WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA

Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 2 pt.:

„BADANIA WPŁYWU WĘGLA NA MIKROSTRUKTURĘ I TWARDOŚĆ STOPÓW UKŁADU Fe-Fe₃C W STANIE RÓWNOWAGI”

Opracował dr inż. Andrzej W. Kalinowski

1. Wiadomości wstępne

Stopy sporządzane na bazie żelaza posiadają ponad 90% udziału masowego w tworzywach metalicznych stosowanych w konstrukcjach, maszynach, pojazdach, urządzenia, narzędziach itd. Tak więc stopy te mają największe zastosowanie techniczne.

Żelazo od bardzo dawna miało znaczący wpływ na rozwój cywilizacyjny ludzkości, stąd jeden z okresów tego rozwoju przyjął nazwę epoki żelaza.

Czyste żelazo z punktu widzenia współczesnych potrzeb konstrukcyjnych ma zbyt niskie właściwości wytrzymałościowe, np. żelazo elektrolityczne posiada R_m=250MPa, R_e=140MPa, twardość 75HB, ma natomiast wysokie wartości wskaźników plastycznych - A₁₀=50%, Z=80% i udarność 250J/cm². Z przytoczonych wartości wynika, że czyste żelazo nie jest atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym zdolnym do przenoszenia dużych obciążeń. Dlatego od dawna na bazie żelaza sporządza się stopy, których głównym składnikiem jest węgiel.

2. Układ Żelazo-Węgiel

Do celów praktycznych interesujący jest tylko fragment układu żelazo-węgiel do zawartości 6,67% węgla i temperatury nieco powyżej 1536°C, tj. topnienia żelaza. Przy stężeniu 6,67%C tworzy się węglik żelaza Fe₃C nazywany cementytem.

Cementyt powoduje to, że można rozpatrywać dwa układy: Fe-Fe₃C i Fe-C. Pierwszy, bardzo dobrze poznany jest metastabilny, tworzeniu którego sprzyja znaczna prędkość chłodzenia taka jaka istnieje w rzeczywistych warunkach krystalizacji. Drugi stabilny, mniej poznany, tworzy się w pewnych warunkach krystalizacji pierwotnej przy powolnym chłodzeniu, bądź długotrwałym wygrzewaniu powyżej temperatury 600° stałych stopów układu Fe-Fe₃C.

Rysunek 1 przedstawia część układu żelazo-węgiel posiadający znaczenie praktyczne. Linie ciągłe odnoszą się do układu żelazo-cementyt, zaś przerywane do układu żelazo-grafit. Ponieważ w rzeczywistych warunkach krystalizacji pierwotnej, jakie maja miejsce w zakładach metalurgicznych przy wytwarzaniu stopów Fe-C, łatwiej tworzy się układ Fe-Fe₃C dlatego został on zbadany dokładniej i stosowany powszechnie. Analiza mikrostruktur jakie tworzą się w tym układzie pod wpływem zmian zawartości węgla, przemian alotropowych żelaza, zmiennych rozpuszczalności węgla w żelazie i reakcji perytektycznej oraz eutektoidalnej jest podstawą wielu procesów technologicznych stosowanych do stopów żelazo-węgiel. Dzięki bowiem tym przemianom technolog stosując różne zabiegi cieplne może kształtować i otrzymywać różne mikrostruktury a w konsekwencji wymagane właściwości mechaniczne stopu.

Układ, którego wykres podany jest na rysunku 1 opisany jest fazowo, gdzie α - oznacza roztwór stały węgla w odmianie alotropowej Fe_α, γ - roztwór stały węgla w odmianie alotropowej Fe_γ, zaś węglik żelaza oznaczony jest wzorem Fe₃C. W temperaturze otoczenia istnieją tylko dwie fazy: α i Fe₃C - cementyt, których udziały w stopach zależą od zawartości węgla.

W układzie obok przemian alotropowych żelaza zachodzą jeszcze inne przemiany. W temperaturze 1496°C zachodzi reakcje perytektyczna, w wyniku której wcześniej powstałe kryształy fazy α o składzie punktu H reagując z roztworem ciekłym L o składzie punktu B, tworzą kryształy fazy γ o składzie punktu J

α_H + L_B ⇒ γ_J

W temperaturze 1147°C roztwór ciekły o składzie punktu C krzepnąc przechodzi w mieszaninę eutektyczną dwóch faz stałych: cementytu (Fe₃C) i nasyconego roztworu stałego γ o składzie punktu E

L_C ⇒ Fe₃C + γ_E

Faza γ o składzie punktu S w temperaturze 723°C ulega rozpadowi na mieszaninę eutektoidalną złożoną z cementytu (Fe₃C) i nasyconego roztworu stałego α o składzie punktu P.

