Pobierz 3. Stopy żelaza z węglem i więcej Ćwiczenia w PDF z Materiałoznawstwo tylko na Docsity!
3. Stopy żelaza z węglem
3.1. Charakterystyka żelaza Żelazo jest pierwiastkiem metalicznym o temperaturze topnienia 1534°C i temperaturze wrzenia 3070°C. W przyrodzie występuje głównie w postaci tlenków, węglanów, wodorotlenków i siarczków, jako magnetyt (Fe 3 O 4 ), hematyt (Fe 2 O 3 ), syderyt (FeCO 3 ,), limonit (2Fe 2 O 3 -3H 2 O) i piryt (FeS 2 ). Z rud tlenkowych w redukcyjnym procesie hutniczym w wielkim piecu otrzymuje się tzw. surówkę, będącą stopem żelaza z węglem, krzemem, manganem, siarką, fosforem, tlenem, azotem i in. (łącznie do 10%). Surówka podlega dalszej przeróbce w plecach stalowniczych, podczas której utlenia się znaczna część domieszek, tak że w większości przypadków łączna ich ilość (nie licząc węgla) nie przekracza 1%. Otrzymany produkt nazywa się stalą węglową. Żelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych: α i γ. Żelazo α, termodynamicznie trwałe od niskich temperatur do temperatury 910°C oraz od temperatury 1390 do 1534°C, ma strukturę krystaliczną o sieci regularnej przestrzennie centrowanej. Warto wspomnieć, że wysokotemperaturową odmianę żelaza α często nazywa się żelazem δ. Żelazo γ, termodynamicznie trwałe w temperaturach 910 do 1390°C, ma strukturę krystaliczną o sieci regularnej ściennie centrowanej. Gęstość żelaza α w temperaturze 20°C wynosi 7,86 g/cm^3 , gęstość żelaza γ w temperaturze 916°C
- 8,05 g/cm^3. Przemiany zachodzące w czystym żelazie podczas jego studzenia lub ogrzewania najlepiej omówić posługując się krzywą studzenia. Jak widać na rys. 3.1, poza przystankiem w temperaturze 1534°C, związanym z krzepnięciem żelaza, na krzywej występują jeszcze trzy przystanki temperatury. Pierwszy z nich w temperaturze 1390°C odpowiada przemianie alotropowej żelaza α w żelazo γ. Drugi przystanek ma miejsce w temperaturze 910°C i odpowiada przemianie alotropowej żelaza γ w żelazo α. Trzeci wreszcie, znacznie krótszy przystanek w temperaturze 768°C (punkt Curie) związany jest z przemianą magnetyczną żelaza α (poniżej tej temperatury żelazo jest ferromagnetyczne, powyżej — paramagnetyczne).
Rysunek 3.1. Krzywa studzenia żelaza
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.
Układ równowagi żelazo-cementyt
Stopy żelaza z węglem należą do najbardziej rozpowszechnionych stopów w technice. Można je traktować pod wieloma względami jako stopy dwuskładnikowe, mimo że zawierają one jeszcze zawsze niewielkie ilości manganu, krzemu. siarki, fosforu i innych pierwiastków pochodzących z procesu metalurgicznego. W związku z tym struktury tych stopów w stanie zbliżonym do równowagi (a więc w stanie wyżarzonym zupełnie) można rozpatrywać korzystając z wykresu równowagi fazowej dwuskładnikowego układu na żelazo-węgiel Istnieją dwa rodzaje układu żelazo-węgiel: układ stabilny i układ metastabilny (rys. 3.2). Pierwszy z nich przedstawia równowagę układu żelazo-grafit, drugi — równowagę (rys. 3.2). układu żelazo- cementyt (węglik żelaza Fe 3 C). Ze względów praktycznych drugi — układ metastabilny (z cementytem) jest rozpatrywany w zakresie zawartości węgla od 0% (czyste żelazo) do 6,6% (cementyt). Ten układ ma zastosowanie przy analizowaniu przemian fazowych i struktur stali węglowych.
