Stale niestopowe, surówki i żeliwa
Wykres żelazo-węgiel to wzorcowy układ odniesienia, na podstawie którego analizować można przemiany fazowe oraz mikrostrukturę stopów żelaza z węglem w stanie równowagi. Układ ten został dokładnie opracowany dla stopów o zawartości węgla do 6,67% masowych. Literą L na wykresie oznacza się fazę ciekłą.
Żelazo - metal, rozróżniamy m.in. żelazo α oraz γ.
α - odmiana alotropowa żelaza posiadająca sieć RPC, Regularnie Przestrzennie Centrowaną
γ - odmiana alotropowa żelaza o sieci RSC, Regularnie Ściennie Centrowaną
Przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ (przy chłodzeniu) zachodzi w temperaturze 1394°C, polega ona na przebudowie struktury RPC w RSC.
Przemiana alotropowa żelaza γ w żelazo α (przy chłodzeniu) zachodzi w temperaturze 912°C, polega ona na przebudowie struktury RSC w RPC.
W temperaturze 770°C żelazo ze stanu paramagnetycznego przechodzi w ferromagnetyczny. (podczas chłodzenia)
Ferryt - międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α oznaczany literą α. Zawiera niewielkie ilości węgla poniżej 0,025%. Pod mikroskopem ferryt rozpoznawalny jest w postaci jasnych obszarów poprzedzielanych ciemnymi, nieregularnymi liniami.
Austenit - międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie γ oznaczany literą γ. Występuje on w stali powyżej temperatury eutektoidalnej 727°C i poniżej temperatury 1495°C. Jest fazą wyjściową do otrzymywania m.in. perlitu. W stalach niestopowych w temperaturze pokojowej praktycznie nie występuje. Może się pojawić po hartowaniu stali jako austenit szczątkowy. Zawartość węgla w austenicie nie przekracza w przybliżeniu 2,11%.
Cementyt - węglik żelaza o wzorze Fe3C. Tworzy się przy zawartości węgla 6,67% masowych. Cementyt poddany wygrzewaniu przy temperaturze ok. 1000°C ulega rozpadowi na żelazo i grafit. W układzie żelazo-węgiel wyróżnia się:
cementyt pierwszorzędowy, wydzielający się z cieczy, podczas krzepnięcia stopów o zawartości od 4,3 - 6,67% C (stal nadeutektyczna), zaobserwować go można w postaci jasnych igieł na tle ledeburytu przemienionego;
cementyt drugorzędowy, wydzielający się z austenitu przedeutektycznego wskutek obniżania sie w nim rozpuszczalności węgla, jest on możliwy do zaobserwowania w postaci siatki otaczającej ziarna byłego austenitu;
cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu przedeutektoidalnego na skutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla wraz ze spadkiem temperatury, obserwuje się go jako pojedyncze wydzielenia na granicach ziarn ferrytu.
Przemiana eutektoidalna - polega ona na rozpadzie austenitu na dwie odrębne fazy o różnej zawartości węgla. Są to: ferryt (0,0218% C) oraz cementyt (6,67% C). Przemianę zapisujemy: γS→ α P + Fe3C . Przemiana ta w warunkach równowagi zachodzi w stałej temperaturze 727°C zwanej temperaturą eutektoidalną. W wyniku przemiany eutektoidalnej powstaje mieszanina ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przy zawartości węgla 0,77% w strukturze stali obserwujemy 100% perlitu. Zbudowany jest on z cienkich płytek cementytu, które powstają z austenitu pobierając z niego większość węgla. Płytki cementytu przedzielone są szerszymi warstwami ferrytu, który pozostał jako składnik o niskiej zawartości węgla.
Przemiana eutektyczna - zachodzi w stałej temperaturze 1148°C, polega na krystalizacji cieczy w postaci dwóch odrębnych faz: austenitu oraz cementytu ułożonych warstwowo. Idealny skład eutektyczny zawiera 4,3% C. Powstała mieszanina austenitu i cementytu nosi nazwę ledeburytu.
Ledeburyt występuje zarówno w surówkach jak i w żeliwach białych w zakresie temperatur 1148°C-727°C. Pierwotnie po utworzeniu ledeburyt zawiera 48% Fe3C i 52% austenitu, w trakcie chłodzenia do 727°C z austenitu ledeburytycznego wydziela się cementyt drugorzędowy co powoduje spadek zawartości austenitu w ledeburycie do 29% i zubożenie austenitu w węgiel od 2,11% do 0,77%. Austenit ulga następnie przemianie eutektoidalnej w perlit. Po tej przemianie powstaje ledeburyt przemieniony, który występuje jako składnik surówek i żeliw białych w temperaturach pokojowych. Dla surówki eutektycznej stanowi 100% składu. Ledeburyt przemieniony w surówkach podeutektycznych widoczny jest jako jasny składnik obok ciemnego perlitu, w którym występują wydzielenia cementytu drugorzędowego, a w surówkach nadeutektycznych jako osnowa dla dużych, jasnych wydzieleń cementytu pierwszorzędowego.
Grafit - odmiana alotropowa węgla. Jego zawartość w żeliwach wpływa ogólnie niekorzystnie na plastyczność i wytrzymałość na rozciągnie w porównaniu ze stalami. Wpływa za to korzystnie na rzadkopłynność i dobre wypełnienie form. Dzięki grafitowi odlewy cechują się dobrym tłumieniem drgań, małą wrażliwości na wady powierzchniowe, dobrymi właściwościami przeciwciernymi i ułatwioną obróbką skrawaniem. Zawartość krzemu w surówce sprzyja grafityzacji, a zawartość manganu utrudnia grafityzację. Grafit w żeliwach szarych występuje w postaci płatków, sferoidów, postrzępionych wydzieleń (kłaczków), lub jako grafit wermikularny.
Żeliwa - stopy żelaza z węglem oraz Mn, Si, S, P, o zawartości węgla powyżej 2,11% do 6,67%.
Podział żeliw:
białe - węgiel związany jest w postaci cementytu. Jest kruche i trudne w obróbce ale odporne na ścieranie. Używane do otrzymywania żeliwa ciągliwego w procesie wyżarzania grafityzującego;
połowiczne (pstre) - cementyt uległ w znacznym stopniu grafityzacji;
szare - obok osnowy metalicznej zawierają grafit, dzielimy je na: zwykłe (występuje grafit płatkowy); sferoidalne (kulisty), o dobrych własnościach wytrzymałościowych i plastycznych; wermikularne (robaczkowy); ciągliwe (kłaczkowy).
Stale - stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami (Mn, Si, S, P) o zawartości węgla do 2,11%. W zależności od ilości innych pierwiastków stale można podzielić na stopowe i niestopowe. W zależności od zawartości węgla stale dzielimy na:
konstrukcyjne o zawartości węgla do ok. 0,65%
narzędziowe o zawartości węgla do ok. 1,7% (teoretycznie do 2,11% C)
Dla stali niestopowych można wprowadzić podział na:
stale niskowęglowe (miękkie do 0,25% C)
stale średniowęglowe (półtwarde od 0,25% C do 0,65% C)
stale węglowe (twarde od 0,65% C)