γ_S ⇒ Fe₃C + α_F

2.1. Składniki układu Fe-C

Żelazo - główny składnik stopów układu Fe-C w normalnym ciśnieniu posiada dwie odmiany alotropowe: Fe_α o strukturze krystalicznej RPC (A2) i stałej sieciowej 2,86Å (20°C) oraz odmianę Fe_γ o strukturze RSC (A1) i stałej sieciowej 3,62 (750°C).

Odmiana Fe_α jest trwała do temperatury 910°C, powyżej której przechodzi w odmianę Fe_γ. Ta odmiana istnieje do temperatury 1390°C i ponownie przemienia się w Fe_α, nazywaną odmianą wysokotemperaturową żelaza alfa. Istnieje ona aż do temperatury topnienia żelaza. Dawniej oznaczano ją literą δ sądząc, ze jest to jeszcze jedna z odmian alotropowych żelaza.

Wzrost zawartości rozpuszczającego się węgla w żelazie gamma powoduje rozszerzenie obszaru istnienia tej odmiany. W wysokich temperaturach obszar ten sięga temperatury perytektycznej (1496°C) przy zawartości węgla w roztworze wynoszącym 0,16%. W dolnym zakresie temperatury, obszar Fe_γ obniża się, kosztem Fe_α od 910°C do 723°C przy zawartości 0,8% węgla. Dalszy wzrost zawartości węgla zawartości węgla nie wpływa już na temperaturę przemiany Fe_α ⇔ Fe_γ. (rys. 1)

Do temperatury 768°C żelazo wykazuje właściwości ferromagnetyczne, a w temperaturach wyższych staje się paramagnetyczne.

Węgiel - drugi składnik stopów z żelazem tworzy roztwory stałe w całym zakresie temperatur i do zawartości 2,06%C (temperatura eutektyczna). W zależności od warunków przebiegu krystalizacji pierwotnej i wtórnej węgiel tworzy z żelazem fazę międzymetaliczną Fe₃C albo występuje w stanie wolnym pod postacią grafitu. Grafit w porównaniu z żelazem ma niskie właściwości mechaniczne (tablica 1), tak że praktycznie są one pomijalne, a ziarna grafitu w mikrostrukturze stopów niekiedy traktuje się jako nieciągłości osnowy metalicznej.

2.2. Fazy i składniki strukturalne układu Fe-Fe₃C

Do celów praktycznych bardziej przydatny jest strukturalny opis wykresu Fe-Fe₃C (rys. 2), który uwzględnia mikrostruktury tworzące się w różnych temperaturach przy różnych zawartościach węgla i w warunkach, które pozwoliły stopom na uzyskanie stanu bliskiego równowagi.

2.2.1. Fazy układu Fe-Fe₃C

W układzie występują trzy fazy:

• ferryt oznaczony na wykresie literą F - Fe_α(C),

• austenit oznaczony na wykresie literą A - Fe_γ (C),

• cementyt oznaczony na wykresie literą C - Fe₃C.

W zależności od warunków tworzenia się cementytu do symbolu C dopisuje się jako indeks liczbę rzymską I, II, III.

I tak:

C_I - cementyt pierwszorzędowy tworzy się jako pierwszy z cieczy w wyniku krzepnięcia stopów zawierających ponad 4,3% węgla,

C_II - cementyt drugorzędowy wydziela się z austenitu zmiennej w nim rozpuszczalności węgla,

C_III - cementyt trzeciorzędowy, wydziela się z ferrytu również w wyniku zmiennej w nim rozpuszczalności węgla.

Cementyt tworzy się także w przemianach eutektycznej i eutektoidalnej, produktem których są określone mieszaniny austenitu i cementytu oraz ferrytu i austenitu.

