50
Vinko Ivušić, Mladen Franz MATERIJALI I – 2.dio SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAVOD ZA MATERIJALE Autorizirana predavanja 2006./2007.

Materijali I Drugi Dio 2006

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Materijali I Drugi Dio 2006

Vinko Ivušić, Mladen Franz

MATERIJALI I – 2.dio

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVOD ZA MATERIJALE

Autorizirana predavanja 2006./2007.

Page 2: Materijali I Drugi Dio 2006

1

NESAVRŠENOSTI (NEPRAVILNOSTI) KRISTALA

Realni kristali nikad nisu idealni, uvijek su prisutne nepravilnosti u njihovoj strukturi.

Prilikom kristalizacije (skrućivanja) svi atomi ne uspiju zauzeti svoje pozicije u

prostornoj kristalnoj rešetki. Iako je taj broj relativno malen ( ≈ 1 od 1000 atoma),

nesavršenosti kristala imaju vrlo značajan utjecaj na svojstva materijala.

Nesavršenosti kristala klasificiraju se prema njihovoj geometriji i obliku:

• Nuldimenzijske (točkaste)

• Jednodimenzijske (linijske)

• Dvodimenzijske (plošne)

• Trodimenzijske ( prostorne)

Nuldimenzijske (točkaste) nesavršenosti

Kao što samo ime govori ove nepravilnosti zauzimaju samo jedno mjesto u prostornoj

rešetki. To su:

Vakancije (prazna mjesta)

Page 3: Materijali I Drugi Dio 2006

2

Supstitucijski ( zamjenbeni ) strani atom

Intersticijski ( uključinski ) strani atom

Jednodimenzijske (linijske) nesavršenosti

Ova nepravilnost može biti pravocrtna ili spiralna poput vijka. Nazivamo ih

dislokacijama a mogu biti bridne i vijčane.

Page 4: Materijali I Drugi Dio 2006

3

Bridna dislokacija izgleda ovako:

a vijčana ovako:

Page 5: Materijali I Drugi Dio 2006

4

Dvodimenzijske (plošne) nesavršenosti

Dvodimenzijske nepravilnosti jesu plohe i predstavljaju različite granice od kojih su

najvažnije granice između kristalnih zrna. Naime metali, koji gotovo svi imaju kristalnu

strukturu jesu polikristali, što znači da između mnoštva kristalnih zrna postoje granice

zrna.

One mogu biti ( vidi sliku):

• Malokutne granice zrna

• Velikokutne granice zrana

Trodimenzijske ( prostorne ) nesavršenosti

To su «makro» nepravilnosti u kristalnoj strukturi, a posljedica su procesa izrade ili

toplinske obrade:

• Pore

• Uključine

DIFUZIJA

Difuzija jeste pojava premještanja tvari u plinovitom, tekućem i čvrstom stanju.

Premještanje tvari je kretanje ili zamjena mjesta atoma, iona ili molekula u plinovima

tekućinama i krutnini. Najzanimljivija je difuzija atoma u čvrstom stanju. U krutnini

kretanje atoma u kristalima može biti na:

• Supstitucijski način

• Intersticijski način

Kod supstitucijskog načina dolazi do izmjene mjesta između atoma i vakancije (praznog

mjesta). Ukoliko dolazi do izmjene mjesta između vlastitih atoma i vakancija govori se o

samodifuziji koja je prisutna kod čistih metala. Kod legura mjesta mogu izmjenjivati

atomi primjese i vakancija u osnovnom metalu. Što su to legure ili slitine?

Page 6: Materijali I Drugi Dio 2006

5

Def. Legura je tvar koju čine dvije ili više komponenti. Jedna od komponenti je

uvijek metal, a druga(e) mogu biti metal ili nemetal. Te druge komponente nazivaju

se primjesa(e) ili legirni dodaci. Primjese koje nisu namjerno dodane nazivaju se

nečistoće. Kretanje atoma kroz kristalnu rešetku izmjenom mjesta između «vlastitog» ili

«stranog» atoma i vakancije (prazna mjesta) pokazuje sljedeća slika:

Supstitucijski način:

Intersticijski način kretanja atoma je sljedeći :

Page 7: Materijali I Drugi Dio 2006

6

O čemu ovisi intenzitet difuzije? Iskazan je kroz tijek J, koji predstavlja broj atoma ili

masu tvari koji prolaze kroz jediničnu površinu u određenom vremenu. Prema

1. Fickovom zakonu vrijedi:

J= -D dc/dx, g/cm2s

Gdje je :

D difuznost ili difuzijski koeficjent

dc/dx gradijent koncentracije

D – difuznost je definirana sljedećim izrazom:

D = Do e –Qd/RT, cm2/s

Gdje su:

Do – difuzijska konst. mater.

Qd- aktivacijska energ.

