NAUKA O MATERIAŁACH
Temat:
Układ Fe-C dla 3%
Ćwiczenie: 5
Przemiany alotropowe są związane z przebudową struktury krystalicznej, co powoduje zmianę własności fizycznych, chemicznych i mechanicznych. W efekcie powstają inne odmiany tego samego żelaza, noszące nazwę odmian alotropowych. W przeciwieństwie do tego, przy przemianie magnetycznej zmieniają się jedynie niektóre własności elektryczne, magnetyczne i cieplne, tak, że jest ona szczególnym rodzajem przemiany, zupełnie różnym od alotropowej.
Austenit jest międzywęzłowym roztworem węgla w żelazie g i oznaczony jest bądź symbolem Feg (C, bądź literą g. Graniczna zawartość węgla w austenicie w temperaturze 1147°C wynosi 2,06% (punkt E na wykresie). W stopach żelaza z węglem w stanie równowagi austenit występuje jedynie w temperaturach wyższych od 723°C. Natomiast w niektórych stalach stopowych, zawierających np. nikiel lub mangan, austenit w stanie równowagi istnieje również w temperaturach niższych.
Podobnie jak żelazo g, austenit jest paramagnetyczny. Odznacza się przy tym dużą plastycznością, zwłaszcza przy niższej zawartości węgla. Również gęstość austenitu zależy od zawartości węgla (średnio wynosi ona 8,1 g/cm3).
Cementyt, czyli węglik żelaza jest fazą międzymetaliczną o złożonej strukturze, krystalizującą w układzie rombowym. Stosunek liczby atomów żelaza do atomów węgla wynosi 3:1 (Fe3C), co odpowiada wagowej zawartości węgla 6,67%. W temperaturze do 210°C cementyt jest ferromagnetyczny, powyżej tej temperatury paramagnetyczny. Gęstość cementytu wynosi 6,9 g/cm3. Jest on fazą bardzo twardą (HB ok. 800) i bardzo kruchą.
Cementyt może tworzyć roztwory stałe różnowęzłowe, przy czym na miejsce atomów węgla mogą wchodzić do jego sieci atomy azotu, zaś na miejsce atomów żelaza atomy takich metali, jak mangan, chrom, wolfram itd. Tak utworzone roztwory stale na osnowie sieci cementytu noszą nazwę cementytu stopowego.
Warto podkreślić, że zgodnie z układem równowagi żelazo-cementyt, w temperaturze otoczenia stopy żelaza z węglem do zawartości 0,008% C są jednofazowe (ferryt), natomiast wszystkie stopy o zawartości węgla od 0,008 do 6,67% składają się z dwóch faz: ferrytu i cementytu.
Pomijając omówione już przemiany zachodzące w czystym żelazie oraz przemiany w czystym cementycie, w układzie żelazo-cementyt można wyróżnić następujące trzy podstawowe przemiany, zachodzące w stałych temperaturach:
przemiana eutektyczna: LC ® g E + Fe3C,
przemiana perytektyczna: LB + aH ® g J
przemiana eutektoidalna: gS ® aP + Fe3C.
Szczególnie duże znaczenie praktyczne ma przemiana eutektoidalna, na której opiera się obróbka cieplna stali.
Ledeburyt jest eutektyką o zawartości 4,3% C, tworzącą się z roztworu ciekłego LC w temperaturze 1147°C, zgodnie z przemianą: LC E + Fe3C. W temperaturze powstania ledeburyt jest, więc mieszaniną eutektyczną dwóch faz: austenitu (zawierającego 2,06% C) i cementytu. W miarę obniżania się temperatury do 723°C, z austenitu wydziela się cementyt wtórny. W temperaturze 723°C austenit przemienia się w perlit i przy dalszym obniżaniu temperatury z ferrytu zawartego w perlicie wydziela się niewielka ilość cementytu trzeciorzędowego. W związku z tym, poniżej temperatury 723°C, ledeburyt stanowi już mieszaninę perlitu i cementytu. Struktura taka nosi nazwę ledeburytu przemienionego.
Perlit jest eutektoidalną mieszaniną dwóch faz: ferrytu i cementytu, zawierającą 0,8% węgla i tworzącą się w temperaturze 723°C zgodnie z przemianą: gS ® aP + Fe3C. Dla ścisłości należy dodać, że przy ochładzaniu perlitu od temperatury 723°C do temperatury otoczenia, z ferrytu zawartego w perlicie wydziela się jeszcze pewna ilość cementytu trzeciorzędowego (zazwyczaj pomijanego z powodu nieznacznej jego ilości). Perlit obserwowany pod dostatecznie dużym powiększeniem charakteryzuje się budową pasemkową, gdyż składa się z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Odległości między płytkami zmniejszają się ze wzrostem szybkości chłodzenia i jednocześnie następuje wzrost twardości struktury.
Stop żelazo węgiel o zawartości węgla 3% w początkowej fazie chłodzenia ma strukturę roztworu ciekłego tj. temperatura powyżej 1300°C gdzie to przy dalszym ochładzaniu roztwór ciekły ma swoją granicę likwidus i wchodzi w stan roztworu ciekłego z austenitem. Dalsze ochładzanie ma swój próg (E) przy temperaturze 1147°C, czyli temperatura powstawania ledeburytu, który miesza się z cementytem w austenicie.
Roztwór taki chłodzony nadal osiąga temperaturę 723°C przeistacza się w perlit (z dodatkami cementytu i ledeburytu) nazywany przemienionym. Austenit zmienił się na wtórny zmieniając swoją fazę.
Chester11-86