Ferryt α, Fe_α(C), F

Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie Fe_α. Atomy węgla zajmują luki międzywęzłowe w sieci RPC (A2), w której rozróżnia się ich dwa rodzaje: luki o koordynacji tetraedrycznej (rys. 3a) i oktaedrycznej (rys. 3b). Obie luki znajdują się na ściankach komórki elementarnej i są bardzo małe. Przeprowadzając odpowiednie obliczenia można stwierdzić, że umiejscowienie się atomu węgla w luce tetraedrycznej musi spowodować rozsunięcie się czterech otaczających go atomów, natomiast w luce oktaedrycznej tylko dwóch. Wynika z tego, że bardziej prawdopodobne z punktu energetycznego jest zajmowanie przez węgiel luk okteedrycznych. Niemniej powoduje to zmniejszenie objętości luk sąsiednich, w których atomy węgla już nie mogą się pomieścić. Zniekształcenie to jest tak znaczne, że w temperaturze 723°C (eutektaidalnej) może być zajęta tylko co 1650 luka przez atom węgla.

Odpowiada to maksymalnej rozpuszczalności węgla w niskotemperaturowej odmianie Fe_α i wynosi 0,02%. Wraz z obniżeniem temperatury rozpuszczalność ta maleje i w 20°Cwynosi już tylko ok. 0,008%. W warunkach rzeczywistych może się ona nieznacznie zmieniać, gdyż atomy węgla mogą lokalizować się także w defektach sieci krystalicznej skoncentrowanych zwykle w obszarach przygranicznych ziarn.

W odmianie wysokotemperaturowej Fe_α rozpuszczalność węgla, w zakresie jej istnienia (1390°C - 1536°C) jest zmienna. Najwyższa jest w temperaturze 1496°C (perytektaidelnej) i wynosi 0,1%.

Ferryt niskotemperaturowy jest fazą bardzo miękką, plastyczną o małej wytrzymałości na rozciąganie. Właściwości mechaniczne ferrytu zawiera tablica 1, a typowy obraz mikrostruktury przedstawia rys 5b.

Tablica 1. Właściwości mechaniczne składników fazowych i strukturalnych stopów żelazo-węgiel (2,3)

Składnik	Wytrzymałość na rozciąganie Rm	Wydłużenie A10	Udarność K	Twardość H
	MPa	%	J/cm2	HB
Ferryt	295	40	180	80
Austenit	740	50	200	200
Cementyt	29,5	0	-	700
Grafit	19,5	0	-	ok. 1
Perlit	740	8	-	200
Ledeburyt	-	-	-	450

Austenit, γ, Fe_γ(C), A

Austenit jest międzywęzłowym roztworem węgla w Fe_γ. Podobnie jak w ferrycie, atomy węgla zajmują luki międzywęzłowe-oktaedryczne i tetraedryczne (rys. 4) w sieci RSC (A1). Luki te są znacznie większe tak, że znajdujące się w nich atomy węgla powodują niewielkie zniekształcenia sieci. To sprzyja większej rozpuszczalności węgla w austenicie, która maksymalną wartość 2,06% osiąga w temperaturze 1147°C (eutektycznej). Z obliczeń wynika, że w tych warunkach na 11 luk przez atom węgla zajęta jest jedna.

Rys. 3. Luki międzywęzłowe sieci RPC: a luka tetraedryczna, b - luka oktaedryczna. (2)

Rys. 4. Luki międzywęzłowe sieci RSC: a - luka oktaedryczna, b-luka tetraedryczna.

W miarę obniżania się temperatury rozpuszczalność maleje i w 723°C (temperatura eutektoidalna) wynosi już tylko 0,8%. Na 28 luk może być zajęta przez atom węgla już tylko jedna. W punkcie S (rys. l i 2) austenit jest nietrwały i ulega eutektoidalnemu rozpadowi na dwie fazy stałe: ferryt i cementyt.

Austenit w porównaniu z ferrytem jest fazą twardszą i bardziej wytrzymałą na rozciąganie a przy tym podatną na odkształcenia plastyczne. Niektóre jego właściwości mechaniczne zawiera tablica 1, zaś przeciętny obraz struktury uzyskany w mikroskopie świetlnym przedstawia rys. 5a.

Cementyt, Fe₃C,C

Cementyt, węglik żelaza jest fazą międzymetaliczną o strukturze złożonej. Krystalizuje w układzie rombowym o parametrach sieciowych: a=4,514Å, b=5,078Å i c=6,729 Å. W skład komórki elementarnej wchodzą 4 atomy węgla i 12 atomów żelaza. Wykazuje on pewne cechy meta1iczne jak przewodnictwo elektryczne i słaby ferromagnetyzm (punkt Curie wynosi 210°C). Cechy te powoduje, będące w przewadze,
wiązanie metaliczne zachodzące między atomami żelaza. Wiązania między atomami żelaza i
węgla zbliżone jest do kowalencyjnego.

