MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA

Transkrypt

1 MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA WYKŁAD 3 Stopy żelazo - węgiel dr inż. Michał Szociński

2 Spis zagadnień Ogólna charakterystyka żelaza Alotropowe odmiany żelaza Układ równowagi fazowej Fe Fe 3 C Przemiany podczas chłodzenia Podstawowe struktury stali węglowej Co to jest?

3 OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ŻELAZA żelazo nie występuję w przyrodzie w postaci rodzimej otrzymywanie żelaza chemicznie czystego (o własnościach pierwiastka) jest trudne i kosztowne Odmiana żelaza Metoda otrzymywania Max. stężenie domieszek i zanieczyszczeń, % chemicznie czyste redukcja tlenków 0,007 elektrolityczne elektroliza 0,02 karbonylkowe dysocjacja karbonylku żelaza V 0,03 Armco metalurgiczna 0,1

4 ODMIANY ALOTROPOWE ŻELAZA Fe- występuje w zakresach temperatur: 912 C C ( ) Fe- krystalizuje w sieci A2 (RPC) dla T 770 C (temperatura Curie) Fe- jest ferromagnetyczne dla T 770 C (temperatura Curie) Fe- jest paramagnetyczne Fe- występuje w zakresie temperatur: C Fe- krystalizuje w sieci A1 (RSC) Parametr sieci a każdej odmiany Fe rośnie z temperaturą: a = 0,286 nm (Fe- ) a = 0,293 nm (Fe- ( ) ) a = 0,365 nm (Fe- )

5 ODMIANY ALOTROPOWE ŻELAZA 912 C 1) Fe- Fe- towarzyszy zmniejszenie objętości właściwej 912 C 2) Fe- Fe- towarzyszy wzrost objętości właściwej oraz naprężeń wyjaśnia to zależność struktury sieciowej Fe od ciśnienia: wysokie wartości ciśnienia stabilizują odmianę Fe- o mniejszej objętości właściwej i sieci RSC; przy p = GPa występuje odmiana Fe- o sieci heksagonalnej zwartej niskie wartości ciśnienia stabilizują odmianę Fe- o sieci RPC

6 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C

7 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C Składniki układu Fe Fe 3 C: żelazo cementyt (Fe 3 C): jest to faza międzywęzłowa zawierająca 6,67%C krystalizuje w T = 1227 C z ciekłego roztworu węgla w żelazie jest to faza metastabilna (nietrwała), gdyż pod wpływem energii cieplnej ulega grafityzacji: Fe 3 C Fe + C GRAFIT twardy i kruchy ( HB) w T = 230 C zmienia swoje właściwości magnetyczne: 230 C ferromagnetyczny 230 C paramagnetyczny

8 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C Fazy układu Fe Fe 3 C: roztwór ciekły węgla w żelazie (faza ciekła) ferryt ( ): międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe- krystalizuje w sieci A2 (RPC) małe rozmiary luk w sieci są przyczyną bardzo małej rozpuszczalności węgla w Fe- (0,0218 %C to maksymalna rozpuszczalność w T = 727 C i maleje z temperaturą) austenit ( ): międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe- krystalizuje w sieci A1 (RSC) max. 2,11 %C w T = 1148 C (temp. eutektyczna) i maleje z temperaturą do 0,77 %C w T = 727 C cementyt (Fe 3 C)

9 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C Składniki strukturalne układu Fe Fe 3 C: składa się z faz (Fe-, Fe-, Fe 3 C) oraz ich mieszanin Schemat powstawania perlitu 1. ledeburyt: 2. perlit: mieszanina eutektyczna (eutektyka) Fe- i Fe 3 C powstająca z roztworu ciekłego węgla w żelazie w 1148 C; zawartość węgla 4,3%; powstaje we wszystkich stopach zawierających 2,11 6,67 %C; jest trwały do 727 C mieszanina eutektoidalna (eutektoid) Fe- i Fe 3 C powstająca z Fe- w T = 727 C; zawartość węgla 0,76%; powstaje we wszystkich stopach zawierających 0,022 4,3 %C; składa się z na przemian ułożonych płytek Fe 3 C i Fe- ; wymiary płytek Fe 3 C maleją wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia austenitu; drobny perlit większa twardość ( HB)

10 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C Struktura stopów układu Fe Fe 3 C: (c.d.) 3. ledeburyt przemieniony: mieszanina perlitu i Fe 3 C; twardy (ok. 450 HB) i kruchy 100% ledeburytu przemienionego występuje dla zawartości węgla 4,3% - dla zawartości eutektycznej; Stop żelaza z węglem o zawartości ok. 4,3%C (żeliwo białe eutektyczne): ledeburyt przemieniony (pola kropkowane) ślady cementytu wtórnego

11 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C Struktura stopów układu Fe Fe 3 C: (c.d.) 4. cementyt: jako składnik strukturalny odporny jest na działanie wielu odczynników chemicznych, w tym Nitalu; jest ok. 10x twardszy od Fe- (sposób odróżnienia przez pomiar mikrotwardości); cementyt III (trzeciorzędowy) na granicach ziarn wyróżniamy: cementyt I (pierwotny) - białe igły cementyt II (wtórny) - biała siatka