R- plinska konstanta

T-apsolutna temperatura

Na intenzitet difuzije utječu:

Temperatura

Kristalna struktura

Koncentracija tvari koja difundira

Nesavršenosti kristala

KRISTALI LEGURA

U legurama pojavljuju se sljedeće vrste kristala:

Kristali mješanci

Kristali intermetalnog spoja

Kristali kemijskog spoja

Miješani kristali

Page 8: Materijali I Drugi Dio 2006

7

Kristali mješanci

Kristali mješanci su kristali legura kod kojih atomi primjese legure ( atomi otopljenog

elementa) ulaze u kristalnu rešetku osnovnog metala legure ( topitelja). To mogu činiti

na dva načina:

• supstitucijski (zamjenbeni)

• intersticijski (uključinski)

Tako se kristali mješanci dijele na supstitucijske i intersticijske kristale mješance.

Sljedeća slika pokazuje dvodimenzionalnu sliku supstitucijskog kristala mješanca Fe i Cr

( oba metala imaju BCC kristalnu rešetku), i slične veličine atoma

Da bi dva metala ( komponente ) legure mogli tvoriti supstitucijske kristale mješance

treba biti zadovoljeno nekoliko uvjeta, od kojih su dva najvažnija:

• oba metala ( komponente legure) moraju imati istu vrstu kristalne rešetke, npr.

FCC, BCC, HCP

• veličina atoma obje komponente ne smije se previše razlikovati

atomi topitelja (Fe)

atomi otopljenog elementa (Cr)

supstitucijski

Page 9: Materijali I Drugi Dio 2006

8

Kod intersticijskih kristala mješanaca atomi primjese (otopljenog elementa ) ulaze u

međuprostore kristalne rešetke osnovnog metala legure ( topitelja)

Kod intersticiskih kristala mješanaca atomi primjese moraju biti puno manji da bi se

mogli uključiti u međuprostore kristalne rešetke osnovnog metala.

Supstitucijsko i intersticijsko smještanje atoma primjese u kristalnu rešetku topitelja

izaziva manju ili veću deformaciju rešetke( vidi točkaste nesavršenosti!), te na taj način

povećanje čvrstoće (mehaničke otpornosti) kristala mješanca u odnosu na čisti metal.

atomi topitelja (Fe)

atomi otopljenog elementa (C)

intersticijski

Page 10: Materijali I Drugi Dio 2006

9

Kristali intermetalnog spoja

Većina kristala mješanaca nema potpunu rastvorljivost atoma primjese u čvrstoj otopini

osnovnog metala. Tada komponente legure (metali!) tvore kemijski spoj s novom

kristalnom rešetkom. Takvi kristali nazivaju se – kristali intermetalnog spoja.

Tako kod mijedi, legure Cu-Zn, do ∼20% mase Zn bakar i cink tvore supstitucijske

kristale mješance s FCC kristalnom rešetkom.

Pri većim udjelima Zn nastaju intermetalni spojevi:

• β-(Cu-Zn)

• γ-(Cu5-Zn8)

• ε-(Cu-Zn3)

Kristali kemijskog spoja

Kod ovih kristala jedna komponenta je nemetal koja s nekim metalom tvori kristale

kemijskog spoja.

Primjer: MnS u Fe-C legurama

Miješani kristali

Ukoliko komponente legure imaju drugačiju kristalnu strukturu (rešetku) ili je prevelika

razlika u veličini atoma , te uopće ne mogu tvoriti kristale mješance postoji „smjesa“

dvije ili više vrsta kristala koja se naziva miješani kristali.

Primjer: Cu – Pb

Oba metala imaju FCC rešetku, ali je prevelika razlika u veličini atoma da bi tvorili

kristale mješance

Page 11: Materijali I Drugi Dio 2006

10

DIJAGRAMI STANJA

Dijagrami stanja ili fazni dijagrami ili dijagrami slijevanja (engleski “phase diagrams”,

njemački “Zustandsdiagramme”) grafički su prikazi koji pokazuju koje faze i fazni

konstituenti su prisutni u materijalnim sustavima na različitim temperaturama i tlakovima za

različite kemijske sastave. Većina dijagrama stanja konstruirana je za ravnotežne uvjete ili,

bolje rečeno, za nominalno ravnotežne uvjete budući da se, u većini slučajeva, ravnoteža

nikada ne postiže potpuno, nego samo približno.

Dijagrami stanja služe inženjerima i znanstvenicima za razumijevanje i predviđanje

ponašanja materijala u različitim uvjetima.

Iako dijagrami stanja postoje i za čiste tvari, u tehnici su oni najpotrebniji za proučavanje

legura.

BINARNI DIJAGRAMI STANJA

Kada se sustav legura sastoji od dvije komponente, njegovo stanje definira binarni dijagram

stanja. Dijelovi binarnog dijagrama stanja prikazani su na slici.

Koordinatni sustav dijagrama stanja

Page 12: Materijali I Drugi Dio 2006

11

A i B su komponente sustava legura. Obično su to pojedini kemijski elementi, npr.: Cu i Sn

ili Fe i C.

Na apscisi dijagrama X je sastav (ili koncentracija). Sastav se najčešće izražava postotnim

udjelom mase komponente B (%B) u promatranoj leguri ili nekom njenom sastavnom

dijelu. Sastav se rjeđe izražava kao postotak volumena (%B vol.) ili kao maseni udio

komponente B (grama komponente B u 1 gramu legure ili nekog njenog sastavnog dijela).

