Układ żelazo-cementyt, fazy i składniki sktrukturalne

Układ żelazo – cementyt:

Układ żelazo – węgiel/cementyt:

Układ przedstawia powyższy wykres. Stabilnymi fazami w układzie żelazo-węgiel są roztwory stałe węgla w żelazie α i żelazie γ – ferryt i austenit oraz węgiel występujący w postaci odmiany alotropowej – grafitu, pod warunkiem, że zawartość węgla przekracza granicę rozpuszczalności. Najczęściej węgiel w tych stopach jest związany w węgliku Fe₃C – cementycie, odznaczającym się dużą trwałością. Linię likwidusu w układzie żelazo-węgiel wyznaczają punkty ABCD, a linię solidusu – punkty AHJECF. Przemiany zachodzące w zakresie pomiędzy liniami solidusu i likwidusu określa się jako krystalizację pierwotną, a w zakresie solidusu i linii PSK – jako krystalizację wtórną.

Stopy żelaza zawierające poniżej 0,09 [%] C krzepną jako roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie α, a następnie ulegają przemianie w roztwór stały międzywęzłowy γ w obszarze ujętym liniami NH i NJ. Stopy zawierające 0,09 – 0,53 [%] C ulegają w temperaturze 1495 [°C] (linia HJB) przemianie perytektycznej, w której biorą udział roztwór stały węgla w żelazie α o zawartości 0,09 [%]C i roztwór ciekły o stężeniu 0,53 [%] C. W wyniku tej przemiany powstaje roztwór stały γ (austenit) o zawartości 0,17 [%] C. Po zakończeniu przemiany perytektycznej stopy zawierające 0,09 – 0,17 [%] C mają strukturę mieszaniny roztworów stałych α+γ, natomiast zawierające 0,17 – 0,53 [%] C strukturę mieszaniny roztworu ciekłego i stałego γ. Stopy zawierające 0,53 – 2,11 [%] C krzepną bezpośrednio jako roztwór stały γ. W stopach o zawartości węgla 2,11 – 6,67 [%] w temperaturze 1148 [°C] zachodzi przemiana eutektyczna, a w jej wyniku z roztworu ciekłego o zawartości 4,3 [%] C powstaje drobnoziarnista mieszanina eutektyczna austenitu o granicznej zawartości węgla (2,11 [%]), oraz cementytu, zwana ledeburytem. Podczas chłodzenia stopów zawierających do 0,77 [%] C w zakresie temperatury ograniczonym liniami GS i GPS następuje stopniowa przemiana austenitu w ferryt przy jednoczesnym wzbogacaniu pozostałego roztworu γ w węgiel do 0,77 [%]. Austenit zawierający 0,77 [%] C w temperaturze 723 [°C] przemienia się w eutektoid zwany perlitem, składający się z ferrytu i cementytu.

Ferryt – jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe-α o strukturze A2. Jest to faza bardzo miękka i plastyczna o małej wytrzymałości na rozciąganie. Dzięki temu stopy ferrytyczne są podatne do obróbki plastycznej. Na obrazie mikroskopowym ferryt ma wygląd równoosiowych ziarn o wyraźnych granicach (łatwo ulegają trawieniu). Własności mechaniczne feerytu: R_m = ok. 300 Mpa, 80 HB.

Austenit – jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w Fe-γ o strukturze A1. Jest to faza stosunkowo twarda, o znacznej wytrzymałości na rozciąganie, a przy tym bardzo ciągliwa. Dzięki temu stopy austenityczne są podatne do obróbki plastycznej, ale odznaczają się złą skrawalnością. Na obrazie mikroskopowym austenit ma wygląd równoosiowych ziarn o charakterystycznych prostoliniowych granicach, zazwyczaj z licznymi bliźniakami. Własności mechaniczne: R_m = 700 – 800 Mpa, 200 HB, wydłuża się bez przewężenia.

Perlit – jest mieszaniną eutektoidalną nasyconego ferrytu i cementytu wtórnego o zawartości 0,77%C powstającą jako produkt rozpadu austenitu w temperaturze 727 [°C]. Ma on budowę płytkową (na przemian rozłożone płytki ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1). Na obrazie mikroskopowym perlit przy dostatecznym powiększeniu ma wygląd równoosiowych ziarn, w których występują pęki różnie zorientowane równoległych płytek ferrytu (ciemne) i cementytu (jasne). Własności mechaniczne: R_m = 700 – 800 MPa, 180 – 200 HB.

Ledeburyt – jest mieszaniną eutektyczną nasyconego austenitu i cementytu pierwotnego o zawartości 4,3% C krystalizującą w temperaturze 1148 [°C]. Ponadto pojawiają się w ledeburycie przemienionym drobne wydzielenia cementytu trzeciorzędowego. Ledeburyt jest składnikiem strukturalnym twardym i kruchym, a w związku z tym trudno skrawalnym. Na obrazie mikroskopowym ledeburyt przemieniony ma wygląd ciemnych nieregularnych pól (perlit) rozłożonych na jasnym tle cementytu pierwotnego.

Cementyt – odznacza się dużą kruchością i twardością oraz nieznacznie mniejszą gęstością oraz dużą odpornością chemiczną. Cementyt jest fazą nietrwałą ulegającą w podwyższonych temperaturach rozkładowi. Odporność chemiczna tej fazy powoduje, że odczynniki używane do trawienia stali nie atakują go. Zależnie od warunków powstawania wyróżnia się trzy modyfikacje cementytu:

• cementyt pierwotny krystalizuje z roztworu ciekłego, w postaci dużych grubych igieł;
• cementyt wtórny wydziela się z austenitu oraz powstaje z eutektoidalnego rozpadu austenitu w temperaturze 723 [°C].
• cementyt trzeciorzędowy wydziela się z ferrytu przy zmniejszaniu się rozpuszczalności węgla przy obniżaniu temperatury poniżej 723 [°C] (wzdłuż linii PQ)