12.03.08

SiMR Gr 1.2

Elżbieta Paulina Szafran

Bartłomiej Milanowski

Marcin Mydłowski

LABORATORIUM MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Temat ćwiczenia:

BADANEI WPŁYWU WĘGLA NA MIKROSTRUKTURĘ I TWARDOSĆ STOPÓW UKŁADU Fe-Fe₃C STANIE RÓWNOWAGI

1. Wstęp teoretyczny

1.1 Fazy układu Fe-Fe₃C

Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie Fe_a. Atomy węgla zajmują luki międzywęzłowe w sieci RPC (A2), w której rozróżnia się ich dwa rodzaje: luki o koordynacji tetraedrycznej i oktaedrycznej. 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 oktaedrycznych. 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.

Austenit jest międzywęzłowym roztworem węgla w Fe_y. Podobnie jak w ferrycie, atomy węgla zajmują luki międzywęzłowe-oktaedryczne i tetraedryczne 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 węgła 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.

Cementyt - węglik żelaza jest fazą międzymetaliczną o strukturze złożonej. Krystalizuje w układzie rombowym o parametrach sieciowych: a=4,514A, b=5,078A i c=6,729A. W skład komórki elementarnej wchodzą 4 atomy węgla i 12 atomów żelaza. Wykazuje on pewne cechy metaliczne 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.

1.2 Składniki strukturalne układu Fe-Fe₃C

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną złożoną z nasyconego węglem austenitu i cementytu pierwszorzędowego, krystalizującą w temperaturze 1147°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 0,8% (w temperaturze eutektoidalnej). W mikrostrukturze zatem wzrasta udział cementytu.

Ledeburyt przemieniony, Ldp. W temperaturze 723°C austenit zawarty w ledeburycie rozkłada się na mieszaninę eutektoidalną ferrytu i 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 węgła w Fea.

Ledeburyt przemieniony jest strukturą twardą i kruchą, nieplastyczną i trudno obrabialną mechanicznie. Te właściwości zawdzięcza on dużemu udziałowi cementytu, którego zawartość w mikrostrukturze wynosi ok. 64,5%. Mikrostrukturę ledeburytu przemienionego przedstawia zdjęcie .

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. Typową mikrostrukturę perlitu pokazano na zdjęciu .

1.3 Rodzaje wyżarzania

Spośród kilkunastu rodzajów wyżarzań najbardziej związane z tematem ćwiczenia są następujące:

• wyżarzanie ujednoradniające (ujednorodnienie, homogenizowanie)-nagrzanie 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°-50°C p.aut.) lub Accm, ( 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 Accm (w przypadku stali nadeutektoidalnych) wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury poniżej Ar, w celu zupełnego przekrystalizowania i następne powolne studzenie.

1.4 Techniczny podział stopów

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

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

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), średmowęglowe (od 0,25% do 0,6%C) i wysokowęglowe (od 0,6%C).

2. Ćwiczenia praktyczne

2.1 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturą poszczególnych faz układu Fe-Fe₃C, oraz rozpoznawanie poszczególnych elementów struktury na podstawie przedstawionych próbek.

2.2 Przebieg ćwiczenia

1. rozpoznanie zadanych próbek na podstawie struktury każdej zbadanej próbki

2. nazwanie poszczególnych próbek

3. określenie elementów struktury

2.2 Wyniki obserwacji

Próbka D1 Ferryt 0,08%C
Próbka D2 Mikrostruktura ferrytyczno- perlityczna 0,2% C

Próbka D3 Mikrostruktura perlityczno- ferrytyczna 0,4% C
Próbka D4 Mikrostruktura perlityczno- ferrytyczna 0,6% C
Próbka D5 Mikrostruktura perlityczna z siateczkami cementytu 1,05% C

3.Wnioski

Mikrostruktura poszczególnych faz układu Fe-Fe₃C, zmienia się w ściśle określony sposób wraz ze wzrostem zawartości węgla w układzie. Fazy o najniższej zawartości węgla - ferryt i faza ferrytyczno- perlityczna, są fazami jasnymi z niewielką ilością czarnych punktów przedstawiających węgiel. Im większa zawartość węgla w układzie, tym obserwujemy więcej czarnych punktów w mikrostrukturze badanych próbek.

4

---