12 WYKRES RÓWNOWAGI Fe Fe 3 C CHARAKTERYSTYCZNE TEMPERATURY I PRZEMIANY OZNACZENIE PRZEMIANY TEMPERATURA, C OKREŚLENIE PRZEMIANY A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A cm przemiana magnetyczna Fe 3 C przemiana eutektoidalna Fe- przemiana magnetyczna Fe- przemiana alotropowa Fe- Fe- przemiana alotropowa Fe- Fe- ( ) graniczna rozpuszczalność C w Fe- A (francus. arret) przystanek (Osmond)

13 STRUKTURY STALI WĘGLOWYCH (w temperaturze otoczenia, w zależności od zawartości węgla) stale ferrytyczne przy zawartości węgla teoretycznie nie przekraczającej 0,008% żelazo techniczne (ARMCO) przy zawartości węgla 0,008-0,022%, na granicach ziarn ferrytu pojawiają się wydzielenia cementytu trzeciorzędowego stale podeutektoidalne o zawartości do 0,77% C; ich struktura składa się z dwóch składników, a mianowicie ferrytu i perlitu, przy czym w miarę wzrostu zawartości węgla w stali wzrasta zawartość perlitu w strukturze stale nadeutektoidalne o zawartości 0,77-2,11%C; ich struktura składa się z perlitu i cementytu wtórnego, przy czym w miarę wzrostu zawartości węgla w stali wzrasta zawartość cementytu w strukturze; Teoretycznie maksymalna zawartość cementytu wtórnego występuje w stali o granicznej zawartości węgla 2,11% i wynosi wtedy ok. 20%

14 STRUKTURY STALI WĘGLOWYCH 1. Rozpatrując własności mechaniczne stali węglowych można stwierdzić, że najniższą wytrzymałość i najwyższą plastyczność w temperaturze pokojowej ma stal o strukturze ferrytycznej. 2. W miarę wzrostu zawartości węgla, a więc również wzrostu zawartości perlitu w strukturze, rośnie wytrzymałość i twardość stali, przy jednoczesnym obniżaniu się plastyczności. 3. Maksymalną wytrzymałość ma stal eutektoidalna (0,77% C). 4. Dalszy wzrost zawartości węgla powoduje podwyższanie twardości, gdyż w strukturze pojawia się cementyt wtórny, równocześnie jednak maleje efektywna wytrzymałość stali, ponieważ staje się ona mało plastyczna.

15 CHŁODZENIE STALI FERRYTYCZNEJ AUSTENIT FERRYT struktura stopu w temp. pokojowej: ferryt i Fe 3 C III

16 CHŁODZENIE STALI PODEUTEKTOIDALNEJ AUSTENIT struktura stopu w temp. pokojowej: ferryt, perlit i Fe 3 C III

17 CHŁODZENIE STALI NADEUTEKTOIDALNEJ AUSTENIT struktura stopu w temp. pokojowej: perlit, Fe 3 C II i Fe 3 C III

18 PODSTAWOWE STRUKTURY STALI WĘGLOWEJ PIĘĆ STRUKTUR FERRYTYCZNO-PERLITYCZNYCH O RÓŻNEJ ZAWARTOŚCI WĘGLA 0,05 %C 0,15 %C 0,18 %C 0, 50 %C 0,8 %C %C wraz ze wzrostem zawartości węgla wzrasta zawartość perlitu w strukturze

19 Stal podeutektoidalna: 0,05 % C (zgład prostopadły) Powiększenie: 100x Stal podeutektoidalna: 0,05 % C (zgład prostopadły) Powiększenie: 500x perlit ferryt

20 perlit ferryt Struktura ferrytyczna z niewielką ilością perlitu; 0,05% C. Powiększenie: 700x.

21 Żelazo ARMCO technicznie czyste żelazo (widoczne tylko jasne ziarna ferrytu) Powiększenie: 100x.

22 Żelazo ARMCO technicznie czyste żelazo (widoczne tylko jasne ziarna ferrytu i Fe 3 C-III) Powiększenie: 500x.

23 Stal podeutektoidalna: 0,45 % C (zgład prostopadły) Powiększenie: 100x Stal podeutektoidalna: 0,45 % C (zgład prostopadły) Powiększenie: 500x

24 Struktura ferrytyczno-perlityczna; 0,15% C. Powiększenie: 700x.

25 Struktura ferrytyczno-perlityczna; 0,18%C. Powiększenie: 500x.

26 Struktura ferrytyczno-perlityczna; 0,45%C. Powiększenie: 500x.

27 Struktura ferrytyczno-perlityczna; 0,5%C. Powiększenie: 700x

28 perlit cementyt wtórny Stal nadeutektoidalna, struktura perlityczna; 0,95%C. Powiększenie: 500x.

29 230x 1000x Struktura ferrytyczno-perlityczna; 0,05%C. Widoczne wydzielenia cementytu trzeciorzędowego.

30 230x 1000x Struktura ferrytyczno-perlityczna stali zawierającej 0,2%C.

31 230x 1000x Struktura ferrytyczno-perlityczna w stali zawierającej 0,4%C.

32 230x 1000x Perlit i cementyt (II) w stali zawierającej 1,2%C.

33 stal wysokowęglowa (narzędziowa); stal nadeutektoidalna, 1,2% C widoczne ziarna perlitu i rzeki cementytu Powiększenie: 500x

34 Stal podeutektoidalna: 0,25 % C (zgład prostopadły) Powiększenie: 500x Stal podeutektoidalna: 0,25 % C (zgład równoległy) Powiększenie: 500x

35 Co to jest?

36 Co to jest? PERLIT

37