I.                   Opis teoretyczny:

Układ żelazo – węgiel:

Przechodził on długą ewolucję od najprostszych postaci zaproponowanej przez Czernowa (1866r), który nazwał ją punktami krytycznymi, aż do postaci współczesnej Chippmana .

Wykres ten ma dwie wersje:

-          metastabilną – (żelazo –cementyt) wykreślona linią ciągłą na układzie;

-          stabilną - (żelazo-grafit) linia przerywana na układzie;

Wykres żelazo-cementyt odzwierciedla równowagę fazową w stalach i surówkach białych (żeliwach), w których nie występuje grafit, podczas gdy układ żelazo-grafit opisuje równowagę w stopach z grafitem .

          Przez nazwę żelazo rozumie się chemicznie lub technicznie czysty metal (Fe)  o bardzo małej zawartości innych składników. Do odmian żelaza technicznego zalicza się:

-          żelazo chemicznie czyste, zawierające około 0,007% domieszek,

-          żelazo elektrolityczne, zawierające około 0,02% domieszek,

-          żelazo karbonylkowe o zawartości ok. 0,03% domieszek,

-          żelazo armco o zawartości 0,1 – 0,2% domieszek

Właściwości czystego żelaza w zależności od jego czystości wahają się w następujących granicach:

-          wytrzymałość na rozciąganie 180 – 280 MPa,

-          granica plastyczności 90 – 200 MPa,

-          wydłużenie 30 – 50 %,

-          przewężenie 70 – 80 %,

-          udarność 180 – 280 J/cm2,

-          twardość HB 45 – 80.

Jak widać, technicznie żelazo jest metalem miękkim o dużej plastyczności. Z tego względu nie znajduje ono szerszego zastosowania w technice jako materiał konstrukcyjny. W technice żelazo znajduje zastosowanie głównie w postaci stopów z węglem, które w zależności od zawartości węgla nazywamy stalami lub żeliwami (surówkami). Stopy te poza żelazem i węglem zawierają jeszcze niewielkie ilości domieszek pochodzących z procesów metalurgicznych, a także mogą mieć pewne dodatki stopowe celowo wprowadzane dla uzyskania pożądanych właściwości

Fazy i składniki strukturalne stopów żelazo – węgiel:

Ferryt – roztwór stały, międzywęzłowy węgiel  w Fe-a. Ze względu na małą zawartość węgla własności niewiele różnią się od Fe-a, Rm.=300 MPa, 80HB. Na zgładach krystalograficznych widoczny jako jasny składnik.

Austenit- roztwór stały, międzywęzłowy w Fe-g o max rozpuszczalności węgla 2,11%.
W zgładach występuje jako składnik z charakterystycznymi prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

Perlit – jest eutektoidem o zawartości 0,77%C jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu. Pod mikroskopem po trawieniu Nitalem perlit przybiera wygląd szarych perlistych obszarów. Przy większych powiększeniach widoczna jest wyraźna płytkowa budowa.

Ledeburyt – jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Cechuje się dużą twardością ok. 450 HB i kruchością

Cementyt – jest węglikiem żelaza Fe3C o strukturze rombowej. W stopach żelaza występuje w postaci cementytu wtórnego, pierwotnego, trzeciorzędowego lub jako składnik eutektyki ledeburytu albo eutektoidu (perlitu). Jest bardzo twardy 700 HB i zarazem kruchy.
Po trawieniu Nitalem przyjmuje postać jasnych wydzieleń o różnych kształtach płytkowych lub kulistych (sferoidalnych), widoczny jest w postaci czarnych wydzieleń.

Żeliwa:

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie Fe  o zawartości 2-3,8%C. Dużą popularność zdobyły żeliwa szare: łatwość odlewu, wytrzymałość, dobre zdolności tłumienia drgań, dobra odporność na ścieranie, małą rozszerzalność cieplna i niskie koszty wytwarzania, wadą jest mała ciągliwość i udarność oraz mała wytrzymałość na rozciąganie (ściskanie). Żeliwa szare i wysokojakościowe są stosowane w budowie maszyn. Mamy żeliwa: stopowe, sferoidalne, modyfikowane i ciągliwe. Żeliwa są stopami złożonymi i zawierają dodatki Si, F, S. Z wykresu Fe-Fe3C wynika, że właściwości żeliwa zależą od składu i szybkości chłodzenia (grafitacji). Żeliwo szare pochodzi od przełomu spowodowanego obecnością grafitu.

Żeliwa białe – nazwa pochodzi od jasnego przełomu zawierającego w strukturze ledeburyt, perlit i cementyt, są bardzo twarde i kruche, są stosowane do wytwarzania żeliwa ciągliwego jako półprodukt. Żeliwa ciągliwe mają podobnie jak żeliwa szare lepsze własności mechaniczne poprzez odpowiednią obróbkę cieplną, dlatego elementy po odlaniu muszą mieć strukturę żeliwa szarego.

Żeliwa stopowe – w celu uzyskania specjalnych własności np. odporności na korozję, podwyższenie własności mechanicznych wprowadza się różne pierwiastki stopowe np. do
ok. 1,5% dodatków Ni, Cr, Cu, Mb powoduje zwiększenie własności mechanicznych
co umożliwia stosowanie tych żeliw jako żeliwo konstrukcyjne natomiast większe dodatki Al, Cr, Si nadają własności antykorozyjne i żaroodporne.

Stale:

Stal jest przerobionym plastycznie stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami, zawierającym 2% węgla i otrzymywanym w procesach stalowniczych w stanie ciekłym. Przyjmując jako podstawę podziału skład chemiczny, wszystkie stale można podzielić na dwie zasadnicze grupy – stale stopowe i stale węglowe.

Natomiast w zależności od zastosowania rozróżnia się stale:

-          konstrukcyjne,

-          narzędziowe,

-          szczególnych właściwościach.

Ze względu na strukturę po wolnym chłodzeniu stale węglowe można podzielić na trzy zasadnicze grupy:

-          stale podeutektoidalne, zawierające do 0,8% węgla,, o strukturze ferrtyczno – perlitycznej,

-          stale eutektoidalne, zawierające 0,8% węgla, mające strukturę perlityczną,

-          stale nadeutektoidalne o zawartości 0,8 – 2,0% węgla, o strukturze perlitycznej  z cementytem wtórnym.

II. Struktury stopów żelaza.

1. Żeliwa.

Struktura żeliwa szarego zawierającego wolny węgiel. Widoczne duże wydzielenia grafitu. Osnowa ferrytyczno – perlityczna.

Struktura żeliwa białego. Stop nadeutektyczny. Widoczne ciemne plamy perlitu.

Struktura żeliwa szarego. Osnowa ferrytyczno – perlityczna z przewagą ferrytu.

2. Stale

Stop żelaza podeutektoidalny. Ciemne ziarna – perlit, jasne - ferryt.

Stop żelaza podeutektoidalny o większej zawartości węgla.

Struktura czystego ferrytu. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych.

Struktura czystego perlitu. Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77% C jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu.

Struktura stopu nadeutektycznego. W strukturze tej widoczny jest perlit oraz cementyt

wtórny.

Wnioski:

Jak widać z rysunków, struktury stopów żelaza z węglem zależą  nie tylko zawartością węgla, ale również od metod obróbki, zawartości domieszek, czasu chłodzenia stopu. Po przeprowadzeniu ćwiczenia zapoznałem się z srtukturami metali oraz sposobami jego określania. Własności mechaniczne zależą w największym stopniu od zawartości węgla.

6

Politechnika Świętokrzyska w Kielcach.