Ukoliko nije drugačije naznačeno, %B znači postotni udio mase komponente B u

promatranoj leguri ili fazi.

Na ordinati dijagrama je temperatura ϑ koja određuje izoterme.

Svaka točka u dijagramu stanja određena je sastavom i temperaturom.

Legure pri grijanju, odnosno hlađenju doživljavaju određene pretvorbe. Počeci, odnosno

završeci pretvorbe određeni su granicama pretvorbi.

Točke pretvorbi određuju se na razne načine. Najjednostavniji način je praćenje promjene

temperature pri hlađenju određene količine rastaljenog materijala uz konstantno, dovoljno

sporo, odvođenje topline. Na taj se način dobiju krivulje hlađenja koje se razlikuju za čiste

metale i za legure.

a) b)

Krivulje hlađenja za ekstremno sporo hlađenje

a) čisti metal

b) legura

Page 13: Materijali I Drugi Dio 2006

12

L – početak skrućivanja

S – završetak skrućivanja

tL – vrijeme početka skrućivanja

tS – vrijeme završetka skrućivanja

ϑL – temperatura početka skrućivanja

ϑS – temperatura završetka skrućivanja

T – taljevina

K – kruta faza

Proces skrućivanja pri kojem nastaje kristalna struktura naziva se kristalizacija.

Kristalizacija (stvaranje klica kristalizacije, rast kristala, nastajanje granica zrna) oslobađa

takozvanu latentnu toplinu koja može poništiti odvođenje topline za vrijeme hlađenja. Zato

kod čistih metala temperatura “stoji” za vrijeme skrućivanja (skrutište) sve dok sva taljevina

(T) ne prijeđe u kruto stanje (K), što se vremenski odvija između točaka L i S. Prije početka

skrućivanja (kristalizacije) postoji samo jedna faza – taljevina (T), za vrijeme trajanja

skrućivanja (kristalizacije) postoje dvije faze – taljevina (T) i kruta faza (K), a nakon

završetka skrućivanja (kristalizacije) postoji samo jedna, kruta faza (K).

Slično je i kod legura, ali je kod njih latentna toplina oslobođena kristalizacijom nedovoljna

da nadoknadi odvedenu toplinu, pa nema stojišta temperature, nego se pad temperature

samo usporava za vrijeme intervala skrućivanja od ϑL do ϑS. To je zbog toga jer kod legura

postojanje druge komponente ometa proces kristalizacije prve komponente i obrnuto.

Često kruta faza kod legura nije jedinstvena, nego se sastoji od dvije ili više faza.

Za snimanje dijagrama stanja treba veći broj krivulja hlađenja za legure promatranog

sustava, kako je to ilustrirano slikom.

Page 14: Materijali I Drugi Dio 2006

13

a) b)

Konstrukcija dijagrama stanja na temelju krivulja hlađenja

a) krivulje hlađenja legura dvokomponentnog sustava A – B

b) binarni dijagram stanja sustava legura A – B

Krivulje hlađenja iz a) preslikavaju se u točke granica pretvorbi u b). Tako krivulje hlađenja

za čiste komponente A i B daju po jednu točku (LA,SA odnosno LB,SB) u dijagramu

stanja b), a to su njihova skrutišta, odnosno tališta. Ostale krivulje hlađenja X1 do X4 daju po

dvije točke u dijagramu stanja, tj. temperature početka skrućivanja L1 do L4 i temperature

završetka skrućivanja S1 do S4. Granica koja spaja sve početke skrućivanja zove se likvidus,

a granica koja spaja sve završetke skrućivanja zove se solidus.

Iznad likvidus granice sve legure su u rastaljenom stanju, između likvidusa i solidusa legure

se sastoje od taljevine i krute faze, a ispod solidusa sve su legure potpuno skrućene. Valja

naglasiti da snimanje dijagrama stanja nije tako jednostavno kako izgleda iz ovog prikaza.

Za uobičajenu inženjersku praksu puno je važnije korištenje već snimljenih dijagrama stanja

koji se mogu naći u priručnicima, knjigama i atlasima.

Page 15: Materijali I Drugi Dio 2006

14

POLUŽNO PRAVILO

Polužno pravilo omogućuje računsko određivanje masenog udjela pojedinih faza ili njihovih

konstituenata u bilo kojem dvofaznom području binarnih dijagrama stanja. Polužno pravilo

može se objasniti na nekoliko načina. Jedan od njih opisan je za binarni dijagram stanja s

potpunom topljivošću komponenti u rastaljenom i krutom stanju.

Binarni dijagram stanja međusobno potpuno topivih komponenti A i B

Na apscisi nalazi se sastav tj. maseni udio komponente B izražen u postocima od 0 (čista

komponenta A) do 100 (čista komponenta B).

Promatra se legura čiji sastav (maseni udio komponente B) iznosi XL, a nalazi se na

temperaturi ϑ1.

U točki 1 na temperaturi ϑ1 jedan dio legure (faza T) je rastaljen, a drugi dio (faza K) je

skrućen. Sastav taljevine iznosi XT, a sastav krute faze XK. Te vrijednosti određene su

presjecištima izoterme ϑ1 s likvidus i solidus granicama. Maseni udjeli faza mogu se

odrediti rješenjem dviju jednadžbi s dvije nepoznanice.

