Stopy żelaza z węglem - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Stopy żelaza z węglem - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 56 JW 4. STOPY ELAZA Z W!GLEM 4.1. Charakterystyka "elaza elazo jest pierwiastkiem metalicznym o temperaturze topnienia 1534°C i temperaturze wrzenia 3070°C. W przyrodzie wyst!puje g"ównie w postaci tlenków, w!glanów, 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 si! tzw. surówk!, b!d#c# stopem $elaza z w!glem, krzemem, manganem, siark#, fosforem, tlenem, azotem i in. ("#cznie do 10%). Surówka podlega dalszej przeróbce w plecach stalowniczych, podczas której utlenia si! znaczna cz!%& domieszek, tak $e w wi!kszo%ci przypadków "#czna ich ilo%& (nie licz#c w!gla) nie przekracza 1%. Otrzymany produkt nazywa si! stal# w!glow#. elazo wyst!puje w dwóch odmianach alotropowych: ! i ". elazo !, termodynamicznie trwale od niskich temperatur do temperatury 910°C oraz od temperatury 1390 do 1534°C, ma struktur! krystaliczn# o sieci regularnej przestrzennie centrowanej. Warto wspomnie&, $e wysokotemperaturow# odmian! $elaza ! cz!sto nazywa si! $elazem #. elazo ", termodynamicznie trwa"e w temperaturach 910 do 1390°C, ma struktur! krystaliczn# o sieci regularnej %ciennie centrowanej. G!sto%& $elaza ! w temperaturze 20°C wynosi 7,86 g/cm3, g!sto%& $elaza " w temperaturze 916°C - 8,05 g/cm 3 . Przemiany zachodz#ce w czystym $elazie podczas jego studzenia lub ogrzewania najlepiej omówi& pos"uguj#c si! krzyw# studzenia. Jak wida& na rys. 4.1, poza przystankiem w temperaturze 1534°C, zwi#zanym z krzepni!ciem $elaza, na krzywej wyst!puj# jeszcze trzy przystanki temperatury. Pierwszy z nich w temperaturze 1390°C odpowiada przemianie alotropowej $elaza ! w $elazo ". Drugi przystanek ma miejsce w temperaturze 910°C i odpowiada przemianie alotropowej $elaza " w $elazo !. Trzeci wreszcie, znacznie krótszy przystanek w temperaturze 768°C (punkt Curie) zwi#zany jest z przemian# magnetyczn# $elaza ! (poni$ej tej temperatury $elazo jest ferromagnetyczne, powy$ej — paramagnetyczne). Rys. 4.1. Krzywa studzenia $elaza Przemiany alotropowe s# zwi#zane z przebudow# struktury krystalicznej, co powoduje zmian! w"asno%ci fizycznych, chemicznych i mechanicznych. W efekcie powstaj# inne odmiany tego samego $elaza, nosz#ce nazw! odmian alotropowych. W przeciwie'stwie do tego, przy przemianie magnetycznej zmieniaj# si! jedynie niektóre w"asno%ci elektryczne, magnetyczne i cieplne, tak $e jest ona szczególnym rodzajem przemiany, zupe"nie ró$nym od alotropowej. docsity.com 57 JW 4.2. Uk#ad równowagi "elazo-cementyt Stopy $elaza z w!glem nale$# do najbardziej rozpowszechnionych stopów w technice. Mo$na je traktowa& pod wieloma wzgl!dami jako stopy dwusk"adnikowe, mimo $e zawieraj# one jeszcze zawsze niewielkie ilo%ci manganu, krzemu. siarki, fosforu i innych pierwiastków pochodz#cych z procesu metalurgicznego. W zwi#zku z tym struktury tych stopów w stanie zbli$onym do równowagi (a wi!c w stanie wy$arzonym zupe"nie) mo$na rozpatrywa& korzystaj#c z wykresu równowagi fazowej dwusk"adnikowego uk"adu $elazo-w!giel. Istniej# dwa rodzaje