Z uwagi na skomplikowaną budowę krystaliczną cementyt jest fazą twardą (ok. 65HRC)
i kruchą. Występując w mikrostrukturze stopów układu Fe-Fe₃C powoduje wzrost ich
właściwości wytrzymałościowych. Na wzrost tych właściwości wpływa nie tylko jego
udział ale również stopień rozdrobnienia (dyspersji) i kształt ziarna.

Cementyt nie ma ustalonej temperatury topnienia, gdyż jest fazą nietrwałą i ulega
rozpadowi. W zależności od temperatury w jakiej długotrwale jest wytrzymywany rozpada
się na: Fe₃C⇒G+Fe_γ(C), lub poniżej 723°C Fe₃C⇒G+F_α(C) tj. na grafit i stałe w
określonych warunkach roztwory: austenit i ferryt.

Jak wcześniej napisano, cementyt krystalizuje z roztworu ciekłego na odcinku linii
likwidusa D-C (rys. 2). Cementyt ten nazwano cementytem pierwszorzędowym. Na linii
E-S zmiennej rozpuszczalności węgla w Fe_α wydziela się cementyt drugorzędowy i linii S-Q
zmiennej rozpuszczalności węgla w Fe_α - cementyt trzeciorzędowy. Cementyty te posiadają
identyczną strukturę krystaliczną i są tą samą fazą, zróżnicowaną jedynie pod względem
kształtu ziarna ze względu na warunki i miejsce tworzenia się.

Ledeburyt, Ld

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.

Ledeburyt przemieniony, Ldp

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 Fe_α.

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).

Rys. 5. Mikrostruktury układu Fe-Fe₃C: a - austenit, b - ferryt, c - ferryt + C_III, d - ferryt + perlit, e - perlit, f - perlit + C_II, g - perlit + ledeburyt przemieniony + C_II, h - ledeburyt przemieniony i ledeburyt przemieniony + C_I. Mikrostruktury trawiono nitalem (2-4% roztwór kwasu azotowego w alkoholu).

Perlit, P

Perlit jest to mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu drugorzędowego tworząca się w temperaturze 723°C w wyniku rozkładu austenitu o zawartości 0,8% węgla. Poniżej temperatury eutektoidalnej z ferrytu wydziela się cementyt trzeciorzędowy. Znaczny udział w perlicie cementytu (ok. 12% ) powoduje to, że posiada on dobrą wytrzymałość Rm, twardość HB, odporność na ścieranie, obrabialność, przy czym zachowuje pewne
właściwości plastyczne (tablica l). Typową mikrostrukturę perlitu pokazano na zdjęciu (rys. 5e).

2.3. Mikrostruktury układu Fe-Fe₃C

Analizując układ żelazo-cementyt w temperaturze normalnej, można wyróżnić szereg typów utworzonych mikrostruktur o określonej budowie, w obrębie których zmieniają się tylko udziały poszczególnych składników fazowych i strukturalnych.

Rozpoczynając tę analizę od strony żelaza otrzymuje się:

l. F_α - ferryt o zawartości węgla %C<0,008 (rys. 5b)

2. F+C_III o zawartości węgla 0,008%<%C<0,02 (rys. 5c)

3. F+P+C_III o zawartości węgla 0,02<%C<0,8 (rys. 5d) - w opisie wykresu pomijany

4. P - perlit o zawartości węgla 0,8%C (rys. 5e)

5. P+C_II o zawartości węgla 0,8<%C<2,06 (rys. 5f)

6. P+Ldp+C_II o zawartości węgla 2,06<%C<4,3 (rys. 5g)

7. Ldp - ledeburyt przemieniony o zawartości węgla 4,3%C (rys. 5h)

8. Ldp+C_I o zawartości węgla 4,3<%C<6,67 (rys. 5i) - w opisach strukturalnych często C_II pomijamy

3. TECHNICZNY PODZIAŁ STOPÓW

Na podstawie udziału węgla stopy układu Fe-C dzieli się na dwie zasadnicze grupy:

- stale o zawartości węgla do 2,06% (lub staliwa jeśli stop stosowany jest w wyrobach w stanie lanym),

- żeliwa zawierające od 2,06% do 6,67% teoretycznie węgla.