Prva jednadžba proizlazi iz činjenice da zbroj postotnih masenih udjela tekuće faze (Tm) i

krute faze (Km) mora biti jednak 100. Dakle

Tm + Km = 100

Page 16: Materijali I Drugi Dio 2006

15

Druga jednadžba dobije se primjenom polužnog pravila:

a bKm

XT

Tm

XK

XL Oslonac poluge predstavlja prosječan sastav legure (dvofazna smjesa), a na krajevima

poluge djeluju kao sile maseni udjeli faza (ili dijelova faza). Krakovi poluge određeni su

sastavima legure i faza.

Tada je jednadžba ravnoteže:

mm

TKTLmm

K ab T

X-Xb X-Xa ,bK a T

=

==⋅=⋅

Uvršteno u prvu jednadžbu

b ab 100 K

ab T

,b aa 100

ab 1

100 K

100 K K ab

mm

m

m m

+⋅

==

+⋅

=+

=

=+

ili Tm = 100 - Km IZOMORFNI DIJAGRAM STANJA

Dijagram stanja kakav je prikazan na slikama u poglavlju «Polužno pravilo», zove se

izomorfni, a vrijedi za sustav legura s potpunom topljivošću i u rastaljenom i u krutom

stanju, kao što je npr. sustav legura Cu-Ni.

Konstrukcija njihovog dijagrama stanja prikazana je slikom.

Page 17: Materijali I Drugi Dio 2006

16

Konstrukcija dijagrama stanja legura Cu – Ni

a) reprezentativne krivulje hlađenja

b) dijagram stanja legura Cu – Ni

U lijevom dijagramu prikazana je grupa krivulja hlađenja, a desno je dijagram stanja koji se

pomoću krivulja hlađenja konstruira.

Na apscisi dijagrama stanja je sastav tj. postotni udio mase legirnog elementa, u ovom

slučaju nikla. Krivulje hlađenja za čiste metale (Cu i Ni) daju po jednu točku u dijagramu

stanja (A i B) koje su ustvari njihova skrutišta.

Krivulje hlađenja za legure različitog sastava X (20% Ni, 50% Ni i 80% Ni) daju po dvije

točke, tj. temperature početka skrućivanja (L1, L2, L3) i temperature završetka skrućivanja

(S1, S2, S3).

U ovom sustavu postoji samo jedna kruta faza označena s α, a čine je supstitucijski kristali

mješanci s rešetkom bakra, odnosno nikla. Budući da i bakar i nikal imaju FCC rešetku, a

radiusi atoma im se vrlo malo razlikuju (RCu= 128 pm, RNi = 125 pm), oni bez problema

zamjenjuju mjesta bez obzira na sastav. Na taj način je kod ove legure po završetku

skrućivanja prisutna samo jedna faza, kristali mješanci α i to u čitavom području od

0-100% Ni.

Page 18: Materijali I Drugi Dio 2006

17

Jednom snimljen, dijagram stanja može poslužiti za dobivanje korisnih informacija o bilo

kojoj leguri toga sustava. Te informacije su sljedeće:

a) Faze prisutne kod legura različitog sastava na različitim temperaturama

b) Međusobna topljivost komponenta

c) Temperature na kojima legure počinju i završavaju skrućivanje

d) Sastav faza za različite legure i temperature

e) Mogućnost računskog određivanja masenog udjela faza ili konstituenata

Sve navedeno vrijedi za sporo hlađenje, odnosno grijanje tj. za ravnotežne uvjete.

Ovo je ilustrirano analizom skrućivanja legure s 25% nikla.

Analiza legure bakra s 25% nikla i shematski prikaz strukturnih stanja

Na temperaturi 1300 oC legura je u rastaljenom stanju (100% T) i 75% njene mase čine

atomi bakra, a 25% mase atomi nikla.

Na temperaturi 1230 oC stvaraju se prve klice kristalizacije koje se sastoje od nekoliko

jediničnih FCC ćelija bakra u kojima 38% čine atomi nikla (ovaj podatak određen je

presjecištem izoterme 1230 oC sa solidus crtom). Struktura se u tom trenutku sastoji od

taljevine sastava 25% Ni, koje ima gotovo 100%, i nemjerljivo male mase α-kristala

mješanaca (Cu, Ni) sastava 38% Ni.

Page 19: Materijali I Drugi Dio 2006

18

Na temperaturi 1200 oC struktura se sastoji od taljevine u kojoj je sastav Ni pao na 20%

(presjecište izoterme 1200 oC s likvidus crtom) i α-kristala mješanaca (Cu, Ni) kojima je

sastav pao na 30% (presjecište izoterme 1200 oC sa solidus crtom). Maseni udjeli ovih faza

mogu se računski odrediti primjenom polužnog pravila (primjer).