uk"adu $elazo-w!giel: uk ad stabilny i uk ad metastabilny (rys. 4.2). Pierwszy z nich przedstawia równowag! uk"adu $elazo-grafit, drugi — równowag! uk"adu $elazo-cementyt (w!glik $elaza Fe3C). Ze wzgl!dów praktycznych uk"ad metastabilny (z cementytem) jest rozpatrywany w zakresie zawarto%ci w!gla od 0% (czyste $elazo) do 6,6% (cementyt). Ten uk"ad ma zastosowanie przy analizowaniu przemian fazowych i struktur stali w!glowych. Rys. 4.2. Wykres równowagi uk"adu $elazo-w!giel; linie ci#g"e przedstawiaj# równowag! metastabiln# uk"adu $elazo-cementyt, linie przerywane — równowag! stabilnego uk"adu $elazo-grafit (wg Hansena,1958) Zgodnie z omawianym wykresem, za stale w!glowe uwa$a si! wszystkie stopi $elaza z w!glem zawieraj#ce 0,02-2,06% C, przy czym górna granica tego zakresu odpowiada maksymalnej rozpuszczalno%ci w!gla w $elazie ". Nale$y wyja%ni&, a stopy zawieraj#ce mniej ni$ 0,02% C nosz# nazw! $elaza technicznego, a stop o zawarto%ci w!gla wi!kszej od 2,06 - nazw! $eliw. Fazy wyst$puj%ce w uk#adzie "elazo-cementyt. Poniewa$ $elazo wyst!puje w dwóch odmianach alotropowych ! i ", a ponadto tworzy z w!glem roztwory sta"e i faz! mi!dzymetaliczn# Fe3C (cementyt), w uk"adzie równowagi $elazo-cementyt (zale$nie od temperatury i zawarto%ci w!gla) istniej# nast!puj#ce fazy ferryt, austenit, cementyt i ciek"y roztwór w!gla w $elazie. Na rysunku 4.2 W poszczególnych polach wykresu oznaczono nast!puj#ce fazy (L — roztwór ciek"y w!gla w $elazie, ! — ferryt, " — austenit oraz Fe3C). Wykres uk"adu równowagi $elazo-cementyt mo$na podzieli& na dwa obszary: a) obszar docsity.com 60 JW Rys. 4.3. Wykres równowagi uk"adu $elazo-cementyt z oznaczonymi sk"adnikami strukturalnymi Cementyt jako oddzielny sk"adnik strukturalny wyst!puje w stopach uk"adu Fe-Fe3C w postaci cementytu pierwszorz!dowego (pierwotnego), cementytu drugorz!dowego (wtórnego) b#d( cementytu trzeciorz!dowego. Cementyt pierwszorz!dowy krystalizuje w stopach zawieraj#cych ponad 4,3% C, na skutek zmniejszaj#cej si! ze spadkiem temperatury rozpuszczalno%ci w!gla w ciek"ym $elazie (zgodnie z lini# CD - rys. 4.3). Wyst!puje on w strukturach wysokow!glowych $eliw bia"ych w postaci grubych igie", widocznych zwykle ju$ pod niewielkim powi!kszeniem. Cementyt wtórny wydziela si! z austenitu na skutek zmniejszaj#cej si! ze spadkiem temperatury rozpuszczalno%ci w!gla w $elazie " (zgodnie z lini# ES -rys. 4.3). Jako oddzielny sk"adnik strukturalny, cementyt wtórny wyst!puje w stalach o zawarto%ci w!gla przekraczaj#cej 0,8% i zwykle ma posta& siatki otaczaj#cej poszczególne ziarna. Cementyt trzeciorz!dowy wydziela si! z ferrytu na skutek zmniejszaj#cej si! ze spadkiem temperatury rozpuszczalno%ci w!gla w $elazie ! (zgodnie z lini# PQ -rys. 4.3). Jako oddzielny sk"adnik strukturalny mo$e by& wyra(nie zaobserwowany w strukturze stali o niewielkiej zawarto%ci w!gla, zwykle w postaci wydziele' na granicy ziaren ferrytu. Perlit jest eutektoidaln# mieszanin# dwóch faz: ferrytu i cementytu, zawieraj#c# 0,8% w!gla i tworz#c# si! w temperaturze 723°C zgodnie z przemian#: "S $ !P + Fe3C. Dla %cis"o%ci nale$y doda&, $e przy