3.1. Stale

Stale tradycyjnie definiuje się jako stopy żelaza z węglem do zawartości 2,06% C i innymi pierwiastkami, obrobione plastycznie.

Stale, w których głównym składnikiem stopowym jest węgiel nazywamy stalami węglowymi. Prócz węgla zawierają one jeszcze inne pierwiastki pochodzące z rudy i procesów metalurgicznych. Polska Norma PN-57/H-01000 określa górne udziały tych pierwiastków.

Stale, do których wprowadza się świadomie w odpowiednich ilościach inne składniki w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych, fizycznych czy chemicznych nazywamy stalami stopowymi.

W obu grupach stali pierwiastki, które do ich składu chemicznego przechodzą z rudy i procesów metalurgicznych dzieli się na dwie grupy: zanieczyszczenia (jak P, S, O₂, H₂, N₂) obniżające właściwości i dodatki (domieszki), które wprowadza się w czasie wytopu stali w celu jej odtlenienia (Si i Al) i związania siarki (Mn).

Na podstawie wykresu układu Fe-Fe₃C i udziału głównego składnika stopowego-węgla, stale stopowe dzieli się na: stale podeutektoidalne (do 0,8%C), stale eutektoidalne (0,8%C) i nadeutektoidalne (od 0,8% do 2,06%C). Praktycznie częściej używa się podziału na: stale niskowęglowe (do 0,25%C), średniowęglowe (od 0,25% do 0,6%C) i wysokowęglowe (od 0,6%C).

Węgiel silnie wpływa na właściwości wytrzymałościowe stali. Wzrost jego zawartości powoduje powiększenie się udziału cementytu odpowiedzialnego za umocnienie stopu, gdyż druga faza jaka występuje w mikrostrukturze - ferryt jest roztworem stałym o niskich właściwościach wytrzymałościowych. W stalach podeutektoidalnych większa część cementytu występuje w perlicie (rys. 5d), którego ilość powiększa się aż do 0,8%C, przy której to zawartości w mikrostrukturze występuje sam perlit (rys. 5e). Dalszy wzrost zawartości węgla powoduje utworzenie się siatki cementytu drugorzędowego na granicach ziarn perlitu. (rys. 5f, jasne obszary na granicach ziarn).

Z obrazu mikroskopowego w sposób przybliżony można określić zawartość węgla w stali, jeśli są spełnione następujące warunki: stal jest węglowa, podeutektoidalna i w stanie wyżarzonym (tzn. stanie bliskim równowagi). Należy wtedy udział powierzchni zajętej przez perlit w obrazie mikroskopowym np. przy powiększeniu x 100, wyrażony ułamkiem (lub w %) pomnożyć przez 0,8% (sam perlit zawiera 0,8%C).

Zmiany mikrostrukturalne spowodowane powiększaniem zawartości węgla pociągają za sobą wzrost właściwości wytrzymałościowych (rys. 6). Twardość HB wraz ze wzrostem zawartości węgla nieprzerwanie rośnie. W stalach podeutektoidalnych stwierdzono pewną zależność między twardością HB a wytrzymałością na rozciąganie Rm, z której w sposób przybliżony praktycznie można korzystać:

Granica Rm rośnie do zawartości węgla ok. 0,9% a powyżej tej zawartości zaczyna się obniżać. Przyczyną tego jest pojawienie się na granicach ziarn perlitu ciągłej siatki cementytu drugorzędowego, co powoduje, że stal staje się krucha i łatwiej ulega pękaniu.

W zależności od zawartości węgla można określić orientacyjną wytrzymałość Rm stali podeutektoidalnych posługując się zależnością:

Rys. 6. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali w stanie wyżarzonym

Właściwości plastyczne stali węglowych: wydłużenie A, przewężenie Z i udarność K ze wzrostem węgla maleją. Obniżają się również właściwości technologiczne jak podatność na odkształcenie itp.

Podane na wykresie (rys. 6) zależności, jak wspomniano, odnoszą się do stanu bliskiego równowagi. Taki stan w stali osiąga się w wyniku obróbek cieplnych ogólnie nazwanych wyżarzeniami.