Primjer

ϑ = 1200 oC

XL = 25 % Ni

X = 30% Niα

Tm αm

X = 25% NiL X = 20% NiT

Tm (XL - XT) = αm (Xα - XL)

Tm (25 - 20) = αm (30 - 25)

Tm + αm = 100 (% mase)

Tm = αm (30-25)/(25-20) = αm 5/5 = αm

αm + αm = 100

2 αm = 100

αm = 50 % mase

Tm = 100 - αm = 100 - 50

Tm = 50 % mase

U primjeru za temperaturu 1200 oC odstupanja sastava taljevine i α-kristala mješanaca od

sastava legure su jednaka (krakovi isti) pa je zato i njihov maseni udio jednak. Na

Page 20: Materijali I Drugi Dio 2006

19

temperaturi od 1180 oC legura je upravo pred završetkom skrućivanja. Sastoji se od

nemjerljivo male mase taljevine sastava 16% Ni (presjecište 1180 oC - likvidus) i gotovo

100% α-kristala mješanaca bakra i nikla sastava 25% Ni.

Na temperaturi 1100 oC (kao i na svim temperaturama nižim od 1180 oC) legura je potpuno

skrućena i 100% njene mase čine α-kristali mješanci u kojima 25% mase čine atomi nikla, a

75% mase čine atomi bakra.

EUTEKTIČKI DIJAGRAM STANJA

Eutektički dijagram stanja definira stanja sustava legura kojega čine elementi (komponente

A i B) s potpunom topljivošću u rastaljenom stanju, a djelomičnom topljivošću u krutom

stanju.

ϑ, Co

ϑE

ϑ, Co

X2 XE X3 X4X1

X1 X2 XE X3 t, s

L4S1

L3

L2

L1

L4

S '2 S '3

S4

BS1

L2

S2

L3

S3

S4

L1

F

E'D

A

E

G

C E

E'

S2 S3

X4

X, %B

T+ 'βT

β'α'α'+T

α'+E β'+E

A - B

a) Opći oblik eutektičkog dijagrama stanja

b) Karakteristične krivulje hlađenja

Likvidus granica je A – E – B, a solidus granica je A – C – E – D – B. Iznad likvidus crte

sve je rastaljeno, jedina faza je taljevina, T. Što će se dogoditi kada temperatura taljevine

dostigne likvidus granicu, ovisit će o sastavu promatrane legure.

Page 21: Materijali I Drugi Dio 2006

20

Naime, u jednom dijelu eutektičkog dijagrama prevladava utjecaj komponente A pa se tu

stvaraju pretežno kristali mješanci s rešetkom komponente A (α-kristali mješanci), a u

drugom dijelu prevladava utjecaj komponente B pa se tu pretežno stvaraju kristali mješanci

s rešetkom komponente B (β-kristali mješanci). Granica između ta dva područja je legura

eutektičkog sastava, XE.

XE : legura eutektičkog sastava

X<XE : legure podeutektičkog sastava

X>XE : legure nadeutektičkog sastava

Na slici je označeno pet legura: X1, X2, XE, X3 i X4.

Te legure kristaliziraju na sljedeći način:

Legura X1

Legura X1 počinje skrućivanje u točki L1 koja na krivulji hlađenja označuje početak

smanjenja brzine hlađenja, a završava u točki S1 kada je legura potpuno skrućena.

Kristali koji nastaju između točaka L1 i S1 imaju rešetku komponente A koja u sebi sadrži i

atome komponente B i označeni su s α’. Sastav tih kristala mješanaca može se za pojedinu

temperaturu očitati na presjecištu izoterme s dijelom solidus crte A - C. Ovi kristali mješanci

zovu se alfa-primarni i označuju s α'. Za vrijeme hlađenja od točke L1 do S1 stvara se sve

više kristala α' sa sve većim sadržajem atoma komponente B. Istodobno se mijenja i sastav

preostale taljevine (po crti A - E), ali joj se smanjuje maseni udio. U svakom trenutku

maseni udjeli taljevine i krute faze α' mogu se izračunati primjenom polužnog pravila. Dok

traje ovaj proces, krivulja hlađenja ima usporenje (od točke L1 do S1).

Nakon završetka skrućivanja u točki S1 legura X1 se sastoji samo od kristala mješanaca α' i

daljnjim hlađenjem joj se struktura ne mijenja.

Legura X2

Legura X2 je podeutektičkog sastava. Njeno skrućivanje počinje u točki L2 izlučivanjem iz

taljevine α’-kristala mješanca.

Page 22: Materijali I Drugi Dio 2006

21

Daljnjim hlađenjem stvara se sve više α’-kristala mješanaca u kojima raste sadržaj atoma

komponente B. Maseni udio taljevine u sustavu se smanjuje, a sastav mijenja (bogatija na

B).

Kada temperatura padne na ϑE (eutektička temperatura), α' dostiže granični sastav (točka

C). U α’-kristale mješance ne može se ugraditi više komponente B. Istodobno, preostala

taljevina poprima sastav XE i ulazi u eutektičku pretvorbu:

T → αe + βe

αe + βe = E

U eutektičkoj pretvorbi istodobno se stvaraju kristali mješanci s rešetkom komponente A

(alfa-eutektički, αe) i kristali mješanci s rešetkom komponente B (beta-eutektički, βe).