och"adzaniu perlitu od temperatury 723°C do temperatury otoczenia, z ferrytu zawartego w perlicie wydziela si! jeszcze pewna ilo%& cementytu trzeciorz!dowego (zazwyczaj pomijanego z powodu nieznacznej jego ilo%ci). Perlit obserwowany pod dostatecznie du$ym powi!kszeniem charakteryzuje si! budow# pasemkow#, gdy$ sk"ada si! z p"ytek ferrytu i cementytu u"o$onych na przemian. Odleg"o%ci mi!dzy p"ytkami zmniejszaj# si! ze wzrostem szybko%ci ch"odzenia i jednocze%nie nast!puje wzrost twardo%ci struktury. Pod mikroskopem, po wytrawieniu zg"adu, ziarno perlitu1 jest ciemne, jakkolwiek obydwa sk"adniki perlitu - ferryt i cementyt obserwowane oddzielnie maj# jasne zabarwienie. Ciemne zabarwienie ziarna perlitu wi#$e si! z jego budow# p"ytkow# i sposobem o%wietlenia próbki pod mikroskopem (obserwacja w %wietle odbitym). Po wytrawieniu zg"adu, bardziej odporne chemicznie p"ytki cementytu wystaj# ponad p"ytki ferrytu, a strumie' %wietlny padaj#cy na tak# powierzchni! ulega cz!%ciowemu rozproszeniu. W wyniku tego ogl#dane pod mikroskopem docsity.com 61 JW ziarno perlitu ma zabarwienie ciemne. W"asno%ci mechaniczne perlitu wynosz# w przybli$eniu: HB = 220 % 260, Rm =700 % 800 MPa, A10 ~ 7% i KCU2 = 40 J/cm Dodatek sk"adników stopowych na ogó" przesuwa punkt eutektoidalny w kierunku mniejszych zawarto%ci w!gla, obni$a lub podwy$sza temperatur! przemiany eutektoidalnej oraz wp"ywa na wzrost w"asno%ci wytrzyma"o%ciowych. Ledeburyt jest eutektyk# o zawarto%ci 4,3% C, tworz#c# si! z roztworu ciek"ego LC w temperaturze 1147°C, zgodnie z przemian#: LC $ "E + Fe3C. W temperaturze powstania ledeburyt jest, wi!c mieszanin# eutektyczn# dwóch faz: austenitu (zawieraj#cego 2,06% C) i cementytu. W miar! obni$ania si! temperatury do 723°C, z austenitu wydziela si! cementyt wtórny. W temperaturze 723°C austenit przemienia si! w perlit i przy dalszym obni$aniu temperatury z ferrytu zawartego w perlicie wydziela si! niewielka ilo%& cementytu trzeciorz!dowego. W zwi#zku z tym, poni$ej temperatury 723°C, ledeburyt stanowi ju$ mieszanin! perlitu i cementytu. Struktura taka nosi nazw! ledeburytu przemienionego. Ledeburyt przemieniony jest, wi!c charakterystycznym sk"adnikiem strukturalnym $eliw bia"ych. 4.3. Struktury stali w$glowych W temperaturze otoczenia, w zale$no%ci od zawarto%ci w!gla, struktury stali w!glowych s# nast!puj#ce: Przy zawarto ci w!gla teoretycznie nie przekraczaj"cej 0,008%, wyst!puje struktura ferrytyczna (rys. 4.4). Przy zawarto ci w!gla 0,008-0,02%, na granicach ziarn ferrytu pojawiaj" si! wydzielenia cementytu trzeciorz!dowego. Jak ju# wspomniano, takie stopy nazywane s" zwykle #elazem technicznym. Stale o zawarto ci do 0,8% C nosz" nazw! stali podeutektoidalnych. Ich struktura sk$ada si! z dwóch sk$adników, a mianowicie ferrytu i perlitu, przy czym w miar! wzrostu zawarto ci w!gla w stali wzrasta zawarto % perlitu w strukturze (rys. 4.5-4.7). Stal o zawarto ci 0,8% w!gla ma struktur! perlityczn" (rys. 4.8) i nosi nazw! stali eutektoidalnej. Stale o zawarto ci 0,8-2,06% w!gla nazywaj" si! stalami nadeutektoidalnymi i maj" struktur! sk$adaj"c" si! z perlitu i