Laboratorium z Materiałoznawstwa

Przemysław Chrzanowski Z-13

UKŁAD ŻELAZO-WĘGIEL.

Układ równowagi faz stopowych żelazo-węgiel ma istotne znaczenie, ponieważ teoria przemian w nim występujących stanowi podstawę licznych procesów technologicznych, którym poddawane są najważniejsze materiały konstrukcyjne — techniczne stopy żelaza — . jak również liczne stopy nieżelazne.

Stal - stop żelaza z węglem o maksymalnej zawartości węgla 2,06% z dodatkiem zanieczyszczeń w postaci Si, P, S poddany obróbce plastycznej.

Wykres, równowagi metastabilnego układu Fe-Fe3C przyjęty obecnie jest wynikiem licznych prac eksperymentalnych i teoretycznych. Obejmuje zakres stężeń do 6,67% C, odpowiadający zawartości węgla w cementycie. Z wykresu wynika, że stopy układu w zasadzie krystalizują jako mieszanina eutektyczna złożona z nasyconego roztworu stałego-węgla w Fe γ, zwanego austenitem, i cementytu. Punkt eutektyczny C w temperaturze 1147°C odpowiada zawartości 4,3% C. Przemiana alotropowa żelaza α w γ przy 1390°C (punkt N)" w stopach o małej zawartości węgla wpływa na przebieg krystalizacji, wywołując przemianę perytektyczną w wyniku której stopy o zawartości 0,1—0,16% C krystalizują jako mieszanina perytektyczna nasyconych roztworów stałych węgla: w wysokotemperaturowej odmianie Feα w Feγ. Punkt perytektycżny J •w temperaturze 1493°C odpowiada zawartości 0,16% C.

Przemiana alotropowa żelaza α w γ w 910°C (punkt G) łącznie ze zmianą rozpuszczal­ności węgla wywołuje przemianę eutektoidalną polegającą (przy chłodzeniu) na rozpadzie austenitu w mieszaninę roztworu stałego węgla w Feα, rwanego ferrytem, i cementytu. Punkt eutektoidalny S w temperaturze 723°C odpowiada zawartości 0,8 % C.

Przemianom w stanie stałym w układzie Fe-F₃C przypisuje się wprowadzone przez Osmonda oznaczenia: literę A (od francuskiego arret — przystanek) i kolejny numer, a ponadto indeksy: c — dla temperatury przy chłodzeniu albo r — dla temperatury przy nagrzewaniu. Indeksy wskazują kierunek przemiany, a ponadto zapewniają jednoznaczność wartości liczbowych, które-skutkiem bezwładności cieplnej różnią się dla nagrzewania i chłodzenia. Wyróżnia się następujące przemiany:

A₀- przemiana magnetyczna cementytu, przebiegająca w stałej temperaturze 210"C,

A₁- przemiana eutektoidalna, przebiegająca w stałej temperaturze 723°C. (wzdłuż WPSK),

A_2- przemiana, magnetyczna żelaza, przebiegająca do zawartości ok. 0,5% C w stałej temperaturze 768°C, obniżającej się do 723°C przy zawartości 0,8% C; następnie prze­biegająca w stałej temperaturze (wzdłuż linii MOSK),

A₃- przemiana alotropowa żelaza α w γ, przebiegająca w temperaturze obniżającej się od 910°C dla żelaza do 723°C dla zawartości 0,8 % C i następnie w stałej temperaturze (wzdłuż linii GOSK),

A₄ - przemiana alotropowa żelaza α w γ, przebiegająca w temperaturze od 1390°C dla żelaza do 1493°C przy zawartości 0,1 % C (wzdłuż linii NH),

A_cm - przemiana cementytowa odpowiadająca granicznej rozpuszczalności węgla w Fe γ, przebiegająca od 0,8% C przy. 723°C do 2,06% ,C przy 1147°C.

W układzie Fe - Fe₃ C występują trzy składniki fazowe:

Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe a o strukturze A2. Małe rozmiary luk są przyczyną minimalnej rozpuszczalności węgla, która w od­mianie niskotemperaturowej powiększa się od 0,008 % przy temperaturze otoczenia do 0,02% przy temperaturze eutektoidalnej 723°C, a w odmianie wysokotemperaturowej — od 0% przy 1390°C do 0,1 % przy temperaturze perytektycznej 1.493°C. Ferryt niskotempe­raturowy można traktować jako techniczne żelazo wobec bardzo zbliżonych własności. Jest to faza bardzo miękka i plastyczna o małej wytrzymałości na rozciąganie. Dzięki temu stopy ferrytyczne są podatne do obróbki plastycznej.

Austenit jest międzywęzłowym, roztworem stałym węgla w Fe γ o .strukturze Al . Pomimo większego wypełnienia sieci, stosunkowo duże rozmiary luk umożliwiają znacznie większą rozpuszczalność węgla: od 0,8% przy temperaturze eutektoidalnej 723°C, do 2,06% przy temperaturze eutektycznej 1147°C. W czystych stopach żelaza. Z węglem w temperaturze poniżej 723°C austenit jest nietrwały — ulega eutektoidalnemu rozpadowi na mieszaninę ferrytu i cementytu. Jest to faza stosunkowo twarda, o znacznej wytrzymałości na rozciąganie, a przy tym bardzo ciągliwa. Dzięki temu stopy austenityczne są podatne do obróbki plastycznej, ale odznaczają się złą skrawalnością.

Zależnie od wa­runków powstawania wyróżnia się trzy modyfikacje cementytu:

Cementyt pierwotny krystalizuje z roztworu ciekłego, w postaci dużych, grubych igieł.

Cementyt wtórny wydziela się z austenitu w wyniku zmniejszania rozpuszczalności węgla. przy obniżaniu temperatury w zakresie 1147—723°C (wzdłuż linii ES) oraz powstaje z eutektoidalnego rozpadu austenitu w temperaturze 723°C. W pierwszym przypadku ma na obrazie .mikroskopowym najczęściej postać siatki otaczającej ziarna (rzadziej igieł), w drugim — najczęściej płytek rozmieszczonych na przemian z płytkami ferrytu (rys. 5.2c), rzadziej kulek w osnowie ferrytu . 5.3d).

Cementyt trzeciorzędowy wydziela się z ferrytu przy zmniejszaniu się rozpuszczalności węgla przy obniżeniu temperatury poniżej 723°C (wzdłuż linii PQ); na Obrazie mikrosko­powym ma najczęściej wygląd małych wydzieleń na granicach lub w obrębie ziaren ferrytu.

Wymienione modyfikacje cementytu rozróżnia się tylko z punktu widzenia mikro­struktury stopu. Wszystkie bowiem są wydzieleniami tej samej fazy o jednakowej budowie krystalicznej i własnościach.

Składnikami strukturalnymi stopów są dwie mieszaniny faz:

Perlit jest mieszaniną eutektoidalną nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o za­wartości 0,8% C powstającą jako produkt rozpadu austenitu w temperaturze 723°C. Ma on budowę płytkową (na przemian rozłożone płytki ferrytu i cementytu) o dyspersji zależnej od szybkości chłodzenia podczas przemiany.

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o zawartości 4,3% C krystalizującą w temperaturze 1147°C. Poniżej temperatury eutektycznej w ledeburycie pojawiają się wydzielenia cementytu wtórnego wskutek zmniejszania się rozpuszczalności węgla w austenicie. W temperaturze eutektoidalnej austenit podlega rozpadowi na ferryt i cementyt wtórny.

Rysunek próbki:

Próbka zawierała około 0,39% C.

---