POWRÓT

Nauka o materiałach

Analiza struktur metali – badania mikroskopowe próbek w stanie trawionym, metalografia ilościowa


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Wstęp - układ równowagi żelazo - węgiel
Przemiany
Przebieg ćwiczenia

 

Wstęp - układ równowagi żelazo - węgiel

   

   Celem ćwiczenia jest zapoznanie się:

  • z budową układu oraz podstawowymi składnikami występującymi w układzie Fe – C (żelazo – węgiel) oraz Fe – Fe3C (żelazo – cementyt),
  • z przemianami zachodzącymi w układzie Fe – C oraz Fe – Fe3C,
  • z analizą przemian zachodzących w stopach w zależności od temperatury,
  • ze składnikami struktury typowych stali węglowych,
  • z analizą zmian zachodzących w strukturze stopów o różnych zawartościach węgla przy ich wolnym chłodzeniu.

   Zagadnienia

  • Wykres równowagi Fe – C (żelazo – węgiel) oraz Fe – Fe3C (żelazo – cementyt).
  • Składniki strukturalne układu Fe – C oraz Fe – Fe3C: ferryt, austenit, cementyt (I, II i III), perlit, ledeburyt.
  • Przemiany w układzie Fe – C oraz Fe – Fe3C: perytektyczna, eutektyczna, eutektoidalna.
  • truktury stopów z układu Fe – C oraz Fe – Fe3C

   Wykres równowagi układu żelazo – cementyt przechodził długą ewolucję od najprostszej postaci zaproponowanej przez Czernowa do postaci współczesnej. Najnowsza wersja wykresu, opracowana przez J. Chippmana, jest przedstawiona poniżej. Wykres ten ma dwie wersje:

  • metastabilną odnoszącą się do układu Fe – Fe3C wykreśloną linią ciągłą,
  • stabilną opisującą układ żelazo – grafit wykreślona linia przerywaną.

   Mają one znaczenie przy opisie strukturalnym różnych tworzyw metalicznych. Wykres Fe – Fe3C odzwierciedla równowagę fazową w stalach i surówkach (żeliwach) białych, w których nie występuje grafit, wykres żelazo – grafit zaś opisuje częściową równowagę w stopach z grafitem. Linie obydwu układów są nieznacznie przesunięte. Wszystkie punkty charakterystyczne wykresu oznaczono dużymi literami alfabetu, przy czym punkty odnoszące się do układu żelazo – grafit oznacza się dodatkowo przecinkiem. Oznaczenia te maja charakter międzynarodowy i są ujęte w Polskiej Normie – PN-EN ISO 12402-4:2006. W tablicy pod wykresem podano współrzędne (temperatury i składy) wszystkich punktów charakterystycznych.

    W zależności od składu chemicznego, warunków odprowadzania ciepła, a także innych czynników, z roztworu ciekłego może krzepnąć zarówno cementyt, jak i grafit.
    Wykres równowagi przedstawiony na powyższym rysunku obejmuje stopy żelaza z węglem do stężenia 6,67% C, odpowiadającego stężeniu C w cementycie. Liniami ciągłymi przedstawiono wykres żelazo-cementyt Fe-Fe3C, natomiast przerywanymi – żelazo-grafit Fe-C.

Fazy układu żelazo – cementyt

  • Roztwór ciekły (ciecz)
  • Ferryt (α) – międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o maksymalnej zawartości węgla 0,022 % w temperaturze 727oC
  • Ferryt (α, β) – międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o maksymalnej zawartości węgla 0,09 % w temperaturze 1493oC
  • Austenit (γ) - międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe γ o maksymalnej zawartości węgla 2,14 % w temperaturze 1147oC
  • Cementyt.

Składniki strukturalne wykresu żelazo–cementyt

  • Roztwór ciekły roztwór ciekły węgla w żelazie
  • Ferryt - roztwór stały graniczny węgla w żelazie α, Graniczna zawartość węgla w ferrycie w stanie równowagi wynosi w temperaturze 20°C zaledwie 0,008% i wzrasta w temperaturze 723°C do 0,02% (punkt P na wykresie). Natomiast ferryt wysokotemperaturowy może zawierać w temperaturze 1493°C do 0,1% C.
  • Austenit - roztwór stały graniczny węgla w żelazie γ, Graniczna zawartość węgla w austenicie w temperaturze 1147°C wynosi 2,06% (punkt E na wykresie). W stopach żelaza z węglem w stanie równowagi austenit występuje jedynie w temperaturach wyższych od 723°C. Natomiast w niektórych stalach stopowych, zawierających np. nikiel lub mangan, austenit w stanie równowagi istnieje również w temperaturach niższych.
  • Cementyt pierwszorzędowy (pierwotny) - wydzielający się z roztworu ciekłego w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w roztworze, wzdłuż linii CD
  • Cementyt drugorzędowy (wtórny) - wydzielający się z austenitu w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w austenicie, wzdłuż linii ES
  • Cementyt trzeciorzędowy - wydzielający się z ferrytu w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w ferrycie, wzdłuż linii PQ
  • Perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, zawierająca 0,77% C, występująca poniżej 727°C
  • Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, zawierająca 4,30% C, trwała w zakresie od 727 do 1148°C
  • Ledeburyt przemieniony - mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z ledeburytu w perlit, trwała poniżej temperatury 727°C
 

Przemiany

   

W układzie Fe – C wyróżniamy przemiany:

  • przemiana perytektyczna – linia HB

ciecz B + ferryt H <-> austenit J

co oznacza, że przy chłodzeniu ferryt β o składzie punktu H reaguje z roztworem ciekłym L o składzie punktu B dając w wyniku austenit o składzie punktu J. Przemiana ta zachodzi w stopach o zawartości węgla w zakresie między 0,09% (punkt H) i 0,53% (punkt B),

  • przemiana eutektyczna – linia ECF

ciecz C <-> ledeburyt (austenit E+ Fe3CI)

co oznacza, że przy chłodzeniu roztwór ciekły o składzie punktu C (4,3%) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektyczną złożoną z austenitu o składzie punktu E i cementytu, zwaną ledeburytem. Przemiana ta zachodzi w stopach o zawartości węgla wyższej od punktu E (2,11%).

