POLITECHNIKA OPOLSKA

WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA I INŻYNIERII PRODUKCJI

ZARZĄDZNIE I MARKETING III ROK

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

LABORATORIUM

STRUKTURY UKŁADU ŻELAZO - CEMENTYT Fe- Fe₃C.

Wykonały:

Magdalena Fila

Zuzanna Fila

OPOLE 1999

Jako żelazo określa się pierwiastek chemiczny Fe oraz żelazo techniczne o bardzo małej zawartości innych składników. Żelazo w zależności od temperatury występuje w dwóch odmianach alotropowych alfa i gamma. Żelazo alfa jest plastyczne, krystalizuje w sieci przestrzennie centrycznej układu regularnego i do temperatury 780⁰C wykazuje własności ferromagnetyczne. Żelazo gamma posiada sieć płaskocentryczną układu regularnego. Żelazo jest paramagnetyczne, plastyczne i wykazuje znaczną zdolność do rozpuszczania węgla. Drugim składnikiem układu jest węgiel. Może on występować w postaci wolnej jako grafit, bądź w postaci związanej z żelazem jako faza międzymetaliczna Fe₃C. Węgiel posiada dwie odmiany alotropowe: diament i grafit, ten ostatni występuje niekiedy w stopach z żelazem. Cementyt jest fazą międzymetaliczną żelaza z węglem o wzorze Fe₃C (węglik żelaza)
i zawiera 6,67% C. Struktura cementytu jest dość skomplikowana. Kryształ cementytu składa się z ośmiościanów ułożonych względem siebie pod określonymi kątami. Wewnątrz każdego ośmiościanu mieści się atom węgla. Przewaga wiązania metalicznego decyduje
o właściwościach metalicznych cementytu jak przewodność elektryczna, połysk metaliczny itp. Cementyt cechuje duża twardość oraz brak plastyczności. Może on tworzyć roztwory stałe różnowęzłowe, w miejsca atomów węgla mogą wchodzić atomu niemetali: azotu, tlenu, zaś w miejsca atomów żelaza- atomy metali: manganu, chromu, wolframu i innych. Jest on związkiem nietrwałym i w określonych warunkach rozpada się na węgiel i żelazo.

Stopy żelaza z węglem są niewątpliwie najważniejszymi stopami stosowanymi
w technice. Układ równowagi żelazo- węgiel został opracowany po raz pierwszy pod koniec XIX wieku i uległ w między czasie wielu poprawkom. Węgiel może występować w tym układzie w postaci wolnej jako grafit oraz związanej jako Fe₃C. W praktyce ma się raczej do czynienia z tym ostatnim składnikiem i taki układ Fe- Fe₃C nazywa się nietrwałym (niestabilnym), w odróżnieniu do trwałego układu Fe-C, opracowanego przy długotrwałym działaniu temperatury. W zależności od procentowej zawartości węgla można układ podzielić na 2 okresy:

• do 2%, gdzie przy wolnym chłodzeniu wydziela się cementyt; zakres ten odnosi się do stali węglowych;

• powyżej 2%- otrzymuje się stopy, w których węgiel występuje w postaci grafitu, zwłaszcza w obecności dalszego składnika jakim jest krzem- jest to zakres żeliw (3-4%) ; stopy powyżej 4% w praktyce raczej nie znajdują zastosowania- są krucze, gdyż węgiel występuje w nich zawsze w postaci cementytu.

Krzepnięcie stopów żelaza z węglem rozpoczyna się poniżej linii likwidusu.
Powyżej jej znajduje się jedynie faza będąca roztworem ciekłym węgla w żelazie. Pomiędzy liniami likwidusu i solidusu współistnieją dwie fazy ciekła i stała. Poniżej linii solidusu występować mogą stopy jedynie w stanie stałym. W rezultacie przemian zachodzących w stałej temperaturze (perytektyczna w 1492⁰C, eutektyczna w 1130⁰C i eutektoidalna (perlityczna) w 723⁰C) otrzymuje się:

• dla stopu 0,018%C w 1492⁰C roztwór stały węgla w żelazie gamma zwany austenitem, w wyniku przemiany perytektycznej między roztworem alfa o składzie 0,1% i cieczą o składzie 0,5%;

• dla stopu o 4,3%C w 1130⁰C mieszaninę eutektyczną austenitu o 2%C i cementytu pierwotnego, zwaną leburytem;

• dla stopu o 0,8%C mieszaninę eutektoidalną roztworu węgla w żelazie alfa (ferryt) i cementytu wtórnego, zwaną perlitem.