Zajednički αe i βe čine pseudofazu koja se naziva eutektikum i označuje s E. Termin

pseudofaza upotrijebljen je zato jer nije homogena tvorevina (ima kristale različitih

rešetaka), a ipak ima neka obilježja faze, npr. granice zrna, prosječnu tvrdoću, prosječni

sastav, oblik zrna i slično. Sastavni dijelovi faza i pseudofaza uobičajeno se nazivaju

konstituenti. Pritom su vezani oni konstituenti koji su uključeni u pseudofaze, dok su ostali

slobodni konstituenti. U nekim sustavima legura pojedini konstituenti, faze i pseudofaze

dobivaju posebna imena. Kristalizacija eutektikuma ima obilježje kristalizacije čistog metala

(temperatura stoji) jer je, zbog istodobnog stvaranja α i β-kristala, oslobađena količina

latentne topline dovoljna za nadoknađenje odvedene topline. Nakon završetka eutektičke

pretvorbe legura X2 je potpuno skrućena i ima strukturu α'+E koju zadržava i na nižim

temperaturama. Ova tvrdnja nije sasvim točna jer su time zanemarene promjene strukture

koje nastaju uslijed promjena sastava α-kristala mješanaca (crta C - F) i β-kristala mješanaca

(crta D - G). Ipak, te promjene su toliko male da ih je opravdano zanemariti.

Slična analiza vrijedi za sve podeutektičke legure, tj. u polju A -C - E njihova se struktura

sastoji od taljevine i α', a u polju C - E - E' - F od α' i eutektikuma.

Legura XE

Legura eutektičkog sastava ističe se time što ima najniže skrutište (i talište) od svih legura

toga sustava što je važno iz tehnoloških razloga. Naime, za taljenje eutektičke legure

potrebno je najmanje energije. Zato lemovi uglavnom imaju eutektički sastav, kao i sivi

Page 23: Materijali I Drugi Dio 2006

22

lijev, jedan od najzastupljenijih ljevačkih materijala. Kod ove legure ne pojavljuju se

primarni kristali mješanci, nego se skrućivanje sastoji samo od eutektičke kristalizacije na

eutektičkoj temperaturi, slično kao kod čistih metala, što je ilustrirano krivuljom hlađenja.

Nakon skrućivanja ova legura sastoji se samo od eutektikuma: E = αe + βe.

Legura X3

Legura X3 započinje skrućivanje u točki L3 izlučivanjem kristala mješanaca s rešetkom

komponente B koji se zovu beta-primarni i označuju s β’.

Za nadeutektičke legure vrijedi slična analiza kao za podeutektičke, ali umjesto α' sada se

pojavljuje β'-kristal mješanac. Dakle, u polju E - D - B bit će prisutni taljevina i β', a u polju

E - D - G - E' bit će prisutni β' i eutektikum.

Legura X4

Legura X4 započinje skrućivanje u točki L4 a završava skrućivanje kao monofazna (β') i

dalje joj se struktura ne mijenja.

Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektičkom dijagramu stanja prikazan je na slici.

Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektičkom dijagramu

Page 24: Materijali I Drugi Dio 2006

23

Kristalna zrna vezanih konstituenata u eutektikumu uvijek su manja od odgovarajućih

primarnih zrna jer se, zbog istodobne kristalizacije αe i βe stvara više klica kristalizacije,

nego kod kristalizacije primarnih zrna.

Budući da sitnozrnate strukture u pravilu imaju dobra svojstva, odatle i dolazi naziv

eutektikum (grčki: εu = dobar, tehnein = graditi).

U eutektičkom dijagramu konstituenti krutih faza i faze koje oni tvore su sljedeći:

α’ α

β

β’

αe

βe

E

Konstituent Faza Pseudofaza

EUTEKTOIDNI DIJAGRAM STANJA

Eutektoidni dijagram stanja sličan je eutektičkom uz bitnu razliku što se kod njega radi o

pretvorbi u krutom stanju, tj. prekristalizaciji. Jedan od mogućih općih oblika eutektoidnog

dijagrama stanja prikazan je na slici.

Page 25: Materijali I Drugi Dio 2006

24

A

B

CD

Eid

F G

XF XGXi d

X, %B

ϑ, Colikvidus

solidus

T

T+γ

β α β'+( + )id id

β'

Γγ

Γγ β+ '

α'

α α β'+( + )id id

ϑid

Γγ α+ '

Opći oblik eutektoidnog dijagrama stanja

Sve legure iz ovog sustava nakon primarne kristalizacije imaju monofaznu strukturu koja se

sastoji od kristala mješanaca s kristalnom rešetkom komponente A, označenih s γ koji su

stabilni samo na višim temperaturama.. Primarna kristalizacija je skrućivanje, tj. prijelaz

iz tekućeg u kruto stanje. U trenutku kad više nema taljevine, primarna kristalizacija je

završena. Sve daljnje pretvorbe u krutom stanju spadaju u sekundarnu kristalizaciju.