Spośród kilkunastu rodzajów wyżarzań podanych w normie PN-76/H-01200 najbardziej związane z tematem ćwiczenia są następujące:

- "wyżarzanie ujednoradniające (ujednorodnienie, homogenizowanie) - nagie przedmiotu do temperatury niewiele niższej od temperatury solidusu, długotrwałe wygrzewanie w tej temperaturze i chłodzenie w celu zmniejszenia niejednorodności składu chemicznego i struktury",

- "wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) - nagrzanie przedmiotu do temperatury powyżej Ac₃ (zwykle 30°C - 50°C p.aut.) lub Ac_cm (w przypadku stali nadeutektoidalnych), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w spokojnym powietrzu w celu uzyskania drobnego ziarna lub równomiernego rozłożenia składników strukturalnych ",

-"wyżarzanie zupełne-nagrzanie przedmiotu do temperatury nieznacznie powyżej Ac₃ lub Ac_cm (w przypadku stali nadeutektoidalnych) wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury poniżej Ar₁ w celu zupełnego przekrystalizowania i następne powolne studzenie.

3.2. Żeliwa

Żeliwa są to stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości węgla od 2,06% do teoretycznie 6,67% stosowane w wyrobach w stanie lanym. W praktycznie stosowanych żeliwach zawartość węgla wynosi od 2,5% do 5%. Podobnie jak stale na podstawie składu chemicznego dzieli się je na żeliwa węglowe i żeliwa stopowe.

W obu rodzajach żeliw istnieje również grupa pierwiastków pochodzących z rudy i procesów metalurgicznych o podobnym wpływie na właściwości jak w stalach, które podobnie dzieli się na zanieczyszczenia i domieszki .

Rys. 7. Oznaczenia temperatur krytycznych

Na podstawie układu Fe-Fe₃C i zawartości węgla można rozpatrywać żeliwa białe. Żeliwa te dzieli się na: żeliwa podeutektyczne (od 2,06% do 4,3%C), eutektyczne (4,3%C) i nad eutektyczne (powyżej 4,3%C). Mikrostruktury tych żeliw pokazano na rysunku 5-g,h,i. Należy zaznaczyć, że węgiel w żeliwach może występować w cementycie-związany i w stanie wolnym w postaci grafitu. Mikrostruktury żeliw złożone są z roztworów (austenitu lub ferrytu ), mieszanin (ledeburytu przemienionego i perlitu), cementytu i grafitu. W zależności od tego czy węgiel jest związany czy w stanie wolnym żeliwa dzielą się na dwie
zasadnicze grupy:

1. Żeliwa białe, w których węgiel jest całkowicie związany (rys. 5 g, h, i).

2. Żeliwa szare gdzie węgiel jest częściowo (rys. 8 d, e) lub całkowicie wolnym (rys. 8c).

Nazwy tych żeliw pochodzą stąd, że złom żeliwa białego jest jasny-srebrzysty, a szarego ciemny-szary.

Na tworzenie się określonej mikrostruktury żeliwa wpływ mają dwie grupy czynników: warunki krystalizacji pierwotnej i skład chemiczny. Żeliwa białe otrzymuje się zwykle przy niewielkim już przechłodzeniu, mniejszym niż uzyskiwanym w rzeczywistych warunkach krystalizacji. Tworzeniu się żeliwa białego sprzyja mangan (szczególnie gdy zawartość jego jest większa od 1,25%) i dość silnie siarka. Żeliwa białe nie mają szerszego zastosowania jako materiały konstrukcyjne. Jedynymi ich zaletami są duża twardość i odporność na ścieranie.

Żeliwa szare stanowią dużą grupę stopów o szerokim zastosowaniu technicznym. Są one bardzo różnicowane pod względem mikrostrukturalnym. Wpływa na to skład chemiczny, sposób wytopu (warunki krystalizacji) i obróbka cieplna stosowana do gotowych odlewów. Grafit w nich przybierać może różne kształty jak: płatkowy (rys. 8a ), sferoidalny (kulkowy, rys. 8b) czy kłaczkowy (węgiel żarzenia, rys. 8c). Na utworzenie się grafitu, jego kształt i rozdrobnienie największy wpływ ma skład chemiczny.

Rys. 8. Kształt grafitu w żeliwach szarych: a - płatkowy, b - sferoidalny, c - kłaczkowy (grafit żarzenia). Mikrostruktury żeliwa szarego: d - żeliwo szare perlityczne z grafitem płatkowym, e - żeliwo szare sferoidalne ferrytyczno perlityczne.

