POWRÓT

Nauka o materiałach

Układ równowagi fazowej żelazo – węgiel (Opracowano na podstawie M.J Sienko - Chemia, L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie)


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Charakterystyka żelaza
Odmiany alotropowe żelaza
Wykres równowagi układu żelazo - węgiel
Ogólna klasyfikacja stopów żelaza z węglem

 

Charakterystyka żelaza

   

    Żelazo nie występuje w przyrodzie w postaci rodzimej. Otrzymywanie żelaza chemicznie czystego, którego własności mogłyby być uznane za własności pierwiastka, jest trudne i kosztowne. Przez redukcję tlenków można uzyskać żelazo zawierające ok. 0,007% domieszek i zanieczyszczeń, których stężenie może być jeszcze zmniejszone w wyniku topienia strefowego w wysokiej próżni.
Czyste żelazo jest stosunkowo miękkie, plastyczne, srebrzystoszare, dość odporne na korozję w powietrzu ze względu na pasywacje powierzchni.
    Żelazo jest wykorzystywane głównie do produkcji stali – podstawowego materiału konstrukcyjnego. Stale węglowe, stopy żelaza z kobaltem i niklem oraz ferryty są materiałami ferromagnetycznymi wykorzystywanymi w elektronice (magnesy, taśmy magnetofonowe i video). Z żelaza o bardzo niskiej zawartości węgla wytwarza się blachy transformatorowe, z których buduje się rdzenie transformatorów i silników elektrycznych. Żelazo na skale przemysłową otrzymuje się z jego rud, na drodze redukcji tych związków za pomocą koksu lub tlenku węgla. Proces ten polega na wytopie żelaza i uszlachetnianiu otrzymanego wyrobu.
Wytop żelaza. Proces produkcji przeprowadza się w urządzeniu zwanym wielkim piecem. Jest to konstrukcja wykonana ze stali, wyłożona wewnątrz ceramicznym i węglowym (w dolnej części) materiałem ogniotrwałym. Schemat wielkiego pieca przedstawiono na poniższym rysunku.

Do góry


 

Odmiany alotropowe żelaza

   

Żelazo występuje w trzech odmianach alotropowych;

  • żelazo α, istnieje poniżej 912oC,
  • żelazo β, istnieje w 1394 - 1538 oC,
  • żelazo γ, istnieje w 912 - 1394 oC.

    Jedynie żelazo α posiada własności ferromagnetyczne. Przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ zachodzi w temperaturze 723°C przy schładzaniu lub 728°C przy ogrzewaniu. Przemiana alotropowa żelaza γ w żelazo β zachodzi w temperaturze 1400°C.
    W temperaturze niższej od 912°C oraz w zakresie temperatury od 1394 do 1538°C występuje odmiana alotropowa oznaczana α, a w zakresie wysokotemperaturowym oznaczana niekiedy również α(β) lub β. Odmiana α krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego A2.
    Roztwory stałe w żelazie α są nazywane ferrytem. W temperaturze niższej od temperatury 770°C, zwanej temperaturą Curie, żelazo α jest ferromagnetyczne, a w temperaturze wyższej – paramagnetyczne. W zakresie temperatury od 912 do 1394°C stabilna jest odmiana żelaza γ o sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1. Roztwory stałe w żelazie γ są nazywane austenitem.
    Parametr sieci a każdej odmiany alotropowej żelaza zwiększa się wraz z podwyższeniem temperatury i dla odmiany Feα wynosi 0,286 nm w temperaturze pokojowej i 0,293 nm w 1394°C, a dla odmiany γ – 0,365 nm w 912°C.

Do góry


 

Wykres równowagi układu żelazo - węgiel

   

    Rozróżnia się dwa wykresy równowagi układu żelazo–węgiel:

  • stabilny żelazo–grafit,
  • metastabilny żelazo–cementyt.

    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 poniższym 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

Linie przemian w układzie żelazo–cementyt

  • przemiana magnetyczna cementytu w 230°C
  • przemiana eutektoidalna - PS
  • przemiana magnetyczna ferrytu - MO
  • przemiana alotropowa α <=> γ - GOS
  • przemiana eutektoidalna - SK
  • przemiana alotropowa γ <=> α(β) - NJ, JB
  • początek wydzielania cementytu wtórnego z austenitu - ES

Do góry


 

Ogólna klasyfikacja stopów żelaza z węglem

   

Stale, staliwa

    W zależności od stężenia węgla oraz sposobu wytwarzania można dokonać ogólnej klasyfikacji stopów żelaza z węglem. Stopy o stężeniu węgla mniejszym od ok. 0,05% są nazywane żelazem technicznym. Stopy zawierające zwykle mniej niż 2% węgla, otrzymywane w wyniku odlewania i następnej obróbki plastycznej, są nazywane stalami. Odlewnicze stopy o tym samym stężeniu węgla noszą nazwę staliw.
W stalach i staliwach węgiel występuje w postaci związanej w cementycie.

Surówki i żeliwa

    Stopy żelaza o stężeniu powyżej 2% C o składzie fazowym zgodnym z wykresem Fe–Fe3C noszą nazwę surówek białych, natomiast krzepnące zgodnie z wykresem żelazo–grafit są nazywane surówkami szarymi. Surówki przetopione w żeliwiaku lub w innym piecu elektrycznym, często z dodatkiem złomu stalowego, noszą nazwę żeliw. Żeliwami są więc nazywane stopy odlewnicze żelaza z węglem zawierające zwykle powyżej 2% C.

Stale, staliwa oraz żeliwa niestopowe i stopowe

    Stopy żelaza z węglem o niewielkim stężeniu innych pierwiastków w postaci domieszek lub zanieczyszczeń są nazywane odpowiednio stalami, staliwami lub żeliwami niestopowymi (określane także tradycyjnie węglowymi). Do domieszek, które korzystnie wpływają na własności, należą Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Natomiast zanieczyszczenia, takie jak P, S, O, H, N, wywierają ujemny wpływ na własności stopów żelaza. Pierwiastki, których stężenie przekracza umowną, dodawane do stopów żelaza z węglem celowo – dla polepszenia własności – noszą nazwę dodatków stopowych. Stale, staliwa i żeliwa zawierające dodatki stopowe są nazywane stopowymi.


Do góry


   

 

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