Ako je s Xid označen eutektoidni sastav legure, onda su:

X<Xid : podeutektoidne legure

X>Xid : nadeutektoidne legure

Kod svih podeutektoidnih legura na temperaturnoj granici C - Eid počinje prekristalizacija tj.

izlučivanje kristala mješanaca s kristalnom rešetkom komponente A stabilnih na nižim

temperaturama. Ti kristali označeni su s α'.

Podeutektoidne legure čiji sastav leži lijevo od XF završavaju sekundarnu kristalizaciju kao

monofazne legure koje se sastoje od kristala α'.

Page 26: Materijali I Drugi Dio 2006

25

Kod podeutektoidnih legura čiji sastav leži desno od XF pri temperaturi ϑid nastupa

eutektoidna pretvorba kod koje preostali γ-kristali prelaze u smjesu kristala s kristalnom

rešetkom komponente A (αid) i s kristalnom rešetkom komponente B (βid). Ta smjesa

kristala naziva se eutektoid.

na ϑid : γ → αid + βid = Eutektoid

Eutektoid je pseudofaza jer ima neka obilježja prave faze (npr. prosječni sastav, tvrdoću,

oblik zrna), ali nije prava faza jer se sastoji od raznovrsnih konstituenata (αid, βid).

Eutektoidna legura (x=xid) prekristalizira na ϑid direktno u čisti eutektoid :

γ → αid + βid

Kod svih nadeutektoidnih legura na temperaturnoj granici E - D počinje izlučivanje kristala

mješanaca s kristalnom rešetkom komponente B, označenih s β'.

Kod nadeutektoidnih legura koje imaju sastav između Xid i XG pri temperaturi ϑid nastupa

eutektoidna pretvorba kod koje preostali γ-kristali prelaze u smjesu kristala s kristalnom

rešetkom komponente A (αid) i s kristalnom rešetkom komponente B (βid).

To je eutektoid (αid + βid) koji je sam po sebi jednak za sve podeutektoidne, eutektoidnu i

sve nadeutektoidne legure kod kojih je prisutan. Njegova obilježja su da se sastoji od αid i βid

i da ima fiksni prosječni sastav Xid. Nadeutektoidne legure koje imaju sastav veći od XG

završavaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od β'-kristala.

LEGURE ŽELJEZO - UGLJIK

Kod realnih materijala pojavljuju se i složeniji dijagrami stanja. Tako legure željezo-ugljik

kristaliziraju prema dijagramu stanja koji ima peritektički, eutektički i eutektoidni dio.

To je binarni sustav (iako realne legure tog sustava nikada nisu čisto binarne), a dvije

komponente koje ga čine su željezo i ugljik.

Page 27: Materijali I Drugi Dio 2006

26

Željezo, Fe

Željezo je metal koji ima najširu tehničku primjenu, ali gotovo isključivo kao legure s

ugljikom C. Čisto željezo je magnetično, sivo-bijele boje, duktilno i mekano, srednje

čvrstoće.

Željezo ima 26 elektrona (2 vanjska u četvrtoj ljusci).

Shematski prikaz atoma željeza

Model atoma željeza

Page 28: Materijali I Drugi Dio 2006

27

Radius atoma: RFe= 124 pm

Željezo iskazuje polimorfiju, tj. pojavljuje se u više kristalnih rešetki (alotropskih

modifikacija) ovisno o temperaturi.

Alotropske modifikacije željeza pri hlađenju i grijanju

Pri hlađenju iz rastaljenog stanja željezo na 1536oC kristalizira u δ Fe s BCC rešetkom koja

je stabilna do 1392oC kada preklistalizira u γ Fe s FCC rešetkom. Na 898oC γ Fe

preklistalizira u α Fe koje ima BCC rešetku kao i δ Fe. Ispod 770oC (Currie-temperatura)

α Fe postaje magnetično, odnosno kod zagrijavanja prestaje biti magnetično. Kod

zagrijavanja je tijek promjena obrnut, a do prekristalizacije iz α Fe u γ Fe dolazi sa

zakašnjenjem (histerezom) od 13oC.

Posljedica prekristalizacije željeza su i skokovite dimenzionalne promjene uslijed razlike u

gustoći slaganja atoma u BCC i FCC rešetki.

Page 29: Materijali I Drugi Dio 2006

28

Ugljik, C

Ugljik je najvažniji legirni element za materijale na bazi željeza. Pojavljuje se u četiri

alotropske modifikacije: amorfna (koks) i tri kristalne, grafit, dijamant i fulereni.

Ugljik ima 6 elektrona (4 vanjska u drugoj ljusci).

Shematski prikaz atoma ugljika

Radius atoma: RC= 77 pm

Ugljik se u Fe-C legure uključuje na tri načina, što ovisi o načinu kristalizacije. Dva su tipa

ravnotežne kristalizacije kod Fe-C legura: stabilna i metastabilna kristalizacija.

Stabilna kristalizacija čistih Fe-C legura može nastupiti samo kod ekstremno sporog

hlađenja. Ovisno o temperaturi i sastavu, atomi ugljika u tom slučaju ulaze u rešetku željeza

tvoreći tako intersticijske kristale mješance (δ, γ, α) ili tvore kristale grafita (Cg).