Pierwiastki takie jak: krzem, magnez, cez., nikiel sprzyjają grafityzacji i tworzeniu się żeliwa szarego. Krzem wpływa na powstawanie grafitu o drobnych płatkach, magnez powoduje sferoidyzację grafitu co podnosi znacznie wytrzymałość R_m żeliwa, gdyż zwiększa się powierzchnia czynna przekroju osnowy metalicznej. Proces tworzenia się grafitu sferoidalnego pod wpływem wprowadzenia do ciekłego stopu magnezu czy cezu, nazywa się modyfikacją. Z żeliwa białego przez długotrwałe wyżarzenie otrzymuje się tzw. żeliwo ciągliwe (wykazujące pewne właściwości plastyczne) z grafitem żarzenia (kłaczkowym).

Główną częścią struktury fazowej żeliw szarych. która decyduje o właściwościach mechanicznych i przenosi obciążenia eksploatacyjne jest osnowa metaliczna. Składa się ona z ferrytu i perlitu. W zależności od udziału w mikrostrukturze tych składników żeliwa dzieli się na:

1. Żeliwa o osnowie ferrytycznej, gdy ilość węgla związanego jest niewielka (rys. 8c)

2. Żeliwa ferrytyczno-perlityczne lub perlityczno-ferrytyczne jeśli węgla związanego jest mniej niż 0,8% (rys. 8e).

3. Żeliwa perlityczne, gdy ilość węgla związanego wynosi 0,8% (rys. 8d).

4. PRZYKŁAD ANALIZY ZMIAN MIKROSTRUKTURY WYBRANEGO STOPU NA PODSTAWIE KRZYWEJ CHŁODZENIA

Rys. 9. Krzywa chłodzenia wybranego stopu układu Fe-Fe₃C

5. PYTANIA KONTROLNE

1. Co to jest stal - podać określenie.

2. Co to jest staliwo - podać określenie.

3. Co to jest żeliwo?

4. Co to - jest żeliwo białe?

5. Co to jest żeliwo szare?

6. Określić różnicę między stalą a żeliwem.

7. Wymienić składniki fazowe jakie mogą występować w stalach węglowych.

8. Wymienić składniki strukturalne jakie mogą występować w stalach węglowych.

9. Podać definicję: ferrytu, austenitu i cementytu.

10. Podać w jakim zakresie temperatur może występować w stalach węglowych:

a) ferryt,

b) austenit.

11. Podać maksymalne zawartości węgla jakie może zawierać:

a) ferryt,

b) austenit.

12. Narysować sieć w jakiej krystalizuje:

a) ferryt,

b) austenit.

13. Podać jakiego typu roztworem jest:

a) ferryt,

b) austenit.

14. Podać definicję perlitu i ile zawiera on węgla.

15. W czasie badań mikroskopowych ustalono, że w badanej stali 30% obserwowanej powierzchni zajmuje ferryt, a 70% perlit. Obliczyć ile węgla zawiera badana stal.

16. Narysować wykres Fe-Fe₃C i wykreślić krzywe chłodzenia dla stali zawierającej:

a) 0,3%C,

b) 1 ,2%C .

na krzywych zaznaczyć wydzielające się składniki fazowe i strukturalne.

17. Narysować mikrostruktury stali zawierające:

a) 0,3%C,
b) 1,2%C.

18. Opisać wpływ węgla na własności stali.

19. Na części wykresu Fe-Fe₃C dla stali nanieść zakresy różnych rodzajów wyżarzeń.
20. Podać cel wyżarzania ujednoradniającego.

21. Podać cel wyżarzania normalizującego.

22. Podać cel wyżarzania zupełnego.

23. W oparciu o wykres Fe-Fe₃C podać definicję składników strukturalnych występujących w żeliwach białych.

24. Wykreślić krzywe chłodzenia stopów, których składy zaznaczone są na wykresie układu (rys. 9).

6. LEKTURA

1. K. Wesołowski - „Metaloznawstwo i obróbka cieplna” Wyd. WNT 1972 Warszawa

2. R. Haimann - „Metaloznawstwo” Wyd Politechnika Wrocławska 1974

3. St. Prowans - „Struktura stopów” Wyd. PWN 1991 Warszawa

4. L. Dobrzański - „Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali” Wyd. Politechnika Śląska, Gliwice 1995

5. K. Przybyłowicz - „Metaloznawstwo” WNT Warszawa 1996

---