Rysunek 3.2. Wykres równowagi układu żelazo-węgiel; linie ciągłe przedstawiają równowagę metastabilną układu żelazo-cementyt, linie przerywane - równowagę stabilnego układu żelazo-grafit (wg Hansena, 1958)
Zgodnie z omawianym wykresem, za stale węglowe uważa się wszystkie stopi żelaza z węglem zawierające 0,02-2,06% C, przy czym górna granica tego zakresu odpowiada maksymalnej rozpuszczalności węgla w żelazie γ. Należy wyjaśnić, a stopy zawierające mniej niż 0,02% C noszą nazwę żelaza technicznego, a stop o zawartości węgla większej od 2,06 - nazwę żeliw.
Fazy występujące w układzie żelazo-cementyt. Ponieważ żelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych α i γ, a ponadto tworzy z węglem roztwory stałe i fazę międzymetaliczną Fe 3 C (cementyt), w układzie równowagi żelazo-cementyt (zależnie od temperatury i zawartości węgla) istnieją następujące fazy ferryt, austenit, cementyt i ciekły roztwór węgla w żelazie. Na rysunku 3. w poszczególnych polach wykresu oznaczono następujące fazy (L — roztwór ciekły węgla w żelazie, α — ferryt, γ — austenit oraz Fe 3 C). Wykres układu równowagi żelazo-cementyt można podzielić na dwa obszary:
Mikrostruktura metalu lub stopu jest przedmiotem badań metalograficznych, które przeprowadza się na odpowiednio przygotowanych powierzchniach próbek. Przygotowanie polega na wyszlifowaniu i wypolerowaniu (mechanicznym lub elektrolitycznym) wybranych powierzchni próbek, (dzięki czemu otrzymuje się tzw. zgład metalograficzny) i następnie wytrawieniu tej powierzchni odpowiednio dobranym odczynnikiem, chemicznie lub elektrolitycznie. Podczas wytrawiania zgładu odczynnik działa zwykle silniej na granice niż na powierzchnię ziarn jednej fazy lub różnych faz. Po dłuższym trawieniu poszczególne ziarna danej fazy zostają zaatakowane w różnym stopniu, zależnie od ich orientacji krystalograficznej i dlatego przybierają różne zabarwienie. Na ogół wskutek trawienia na powierzchni zgładu wytwarza się delikatny relief, pozostający po wypłukaniu produktów reakcji chemicznych zachodzących podczas trawienia. Do trawienia stali węglowych i żeliw najczęściej stosuje się 1-5% roztwór HNO 3 w alkoholu etylowym. Stale o większej zawartości węgla oraz żeliwa można wytrawiać również 4% alkoholowym roztworem kwasu pikrynowego. Inny rodzaj trawienia, stosowany rzadziej, ma na celu wytworzenie na powierzchni określonej fazy nalotu umożliwiającego jej identyfikację. Jako przykład można podać trawienie niektórych stali i żeliw we wrzącym alkalicznym roztworze pikrynianu sodu, podczas którego na cementycie tworzy się ciemna warstewka, umożliwiająca odróżnienie go od ferrytu. Oprócz trawienia chemicznego, niekiedy stosuje się również trawienie elektrolityczne. W stopach układu żelazo-cementyt, zależnie od zawartości węgla i od temperatury, mogą występować następujące strukturalne składniki jednofazowe: ferryt, austenit i cementyt, oraz składniki dwufazowe: perlit i ledeburyt. Na rysunku 3.3 podano wykres równowagi układu żelazo-cementyt z oznaczonymi składnikami strukturalnymi. Ferryt jako składnik strukturalny stopów technicznych na osnowie żelaza ma zwykle budowę komórkową, której granice ziarn ujawnia się poprzez trawienie (rys. 3.4). Dłuższe trawienie nadaje poszczególnym ziarnom różne zabarwienie, zależnie od ich orientacji krystalograficznej. Czasem ferryt może mieć budowę iglastą (np. w strukturach spoin).
Rysunek 3.4. Struktura ferrytyczna (żelazo techniczne o zawartości 0,007 %C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO 3. Powiększ. 100x
Austenit w stalach węglowych istnieje w stanie równowagi tylko w wysokich temperaturach. Może, więc być badany metalograficznie jedynie za pomocą mikroskopu próżniowego, wyposażonego w urządzenie do obserwacji na gorąco. Zwyczajną techniką mikroskopową bada się austenit tylko w tych stalach stopowych, w których jest on trwały również w temperaturze otoczenia. Strukturę austenityczna ujawnia się silnie działającymi odczynnikami, np. roztworem FeCl 3 i HCl lub trawieniem elektrolitycznym, np. roztworem kwasu szczawiowego. Austenit ma również strukturę komórkową, zwykle bardziej regularną niż ferryt. Charakterystyczne dla struktury austenitu jest dość liczne na ogół występowanie rekrystalizacyjnych kryształów bliźniaczych.
