Stopy miedzi - Notatki - Materiałoznastwo - Część 4, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Stopy miedzi - Notatki - Materiałoznastwo - Część 4 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 56 JW 4. STOPY ŻELAZA Z WĘGLEM 4.1. 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 (Fe3O4), hematyt (Fe2O3), syderyt (FeCO3,), limonit (2Fe2O3⋅3H2O) i piryt (FeS2). 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 trwale 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/cm3, gęstość żelaza γ w temperaturze 916°C - 8,05 g/cm3. Przemiany zachodzące w czystym żelazie podczas jego studzenia lub ogrzewania najlepiej omówić posługując się krzywą studzenia. Jak widać na rys. 4.1, 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). Rys. 4.1. 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. docsity.com 57 JW 4.2. 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 żelazo-węgiel. Istnieją dwa rodzaje układu żelazo-węgiel: układ stabilny i układ metastabilny (rys. 4.2). Pierwszy z nich przedstawia równowagę układu żelazo-grafit, drugi — równowagę układu żelazo-cementyt (węglik żelaza Fe3C). Ze względów praktycznych 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. Rys. 4.2. 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 Fe3C (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 4.2 W poszczególnych polach wykresu oznaczono następujące fazy (L — roztwór ciekły węgla w żelazie, α — ferryt, γ — austenit oraz Fe3C). Wykres układu równowagi żelazo-cementyt można podzielić na dwa obszary: a) obszar docsity.com 60 JW Rys. 4.3. Wykres równowagi układu żelazo-cementyt z oznaczonymi składnikami strukturalnymi Cementyt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stopach układu Fe-Fe3C 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. 4.3). 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. 4.3). 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. 4.3). 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 + 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. Pod mikroskopem, po wytrawieniu zgładu, ziarno perlitu1 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 docsity.com 61 JW ziarno perlitu ma zabarwienie ciemne. Własności mechaniczne perlitu wynoszą w przybliżeniu: HB = 220 ÷ 260, Rm =700 ÷ 800 MPa, A10 ~ 7% i KCU2 = 40 J/cm Dodatek składników stopowych na ogół przesuwa punkt eutektoidalny w kierunku mniejszych zawartości węgla, obniża lub podwyższa temperaturę przemiany eutektoidalnej oraz wpływa na wzrost własności wytrzymałościowych. Ledeburyt jest eutektyką o zawartości 4,3% C, tworzącą się z roztworu ciekłego LC w temperaturze 1147°C, zgodnie z przemianą: LC → γE + 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. Ledeburyt przemieniony jest, więc charakterystycznym składnikiem strukturalnym żeliw białych. 4.3. Struktury stali węglowych W temperaturze otoczenia, w zależności od zawartości węgla, struktury stali węglowych są następujące: Przy zawartości węgla teoretycznie nie przekraczającej 0,008%, występuje struktura ferrytyczna (rys. 4.4). Przy zawartości węgla 0,008-0,02%, na granicach ziarn ferrytu pojawiają się wydzielenia cementytu trzeciorzędowego. Jak już wspomniano, takie stopy nazywane są zwykle żelazem technicznym. Stale o zawartości do 0,8% C noszą nazwę stali podeutektoidalnych. 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 (rys. 4.5-4.7). Stal o zawartości 0,8% węgla ma strukturę perlityczną (rys. 4.8) i nosi nazwę stali eutektoidalnej. Stale o zawartości 0,8-2,06% węgla nazywają się stalami nadeutektoidalnymi i mają strukturę składającą się z perlitu i cementytu wtórnego. W miarę wzrostu zawartości węgla, wzrasta ilość cementytu w strukturze (rys. 4.9 i 4.10). Teoretycznie maksymalna zawartość cementytu wtórnego występuje w stali o granicznej zawartości węgla 2,06% i wynosi wtedy około 20%. Rozpatrując własności mechaniczne stali węglowych można stwierdzić, że najniższą wytrzymałość i najwyższą plastyczność w temperaturze pokojowej ma stal o strukturze ferrytycznej. W miarę wzrostu zawartości węgla, a więc również wzrostu zawartości perlitu w strukturze, rośnie wytrzymałość i twardość stali, przy jednoczesnym obniżaniu się plastyczności. Maksymalną wytrzymałość (w stanie wyżarzonym) ma stal eutektoidalna (0,8% C). 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. Struktura stali wykazuje często charakterystyczną pasmowość, która jest wynikiem obróbki plastycznej na gorąco. Oprócz omówionych wyżej składników strukturalnych, w każdej stali występują ponadto różnego typu wtrącenia niemetaliczne, omówione już w rozdz. 3. Pod względem wielkości wtrącenia te dzieli się na podmikroskopowe, mikroskopowe i makroskopowe. Oznaczanie wtrąceń niemetalicznych w stali polega na obserwacji mikroskopowej (pod powiększeniem 90-ll0x) powierzchni odpowiednio reprezentatywnie pobranych i przygotowanych próbek i określeniu rodzaju, kształtu, ilości, wielkości i rozmieszczenia 1 W przypadku perlitu, za ziarno umownie uważa się nie pojedynczy krystalit jednofazowy, lecz zespół naprzemianległych płytek cementytu i ferrytu. docsity.com 62 JW wtrąceń przez porównanie z ustalonymi wzorcami. Skład chemiczny i skład fazowy wtrąceń niemetalicznych można określać za pomocą mikrosondy elektronowej. Rys. 4.5. Struktura ferrytyczna z niewielką Rys. 4.6. Struktura ferrytyczno-perlityczna ilością perlitu (stal o zawartości 0,05% C), (stal o zawartości 0,21% C). Traw. 5% Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3 roztworem alkoholowym HNO3. Powiększ. 100x····· . 100Powiększ. 100x Rys. 4.7. Struktura perlityczna z siatką ferrytu Rys. 4.8. Struktura perlityczna (stal o (stal o zawartości 0.52% C). Traw. 5% zawartości 0,8% C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. 100x roztworem alkoholowym HNO3.100x Rys. 4.9. Struktura perlityczna z siatką ce- Rys. 4.10. Struktura perlityczna z siatką mentytu (stal o zawartości ok. 1,2% C), i igłami cementytu (stal nawęglona do za- Traw. 5% roztworem alkoholowym HNC3. wartości ok. 1,4%C). Traw. 5% roztworem Powiększ. 500x alkoholowym HN03. Powiększ. 100x 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 (globulamych), siarczków, azotków tytanu i azotków aluminium. Kilka przykładów wtrąceń niemetalicznych występujących w stalach podano na rys. 3.22-3.24 (rozdz. 3). docsity.com