Politechnika Śląska

Wydział Organizacji i Zarządzania

Materiałoznawstwo - laboratorium

„Materiały metaliczne”

XXXXXX XXXXX

Sem. II ZiIP 1.X

Zabrze 2002

Układ żelazo - węgiel

Układ równowagi fazowej żelazo - węgiel obejmuje dwa układy, przesunięte nieco względem siebie:

• żelazo-grafit (linia przerywana), przedstawiający równowagę trwałą (stabilną) między żelazem i węglem, krystalizującym w postaci wolnej, tj. w postaci grafitu;

• żelazo-cementyt (linia ciągła, Fe₃C), przedstawiający równowagę nietrwałą (metastabilną) między żelazem i cementytem, tj. węglikiem żelaza.

W układzie występują następujące fazy i składniki mikrostruktury:

- odmiany alotropowe żelaza: Fe_α (trwała w temperaturze poniżej 912°C i powyżej 1394°C, do temperatury topnienia żelaza, wynoszącej 1538°C) oraz Fe_γ (trwała w zakresie temperatury 912÷1394°C),

- ferryt to międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe_α. Ferryt jest strukturą niemalże czystego żelaza (zawartość węgla do 0,03 %), powstaje w skutek rozpadu austenitu podczas studzenia stopu. Ferryt jest składnikiem strukturalnym stali i żeliw. Odznacza się bardzo małą rozpuszczalnością węgla: od 0,022% w punkcie P (w temperaturze 727°C) do 0,008% w temperaturze pokojowej. Jest trwały poniżej temperatury określonej linią GPK (układ żelazo - węgiel powyżej). Jest miękkim, plastycznym składnikiem struktury stopów Fe-C o stosunkowo niewysokiej wytrzymałości. Ferrytu posiada właściwości: wytrzymałość na rozciąganie R_m≅300 MPa, twardość ≅80 HB, wydłużenie A₁₀≅30%, udarność KC≅180 J/cm² oraz gęstość ρ=7,87 g/cm³;

Rys.1. Struktura ferrytu

- austenit to międzywęzłowy stały roztwór węgla w Fe_γ; występujący w zakresie temperatur 710-1535^οC. Jest składnikiem stopowym stali i stopowych żeliw. Jego maksymalna rozpuszczalność węgla w austenicie wynosi 2,11% (punkt E' w układzie żelazo - węgiel). Jest trwały w zakresie między temperaturami przemiany eutektycznej (linii ECF) i eutektoidalnej (linia PSK). Jest składnikiem struktury o dużej plastyczności oraz twardości i wytrzymałości większych od ferrytu. Posiada właściwości mechaniczne: R_m≅700÷800 MPa, twardość ≅200 HB, A₁₀≅40÷70%, KC≅200÷300 J/cm² oraz gęstość ρ=8,22 g/cm³;

Rys.2. Struktura austenitu

- cementyt - Fe₃C to węglik żelaza, który może tworzyć się w wyniku krystalizacji z cieczy (cementyt pierwotny);wydzielać z austenitu wzdłuż linii ES (cementyt wtórny) i z ferrytu wzdłuż linii PQ (cementyt trzeciorzędowy). W czystym stopie Fe-C zawiera 6,67% C, jest składnikiem twardym i kruchym. Posiada następujące właściwości mechaniczne: twardość ≅800 HB i gęstość ρ=7,66 g/cm³;

- ledeburyt to mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu powstała z roztworu zawierającego 4,3% C, poniżej temperatury eutektycznej; austenit występujący w ledeburycie przemienia się w perlit, tworzy się ledeburyt przemieniony, który jest składnikiem twardym i kruchym;

Rys.3. Struktura ledeburytu

- perlit to składnik stopów żelaza stanowiący mieszaninę eutektoidalną, składającą się z ułożonych na przemian płytek ferrytu i cementytu, powstającą w wyniku rozpadu austenitu o zawartości 0,8% C temperaturze 723°C. Ma dobre właściwości wytrzymałościowe, natomiast niską plastyczność. Posiada następujące właściwości mechaniczne: R_m≅700÷800 MPa, twardość ≅250 HB, A₁₀≅8%, KC≅40 J/cm², oraz gęstość ρ=7,78 g/cm³;

Rys.4. Struktura perlitu

Techniczne stopy żelaza z węglem należą do najczęściej stosowanych materiałów konstrukcyjnych. Ze względu na zawartość węgla dzielą się na dwie zasadnicze grupy: stal (staliwo) i żeliwo. Granicę stanowi maksymalna zawartość węgla w austenicie - 2,11%.