  • przemiana eutektoidalna A1 – linia PSK.

austenit S <-> perlit P (ferryt + Fe3CII)

co oznacza, że przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S (0,77%C) ulega rozpadowi na mieszaninę eutektoidalną ferrytu o składzie punktu P i cementytu drugorzędowego, zwana perlitem. Przemiana ta występuje we wszystkich stopach o zawartości węgla wyższej od 0,0218%.

Wyniki przemian możemy zobaczyć prowadząc obserwację tzw. zgladów. Przykładowe struktury pokazują niżej zamieszczone rysunki.

Do góry


 

Przebieg ćwiczenia

   

   Ćwiczenie polega na obserwacji i analizie wybranych struktur stopów Fe – C.

Wykonanie ćwiczenia:

  • przygotowanie mikroskopu metalograficznego do obserwacji,
  • obserwacja zgładów wybranych próbek,
  • narysowanie i opisanie struktur,
  • w wybranej próbce dokonanie pomiarów i obliczeń udziału danej fazy i zawartości węgla w próbce

Zgodnie z instrukcją:

  • określenie zawartości węgla w próbkach wykonuje się na podstawie oceny ilości fazy perlitycznej, stosując metodę siatki lub linijki.
  • pomiaru metodą siatki dokonujemy przy pomocy specjalnego okularu z siatką, zliczając węzły siatki przypadające na daną fazę.
  • obliczeń dokonujemy po kilkakrotnym przyłożeniu siatki w różnych miejscach zgładu,
  • pomiaru za pomocą linijki dokonujemy na zdjęciu mikrostruktury kilkakrotnie przykładając w różnych miejscach linijkę. Mierzymy długość odcinków przypadających na badaną fazę w ramach założonego odcinka pomiarowego np. 5 cm.

Spis próbek podlegajacych badaniu

Zestaw próbek zawiera trzy podstawowe grupy materiałów:

  • struktury układu Fe3C
  • żeliwo szare,
  • stale po obróbce ciepnej.

Cz. I. Struktury zrównoważonego układu metastabilnego Fe - Fe3C

I.1 Stal niskowęglowa, niestopowa zawierająca 0,15% C; struktura ferrytyczno - perlityczna,
I.2 Stal średnioweglowa, niestopowa zawierająca 0,40% C; struktura ferrytyczno - perlityczna,
I.3 Stal średnioweglowa, niestopowa zawierająca 0,60% C; struktura ferrytyczno - perlityczna,
I.4 Stal wysokoweglowa, niestopowa zawierająca 0,80% C; struktura perlityczna,
I.5 Stal wysokoweglowa, niestopowa zawierająca 1,2% C; struktura perlityczna z Fe3C,
I.6 Żeliwo białe przedeutektyczne zawierające ok. 3% C, struktura ladeburyt przemieniony, perlit i cementyt wtórny,
I.7 Żeliwo białe eutektyczne zawierające ok. 4,3% C, struktura ledeburyt przemieniony,
I.8 Żeliwo białe zaetektyczne zawierające ok 5% C, struktura ledeburyt przemieniony i cementyt pierwotny.

Cz. II Struktury żeliwa szarego w stanie nietrawionym i trawionym

Żeliwa w stanie nietrawionym

II.1 Żeliwo szare z niemodyfikowanym grafitem płatkowym,
II.2 Żeliwo z grafitem sferoidalnym.
II.3 Żeliwo szare z grafitem płatkowym częściowo modyfikowanym (krzemem).

Żeliwa w stanie trawionym

II.4 Żeliwo szare ferrytyczne z grafitem płatkowym niemodyfikowanym.
II.5 Żeliwo szare ferrytyczno-perlityczne z grafitem niemodyfikowanym.
II.6 Żeliwo szare perlityczne z bardzo małą ilością ferrytu i z potrojną eutektyką fosforową.
II.7 Żeliwa szare ferrytyczno-perlityczne z eutektyką fosforową pseudopodobną i grafitem modyfikowanym.
II.8 Żeliwo sferoidalne ferrytyczne,

Cz III Struktury po obróbce cieplnej

III.1 Stal 0,5% C po wyżarzaniu zupełnym; struktura; perlit i ferryt.
III.2 Stal 0,35% C po wyżarzaniu normalizujacym; struktura quqsieutektoid i ferryt.
III.3 Stal 0,5% C martenzyt średnioiglasty.
III.4 Stal 1.3% C, martenzyt + Fe3C.
III.5 Martenzyt + bainit dolny.
III.6 Martenzyt gruboilasty.
III.7 Stal 0,4% C hartowanie niezupełne, struktura: ferryt i martenzyt.
III.8 Stal 0,4% C sorbit odpuszczania.

Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved