Stop żelaza z węglem

Stop żelaza z węglem – stopy, w których węgiel rozpuszczany jest w żelazie. Węgiel może występować w nich w postaci węgla czystego – grafitu, roztworu stałego w sieci krystalicznej ferrytu lub austenitu albo jako węglik żelaza, np. Fe3C, zwanego cementytem[1][2].

Stopy zawierające poniżej 2,11% (według norm polskich, zaś europejskich 1,75%) węgla to stale lub staliwo, a powyżej tej zawartości to żeliwo.

Wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza z węglem przybiera odmienne formy:

  • przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane ferrytem,
  • przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu,
  • przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu,
  • stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu,
  • stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% (żeliwo), są mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3% węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także wystąpić grafit,
  • przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 727 °C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.

Wykres równowagi układu żelazo-węgiel – jest to wykres fazowy węgla w stopie z żelazem. Pierwszą, najczęściej wykorzystywaną i omawianą część wykresu nazywa się także wykresem żelazo – cementyt. Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką strukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Przy, na przykład, szybkim chłodzeniu stop może zachowywać się w inny sposób (na przykład granica rozpuszczalności węgla w ferrycie wzrasta wraz z wielkością przechłodzenia).

Należy zaznaczyć, że jest to tylko fragment wykresu równowagi układu żelazo-węgiel (zwany wykresem żelazo-cementyt), zawarty pomiędzy 0% a 6,69% (czasem mówi się 6,67%) węgla. Nazwa pochodzi od nazwy faz na granicach wykresu – z lewej jest żelazo (Fe), a z prawej cementyt (Fe3C). Jest on najbardziej istotny ze względów praktycznych, gdyż większe stężenie węgla powoduje zbyt dużą kruchość stopu.

Wykres równowagi stabilnego układu żelazo-węgiel i metastabilnego żelazo-cementyt

Charakterystyczne punkty wykresu.

Układ metastabilnyżelazo – cementytUkład stabilnyżelazo – węgiel
Punktstężenie węglaprzy temp.Punktstężenie węglaprzy temp.
A0% C1538 °CA0% C1538 °C
H0,09% C1495 °CH0,09% C1495 °C
J0,17% C1495 °CJ0,17% C1495 °C
B0,53% C1495 °CB0,53% C1495 °C
N0% C1394 °CN0% C1394 °C
D6,67% C1227 °CD′∞(?)% C∞(?) °C
C4,3% C1148 °CC′4,26% C1154 °C
E2,11% C1148 °CE′2,08% C1154 °C
F6,67% C1148 °CF′6,67% C1154 °C
G0% C912 °CG0% C912 °C
M0,0168% C770 °CM0,0168% C770 °C
O0,45% C770 °CO0,45% C770 °C
P0,0218% C727 °CP′0,0205% C738 °C
S0,77% C727 °CS′0,68% C738 °C
K6,67% C727 °CK′6,67% C738 °C
Q0,008% C20 °CQ0,008% C20 °C

Charakterystyczne linie wykresu.

liniastan skupieniaprzemianaopis
ABLikwidusPoczątek wydzielania fazy α(δ)Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania fazy α(δ)
BCLikwidusPoczątek wydzielania fazy γOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania fazy γ
CDLikwidusPoczątek wydzielania cementytu pierwotnego z roztworu ciekłegoOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania cementytu
AHSolidusKoniec krzepnięcia fazy α(δ)Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w kryształach fazy α(δ)
HJBLinia przemiany perytektycznejciecz (B) + roztwór α(δ)(H)CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór γ (J)
JESolidusKoniec krzepnięcia fazy γOdpowiada stężeniu węgla w kryształach roztworu γ
ECFLinia przemiany eutektycznejciecz (C) CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór γ (E) + cementyt (F)
HNPoczątek przemiany alotropowej roztworu α(δ) w wyniku tworzenia się kryształów roztworu γ
JNKoniec przemiany roztworu α(δ) w roztwór γOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ w wyniku przemiany α(δ) w γ oraz γ w α(δ)
ESPoczątek wydzielania cementytu wtórnego w roztworze stałymOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ
GOSPoczątek przemiany alotropowej roztworu γ w roztwór αOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ w wyniku tworzenia się kryształów roztworu α
MOLinia przemiany magnetycznejroztwór paramagnetyczny CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór α ferromagnetyczny
GMPKoniec przemiany alotropowej roztworu γ w roztwór αOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze α
PSKLinia przemiany eutektoidalnejroztwór γ (S) CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór α (P) + cementyt (K)
PQPoczątek wydzielania cementytu trzeciorzędowegoOdpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze α

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ Encyklopedia techniki. T. Metalurgia. Katowice: Wydawnictwo „Śląsk”, 1978, s. 459. (pol.)
  2. ↑ Materiały dydaktyczne Politechniki Szczecińskiej Struktury stopów według układu równowagi żelazo – węgiel (pol.). W: Przedmiot: Podstawy nauki o materiałach II (Tworzywa Metaliczne) [on-line]. Politechnika Szczecińska, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa. [dostęp 2016-03-15].; bibliografia: St. Rudnik: Metaloznawstwo. Warszawa: PWN, 1996. (pol.), St. Prowans: Materiałoznawstwo. Warszawa: PWN, 1997. (pol.), K. Przybyłowicz: Metaloznawstwo. Warszawa: WNT, 1996. (pol.), K. Wesołowski: Metaloznawstwo i obróbka cieplna. Warszawa: WNT, 1981. (pol.)

Media użyte na tej stronie

Wykres Fe-C.jpg
Autor: Orio, Licencja: CC BY 3.0
Wykres równowagi układu żelazo-węgiel