cementytu wtórnego. W miar! wzrostu zawarto ci w!gla, wzrasta ilo % cementytu w strukturze (rys. 4.9 i 4.10). Teoretycznie maksymalna zawarto % cementytu wtórnego wyst!puje w stali o granicznej zawarto ci w!gla 2,06% i wynosi wtedy oko$o 20%. Rozpatruj"c w$asno ci mechaniczne stali w!glowych mo#na stwierdzi%, #e najni#sz" wytrzyma$o % i najwy#sz" plastyczno % w temperaturze pokojowej ma stal o strukturze ferrytycznej. W miar! wzrostu zawarto ci w!gla, a wi!c równie# wzrostu zawarto ci perlitu w strukturze, ro nie wytrzyma$o % i twardo % stali, przy jednoczesnym obni#aniu si! plastyczno ci. Maksymaln" wytrzyma$o % (w stanie wy#arzonym) ma stal eutektoidalna (0,8% C). Dalszy wzrost zawarto ci w!gla powoduje podwy#szanie twardo ci, gdy# w strukturze pojawia si! cementyt wtórny, równocze nie jednak maleje efektywna wytrzyma$o % stali, poniewa# staje si! ona ma$o plastyczna. Struktura stali wykazuje cz!sto charakterystyczn" pasmowo %, która jest wynikiem obróbki plastycznej na gor"co. Oprócz omówionych wy#ej sk$adników strukturalnych, w ka#dej stali wyst!puj" ponadto ró#nego typu wtr"cenia niemetaliczne, omówione ju# w rozdz. 3. Pod wzgl!dem wielko ci wtr"cenia te dzieli si! na podmikroskopowe, mikroskopowe i makroskopowe. Oznaczanie wtr"ce& niemetalicznych w stali polega na obserwacji mikroskopowej (pod powi!kszeniem 90-ll0x) powierzchni odpowiednio reprezentatywnie pobranych i przygotowanych próbek i okre leniu rodzaju, kszta$tu, ilo ci, wielko ci i rozmieszczenia 1 W przypadku perlitu, za ziarno umownie uwa#a si! nie pojedynczy krystalit jednofazowy, lecz zespó$ naprzemianleg$ych p$ytek cementytu i ferrytu. docsity.com 62 JW wtr"ce& przez porównanie z ustalonymi wzorcami. Sk$ad chemiczny i sk$ad fazowy wtr"ce& niemetalicznych mo#na okre la% za pomoc" mikrosondy elektronowej. Rys. 4.5. Struktura ferrytyczna z niewielk" Rys. 4.6. Struktura ferrytyczno-perlityczna ilo ci" perlitu (stal o zawarto ci 0,05% C), (stal o zawarto ci 0,21% C). Traw. 5% Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3 roztworem alkoholowym HNO3. Powi!ksz. 100x····· . 100Powi!ksz. 100x Rys. 4.7. Struktura perlityczna z siatk" ferrytu Rys. 4.8. Struktura perlityczna (stal o (stal o zawarto ci 0.52% C). Traw. 5% zawarto ci 0,8% C). Traw. 5% roztworem alkoholowym HNO3. 100x roztworem alkoholowym HNO3.100x Rys. 4.9. Struktura perlityczna z siatk" ce- Rys. 4.10. Struktura perlityczna z siatk" mentytu (stal o zawarto ci ok. 1,2% C), i ig$ami cementytu (stal naw!glona do za- Traw. 5% roztworem alkoholowym HNC3. warto ci ok. 1,4%C). Traw. 5% roztworem Powi!ksz. 500x alkoholowym HN03. Powi!ksz. 100x Dok$adny sposób mikroskopowego oznaczania zanieczyszczenia stali wtr"ceniami niemetalicznymi podaje PN-64/H-04510, która zawiera równie# tablic! wzorców ka#dego typu wtr"ce&: tlenków u$o#onych $a&cuszkowo, tlenków u$o#onych punktowo, krzemianów kruchych, krzemianów plastycznych, krzemianów i tlenków nieodkszta$calnych (globulamych), siarczków, azotków tytanu i azotków aluminium. Kilka przyk$adów wtr"ce& niemetalicznych wyst!puj"cych w stalach podano na rys. 3.22-3.24 (rozdz. 3). docsity.com