TEMAT: Układ żelazo - węgiel

Właściwości stali węglowej w zależności od zawartości węgla.

Bielsko-Biała dn. 3. V. 2000r.

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się podstawowymi wiadomościami dotyczącymi układu równowagi faz stopowych żelazo - węgiel.

2. Podstawy teoretyczne:

Układ równowagi faz stopowych żelazo - węgiel stanowi podstawę licznych procesów technologicznych, którym poddawane są najważniejsze materiały konstrukcyjne: stopy żelaza, jak również niektóre stopy nieżelazne. Żelazo jest najmniej szlachetnym pierwiastkiem, w grupie B VIII układu okresowego, o wyraźnie metalicznych cechach. W przyrodzie nie występuje w stanie rodzimym z powodu dużej aktywności chemicznej i tworzenia tlenków, wodorotlenków, siarczanów, węglanów lub krzemianów.

Żelazo w temperaturze otoczenia jest ferromagnetyczne a powyżej punktu Curie 768st. C - paramagnetyczne.

Węgiel w stopach żelaza występuje w trzech postaciach: w stanie wolnym jako grafit, w stanie związanym jako węgliki żelaza Fe₃C (cementyt) wreszcie w postaci roztworu stałego.

Grafit jest odmianą węgla o kowalencyjnej strukturze heksagonalnej. Ma pomijalną wytrzymałość na rozciąganie i twardość, a gęstość ok. 3,5 razy mniejszą od żelaza.

Cementyt jest fazą międzywęzłową o strukturze złożonej układu rombowego. Odznacza się dużą kruchością i twardością, nieznacznie mniejszą niż żelazo gęstością oraz dużą odpornością chemiczną. W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych, albo w postaci oddzielnych wydzieleń np.: cementyt pierwotny, cementyt wtórny, cementyt trzeciorzędowy.

Cementyt do 210st.C jest ferromagnetyczny a w wyższych temperaturach paramagnetyczny. W wyższych temperaturach ulega rozkładowi tzw. grafityzacji.

Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie ά. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt przedeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego.

Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w Fe-γ o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Ze względu na typ sieci A1 ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu.

Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77% węgla. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temperaturze 727st. C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Perlit jest składnikiem strukturalnym stali i surówek podeutektycznych białych i surówek szarych perlitycznych.

Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementyt. Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% węgla.

Układ Fe - Fe₃C:

W stanie stałym w układzie Fe - Fe₃C wyróżnia się następujące przemiany:

A₀ - magnetyczną cementytu przebiegającą w temperaturze 210st.C

A₁ - eutektoidalną przebiegającą w temperaturze 723st.C

A₂ - magnetyczną żelaza przebiegającą do zawartości ok. 0,6% C w stałej temperaturze 768st.C obniżającej się do 723st.C przy zawartości 0,8% C a następnie przebiegającej w stałej temperaturze.

A₃ - alotropową Fe ά ↔ Fe γ przebiegającej w temperaturze obniżającej się od 910st.C dla żelaza do 723st.C dla stopu o zawartości 0,8% C i następnie przebiegającej w stałej temperaturze.

A₄ - alotropową Fe γ ↔ Fe ά przebiegającą w temperaturze od 1390st.C dla żelaza do 1493st.C dla stopu o zawartości 0,1% C.

A₅ - cementytową graniczną rozpuszczalności węgla w Fe γ przebiegającą od 0,8% C przy 723st.C do 2,11% C przy 1148st.C

Wykres równowagi stabilnego układu żelazo - grafit (linie przerywane) w części ustalonej jest analogiczny do układu Fe - Fe₃C przy czym jego punkty charakterystyczne są nieznacznie przesunięte w kierunku wyższych temperatur i mniejszej zawartości węgla.

Przebieg ćwiczenia:

Badaniu poddane zostały trzy próbki stali węglowej.

• próbka pierwsza charakteryzowała się składem eutektoidalnym

(zawierała około 0,25 procent węgla).

• próbka druga była próbką o składzie podeutektoidalnym

• ostatnia badaną próbką była stal o składzie nadeutektoidalnym

1. stali podeutektoidalnej

2. 
   stali eutektoidalnej

3. stali nadeutektoidalnej

Ziarna perlitu i ferrytu w próbce podeutektoidalnej układają się w wyraźne pasma. Ten stan rzeczy wynika z obróbki plastycznej jakiej stal ta była poddana.

WNIOSKI:

Właściwości stali węglowej zmieniają się wraz ze zmianą zawartości węgla w stopie. Ten stan rzeczy jest następstwem zmiany struktury wewnętrznej stopu wynikającej ze zmiany zawartości węgla.

SPRAWOZDANIE Z LABORATORIUM

METALOZNASTWA

perlit

ferryt

1.

2.

100% perlit

3.

cementyt

---