Rysunek 3.3. Wykres równowagi układu żelazo-cementyt z oznaczonymi składnikami strukturalnymi
Cementyt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stopach układu Fe-Fe 3 C w postaci cementytu pierwszorzędowego (pierwotnego), cementytu drugorzędowego (wtórnego) bądź cementytu trzeciorzędowego. Cementyt pierwszorzędowy krystalizuje w stopach zawierających ponad 4,3% C, na skutek zmniejszającej się ze spadkiem temperatury rozpuszczalności węgla w ciekłym żelazie (zgodnie z linią CD - rys. 3.3). Występuje on w strukturach wysokowęglowych żeliw białych w postaci grubych igieł, widocznych zwykle już pod niewielkim powiększeniem. Cementyt wtórny wydziela się z austenitu na skutek zmniejszającej się ze spadkiem temperatury rozpuszczalności węgla w żelazie γ (zgodnie z linią ES - rys. 3.3). Jako oddzielny składnik strukturalny, cementyt wtórny występuje w stalach o zawartości węgla przekraczającej 0,8% i zwykle ma postać siatki otaczającej poszczególne ziarna. Cementyt trzeciorzędowy wydziela się z ferrytu na skutek zmniejszającej się ze spadkiem temperatury rozpuszczalności węgla w żelazie α (zgodnie z linią PQ - rys. 3.3). Jako oddzielny składnik strukturalny może być wyraźnie zaobserwowany w strukturze stali o niewielkiej zawartości węgla, zwykle w postaci wydzieleń na granicy ziaren ferrytu. Perlit jest eutektoidalną mieszaniną dwóch faz: ferrytu i cementytu, zawierającą 0,8% węgla i tworzącą się w temperaturze 723°C zgodnie z przemianą: γs → αp + Fe 3 C. 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. Pod mikroskopem, po wytrawieniu zgładu, ziarno perlitu jest ciemne, jakkolwiek obydwa składniki perlitu - ferryt i cementyt obserwowane oddzielnie mają jasne zabarwienie. Ciemne zabarwienie ziarna perlitu wiąże się z jego budową płytkową i sposobem oświetlenia próbki pod mikroskopem (obserwacja w świetle odbitym). Po wytrawieniu zgładu, bardziej odporne chemicznie płytki cementytu wystają ponad płytki ferrytu, a strumień świetlny padający na taką powierzchnię ulega częściowemu rozproszeniu. W wyniku tego oglądane pod mikroskopem ziarno perlitu ma zabarwienie ciemne.
Dokładny sposób mikroskopowego oznaczania zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi podaje PN-64/H-04510, która zawiera również tablicę wzorców każdego typu wtrąceń: tlenków ułożonych łańcuszkowo, tlenków ułożonych punktowo, krzemianów kruchych, krzemianów plastycznych, krzemianów i tlenków nieodkształcalnych (globularnych), siarczków, azotków tytanu i azotków aluminium.
Rysunek 3.5. Struktura ferrytyczna z niewielką ilością perlitu (stal o zawartości 0,05% C), Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO 3 Powiększenie 100x
Rysunek 3.6. Struktura ferrytyczno-perlityczna (stal o zawartości 0,21% C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO 3. Powiększenie 100x
Rysunek 3.7. Struktura perlityczna z siatką ferrytu (stal o zawartości 0,52% C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO 3. Powiększenie 100x
Rysunek 3.8. Struktura perlityczna (stal o zawartości 0,8% C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO 3. Powiększenie 100x
Rysunek 3.9. Struktura perlityczna z siatką cementytu (stal o zawartości ok. 1,2% C), Traw. 5% roztworem alkoholowym HNC 3. Powiększenie 500x
Rysunek 3.10. Struktura perlityczna z siatką i igłami cementytu (stal nawęglona do zawartości ok. 1,4%C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HN0 3. Powiększenie 100x
