalnej (727°C) wynosi 0,02 %, zaś w temperaturach normalnych 0,008 %. Do temperatury 770°C ferryt jest ferromagnetyczny, zaś w wyższych temperaturach jest paramagnetyczny;
austenit - jest to roztwór stały węgla w Fe γ, krystalizujący w układzie płasko centrowanym. Maksymalna rozpuszczalność węgla w temperaturze 1148°C wynosi około 2,11 % i z obniżeniem temperatury spada do 0,8 % przy 727°C. W stalach węglowych austenit jest trwały powyżej 727°C; jest paramagnetyczny;
cementyt - rozróżnia się następujące rodzaje: pierwotny, krystalizujący z roztworu ciekłego węgla w żelazie zgodnie ze zmianą rozpuszczalności według linii CD, wtórny - wydzielający się w stanie stałym z austenitu w skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie γ według linii ES, trzeciorzędowy - wydzielający się z ferrytu na skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie α według linii PR;
perlit - jest to eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu, zawierająca 0,8 % węgla (tj. 87 % ferrytu i 13 % cementytu). Powstaje z rozkładu austenitu w temperaturze 727°C. W stalach wolno chłodzonych ma on budowę pasemkową w postaci na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu;
ledeburyt - jest to eutektyczna mieszanina austenitu i cementytu, tworząca się przy krzepnięciu z cieczy o zawartości 4,3 % węgla w temperaturze 1148°C . Po ochłodzeniu do temperatury 727°C austenit ledeburytu przemienia się w perlit, tak że poniżej temperatury występuje mieszanina perlitu i cementytu, przy czym zasadniczy charakter ledeburytu zostaje zachowany; taka eutektyka nosi nazwę ledeburytu przemienionego.
Oznaczenia linii w układzie żelazo - cementyt przedstawia się następująco:
AB - likwidus; początek wydzielania się kryształów ferrytu; określa zmienną zawartość węgla w fazie ciekłej na skutek krystalizacji ferrytu,
BC - likwidus; początek wydzielania się kryształów austenitu; określa zmienną zawartość węgla w fazie ciekłej na skutek krystalizacji austenitu,
CD - likwidus; początek wydzielania się cementytu pierwotnego; określa zmienną zawartość węgla w fazie ciekłej na skutek wydzielania cementytu,
AH - solidus; koniec krzepnięcia ferrytu, określa skład chemiczny kryształów ferrytu,
HB - linia przemiany perytektycznej: ciecz B + ferryt H austenit J,
JE - solidus; koniec krzepnięcia austenitu; określa skład chemiczny kryształów austenitu,
DF - solidus; odpowiadający wydzielaniu się z cieczy kryształów cementytu pierwotnego,
ECF - linia krzepnięcia eutektyki ledeburycznej: ciecz C ledeburyt(austenit E + Fe3C),
HN - początek przemiany alotropowej ferrytu w austenit; określa zmienną zawartość węgla w ferrycie na skutek krystalizacji austenitu,
JN - koniec przemiany ferrytu w austenit; charakteryzuje zmienną zawartość węgla w austenicie na skutek przemiany ferrytu w austenit,
ES - początek wydzielania się cementytu wtórnego; określa zmienną zawartość węgla w austenicie na skutek krystalizacji cementytu,
GOS - początek przemiany alotropowej austenitu w ferryt; określa zmienną zawartość węgla w austenicie na skutek krystalizacji ferrytu; w zakresie GO wydziela się ferryt paramagnetyczny, zaś w zakresie OS - ferryt ferromagnetyczny;
MO - linia przemiany magnetycznej ferrytu,
GP - koniec przemiany alotropowej austenitu w ferryt; określa zmienną zawartość węgla w kryształach ferrytu, powstających w wyniku przemiany alotropowej,
PSK - linia przemiany eutektoidalnej perlitycznej: austenit S perlit(ferryt P + Fe3C),
PR - początek wydzielania się cementytu trzeciorzędowego; określa zmienną zawartość węgla w ferrycie na skutek wydzielania się cementytu trzeciorzędowego.
Dla ułatwienia, przemiany w stopach żelazo - węgiel oznacza się symbolem A. Ponieważ większość przemian wykazuje dużą histerezę cieplną w zależności od szybkości stygnięcia czy też nagrzewania, przeto w celu odróżnienia temperatur przemian ustalonych przy nagrzewaniu od temperatur przemian przy chłodzeniu oznacza się pierwsze przez A ze znaczkiem c, zaś drugie przez A ze znaczkiem r. Jeżeli jest mowa o przemianie w stanie równowagi, to pisze się sam symbol A. Szczegółowe oznaczenie przemian jest następujące;
A0 - przemiana magnetyczna cementytu w stałej temperaturze 230°C;
A1 - przemiana eutektoidalna (perlityczna) zachodząca w stałej temperaturze 727°C. Przy chłodzeniu powstaje z austenitu mieszanina eutektoidalna, natomiast przy nagrzewaniu z eutektoidu powstaje austenit;
A2 - przemiana magnetyczna ferrytu, zachodząca w stałej temperaturze 770°C w stopach zawierających poniżej 0,6 % węgla; przy chłodzeniu pojawiają się własności magnetyczne, natomiast przy nagrzewaniu utrata tych własności. W stalach zawierających powyżej 0,6 % węgla przemiana magnetyczna zachodzi równocześnie z przemianą alotropową;
A3 - przemiana alotropowa: Feα Feγ zachodząca w czystym żelazie w temperaturze 912°C; w stopach przemiana ta oznacza początek wydzielania się ferrytu z austenitu (przy chłodzeniu) lub koniec przemiany ferrytu w austenit (przy nagrzewaniu), zgodnie z przebiegiem linii GOS;
A4 - przemiana alotropowa: Feγ Feα zachodząca w stopach o zawartości węgla poniżej 0,17 %. W czystym żelazie zachodzi ona w temperaturze 1349°C; w miarę wzrostu zawartości węgla temperatura przemiany wzrasta i dla stali o zawartości 0,10 - 0,17 % węgla jest stała i wynosi 1495°C.
Acm - początek wydzielania się cementytu wtórnego z austenitu (przy chłodzeniu) lub koniec rozpuszczania się cementytu wtórnego w austenicie (przy nagrzewaniu) zgodnie z przebiegiem linii ES.