Stal jest przerobionym plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza z węglem o zawartości do 2,11% C i innymi pierwiastkami. Występujące w stalach pierwiastki można podzielić na pozostałe w procesie technologicznym domieszki (np. Si, Mn) i zanieczyszczenia (P,S, O₂, H₂). Zawartość fosforu i siarki przyjmowana jest za kryterium metalurgicznej jakości materiału. W nowoczesnych procesach metalurgicznych dąży się do ograniczenia zawartości tych pierwiastków, przyjmując za dopuszczalną wartość 0,04% każdego ze składników.

Ze względu na skład chemiczny stal dzieli się na niestopową (węglową) oraz stopową. Uwzględniając główne zastosowanie można wyżej wymienioną stal podzielić dodatkowo na:

• konstrukcyjną,

• narzędziową,

• o specjalnych właściwościach fizykochemicznych.

Staliwo jest stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami stopowymi pochodzącymi z przerobu hutniczego, odlanym do form i stosowanym w stanie nie obrobionym plastycznie. Może być odlewane do form piaskowych lub metalowych (kokili). Staliwa odlane w formach kokilowych posiadają strukturę bardziej drobnoziarnistą niż odlane w formach piaskowych, ale ze względu na większe naprężenia wewnętrzne muszą być poddawane wyżarzaniu odprężającemu.

Staliwa dzieli się na:

· Staliwo stopowe,

• konstrukcyjne,

• odporne na korozję,

• żaroodporne i żarowytrzymałe,

• narzędziowe

· Staliwo węglowe konstrukcyjne,

• zwykłej jakości,

• wyższej jakości.

• najwyższej jakości.

Żeliwa są to odlewnicze stopy żelaza z węglem o zawartości węgla w zakresie od 2,0 - 3,8 % oraz manganu i krzemu. Struktura żeliw jest określana na podstawie układu żelazo-cementyt (żeliwo białe) i żelazo-grafit (żeliwo szare). W skład żeliw oprócz węgla wchodzą również siarka, fosfor w ilościach większych niż w stalach. Żeliwa są wykorzystywane do produkcji elementów o skomplikowanym kształcie, które wymagają tylko niewielkiej obróbki wykańczającej.

Struktura żeliwa zależy od:

• składu chemicznego,

• warunków nagrzewania i chłodzenia,

• rodzaju wsadu metalowego, dodatków,

• obróbki cieplnej gotowych odlewów.

W celu odróżnienia od stali bądź staliwa definiowane jest jako stop odlewniczy o takiej zawartości węgla (ok. 2% dla czystego stopu Fe-C), która zapewnia krzepnięcie z utworzeniem struktury zawierającej eutektykę: grafitową (austenit o składzie punktu E' - grafit; układ żelazo - węgiel) lub cementytową, czyli ledeburyt (austenit o składzie punktu E - cementyt Fe₃C).

W zależności od składu chemicznego rozróżnia się żeliwo podeutektyczne, eutektyczne oraz nadeutektyczne.

W zależności od zawartości pierwiastków stopowych rozróżnia się żeliwo niestopowe i stopowe (nisko-, średnio- i wysokostopowe).

Odlewy żeliwne w zależności od rodzaju eutektyki powstałej podczas krystalizacji i związanego z tym przełomu dzieli się na:

• odlewy z żeliwa szarego

• odlewy z żeliwa białego

• odlewy z żeliwa połowicznego

Na podstawie kształtu grafitu oraz rodzaju osnowy żeliwo można sklasyfikować następujaco:

• Żeliwo ferrytyczne z grafitem płatkowym (rys.5)

• Żeliwo perlityczne z grafitem płatkowym (rys.6)

• Żeliwo ferrytyczno - perlityczne z grafitem płatkowym

• Żeliwo ferrytyczne sferoidalne (rys.7)

• Żeliwo z grafitem wermikularnym (rys.8)

Rys.5. Struktura żeliwa ferrytycznego Rys.6. Struktura żeliwa perlitycznego

z grafitem płatkowym z grafitem płatkowym

Rys.7. Struktura żeliwa ferrytycznego Rys.8. Struktura żeliwa z grafitem

sferoidalnego wermikularnym

Literatura:

Stanisaław Mac, Obróbka Metali z materiałoznawstwem , Warszawa 1973, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne.

Zbigniew Muszyński, Zarys technologii metali, Warszawa 1978, PWN

Eugeniusz Krzemień, Materiałoznawstwo, Gliwice 1999

1

8