Ferryt jest to graniczny roztwór węgla w żelazie alfa o maksymalnej rozpuszczalności 0,008%C w temperaturze otoczenia a 0,025%C w 723⁰C tj. w temperaturze eutektoidalnej.
Na ogół ferryt posiada własności podobne do czystego żelaza, wykazuje niską twardość, wzrastającą w obecności atomów domieszek w roztworze.

Cementyt jest chemicznie bardzo odporny. Rozróżnia się cementyt pierwotny, wydzielający się z austenitu w postaci ziaren płytkowych lub laseczkowych, cementyt wtórny wydzielający się jako igły lub siatka na granicach perlitu.

Austenit jest to roztwór stały węgla w żelazie gamma. Krystalizuje w sieci płaskocentrycznej układu regularnego przy czym atomy węgla zajmują położenie środkowe.

Perlit jest to eutektoid, zawierający 0,8%C, powstały z przemiany austenitu przy powolnym chłodzeniu i składa się w zasadzie z płytek ferrytu i cementytu.

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną nasyconych kryształów austenitu zawierającego 2%C i cementytu; występuje przy stałym składzie chemicznym 4,3%. Jest trwały w zakresie 1130 do 723⁰C; poniżej istnieje tak zwany ledeburyt przemieniony będący mieszaniną perlitu i cementytu. Ledeburyt cechuje stosunkowo wysoka twardość oraz kruchość.

Struktury stopów żelaza z węglem zależą od zawartości węgla:

1. stop1 (C=0,02%; żelazo elektrolityczne)

2. stop2 (C=0,35%; stal konstrukcyjna)

3. stop3 (C=0,8%; stal narzędziowa, stop podeutektoidalny)

4. stop4 (C=1,5%; stal narzędziowa, stop nadeutektoidalny)

5. stop5 (C=3,0%; żeliwo białe podeutektyczne)

6. stop6 (C=4,3%; żeliwo ledeburyczne)

7. stop7 (C=5,5%; żeliwo białe nadeutektyczne)

Na podstawie wykresu opracowanego przez Sauvera można określić procentowy udział poszczególnych składników w strukturze danego stopu. Dla stali podeutektoidalnej wyżarzonej można z wykresu Fe-C i obrazu mikroskopowego ocenić przybliżoną zawartość węgla. Zakładając, że ferryt prawie węgla nie zawiera, zaś perlit ma 0,8%C, z pewną dokładnością można określić daną zawartość węgla. Dla stali o zawartości ponad 0,8%C jest taka ocena już mniej dokładna. W stopach eutektycznych krzepnięcie rozpoczyna się od wykrystalizowania dużych płatów pierwotnego grafitu. W miarę krzepnięcia skład cieczy zmienia się osiągając e temperaturze eutektycznej stężenie ok. 4,3%, przy którym krzepnięcie w postaci eutektyki składającej się z drobnopłatkowego lub punktowego grafitu i austenitu. Podczas dalszego obniżania temperatury z austenitu wydziela się grafit wtórny, aż do osiągnięcia temperatury i składu eutektoidalnego; wtedy następuje rozpad austenitu na ferryt
i grafit. W stopach podeutektoidalnych krzepnięcie rozpoczyna się od utworzenia austenitu,
a następnie powstaje grafit eutektyczny. Dalsze przemiany zachodzą już jak w stopie nadeutektoidalnym.

Z ilości perlitu i ferrytu w strukturze stali podeutektoidalnej w stanie wolno chłodzonym można określić zawartość węgla w stali. Wiedząc, że przy zawartości 0,8% C stal posiada czysto perlityczną strukturę, a przy 0% C czysto ferrytyczną, oceniając pod mikroskopem procentowy udział perlitu w strukturze stali, można obliczyć zawartość węgla w stali wg formuły:

x =
0.8 , gdzie:

x - zawartość węgla w procentach

P - powierzchnia zajęta przez perlit w procentach

3

---