Grafit ima slojevitu strukturu u kojoj su ugljikovi atomi u slojevima povezani čvrstom

kovalentnom vezom tvoreći heksagonske prstene. Slojevi su međusobno povezani

slabijim Van der Waalsovim vezama (vidi sliku).

Page 30: Materijali I Drugi Dio 2006

29

Kristalna struktura grafita

Metastabilna kristalizacija Fe-C legura nastupa pri realno sporom hlađenju. Ugljik i kod

ovakve kristalizacije tvori intersticijske kristale mješance (δ, γ, α), a umjesto grafita

pojavljuje se Željezni karbid koji se naziva cementit (Fe3C). Cementit je intermetalni spoj

nepromjenjivog sastava od 6,67% C. Ima kompliciranu ortorombsku rešetku. Ta rešetka

nema kliznih ravnina pa je zato cementit tvrd i krhak.

Strogo gledajući, metastabilna kristalizacija nije ravnotežna jer cementit nije potpuno

stabilan (može se razgraditi u α-kristale mješance i grafit). Ipak, u većini praktičkih uvjeta

cementit je jako stabilan pa se zato može smatrati ravnotežnom fazom.

Dakle, ugljik se u ravnotežno skrućenim Fe-C legurama pojavljuje u kristalima mješancima

(δ, γ, α) i kao grafit (Cg) kod stabilne kristalizacije ili u cementitu (Fe3C) kod metastabilne

kristalizacije.

Amorfna i dijamantna modifikacija ugljika ne pojavljuju se u Fe-C legurama, osim u obliku

vrlo tankih površinskih prevlaka (DLC = Diamond like carbon) kod kojih je struktura

pretežno dijamantna, a djelomično amorfna.

Page 31: Materijali I Drugi Dio 2006

30

Fe - C DIJAGRAM STANJA ZA METASTABILNU

KRISTALIZACIJU

U slučaju realno sporog hlađenja, tj. metastabilne kristalizacije Fe - C legura ostatak ugljika

koji nije u kristalima mješancima (δ, γ, α) kristalizirat će u obliku željeznog karbida Fe3C,

cementita.

Dijagram stanja Fe-C za metastabilnu kristalizaciju

Likvidus krivulja je A - D - E – B, a solidus krivulja je A - C - F - H - E - J. Eutektički

sastav je 4,3 %C, a eutektička temperatura je 1147 oC.

Legure koje sadrže više od 4,3 %C su nadeutektičke legure. Legure koje sadrže manje od

4,3 %C, a više od 2,03 %C su podeutektičke legure.

Eutektoidni sastav je 0,8 %C, a eutektoidna temperatura je 723 oC.

Legure koje sadrže manje od 2,03 %C, a više od 0,8 %C su nadeutektoidne legure. Legure

koje sadrže manje od 0,8 %C su podeutektoidne legure.

Page 32: Materijali I Drugi Dio 2006

31

Uobičajena je također podjela na čelike (legure s manje od 2,03 %C) i bijele lijevove

(legure s više od 2,03 %C).

U kolegiju Materijali I izostavlja se analiza peritektičke kristalizacije između točaka A - G -

F - D - A.

U legurama koje pri hlađenju dolaze na granicu D - E počinju se iz taljevine izlučivati

kristali primarnog austenita, γ’, intersticijskog kristala mješanca γ Fe i ugljika. Kod

metastabilne kristalizacije maksimalna topljivost ugljika u austenitu iznosi 2,03 %C na 1147 oC, a na 723 oC topljivost pada na 0,8 %C.

Austenit ima deformiranu FCC rešetku jer se u nekim oktaedarskim prazninama te rešetke

nalaze atomi ugljika. Budući da je atom ugljika veći od raspoložive praznine, izazvana

deformacija rešetke onemogućuje ulazak ugljikovih atoma u svaku jediničnu ćeliju

γ Fe. Kod maksimalne koncentracije od 2,03 %C približno je svaka treća jedinična ćelija

zauzeta atomom ugljika (vidi sliku).

FCC (100)

idealnarešetka

deformiranarešetka

R = 77 pmR = 124 pmr 0,41 R = 51 pm

C

Fe

Fe Feγ =

R > rC Feγ

Shematski prikaz "zauzetosti" kristala austenita atomima ugljika u oktaedarskim prazninama

jediničnih ćelija γ Fe

Sekundarna kristalizacija podeutektoidnih Fe-C legura počinje na granici K - M

izlučivanjem kristala mješanaca primarnog ferita, α', intersticijskog kristala mješanca α Fe i

Page 33: Materijali I Drugi Dio 2006

32

ugljika. Maksimalna topljivost ugljika u feritu je 0,025 %C na 723 oC, a na 20 oC pada na

2×10-7 %C što je praktički jednako nuli.

Ferit, slično kao austenit, ima deformiranu BCC rešetku jer se u nekim, vrlo rijetkim,

tetraedarskim prazninama te rešetke nalaze atomi ugljika. Budući da je atom ugljika puno

veći od raspoložive praznine, izazvana deformacija puno je veća nego kod austenita. Zato

kod maksimalne koncentracije od 0,025 %C tek na približno svakih petsto jediničnih BCC

ćelija dolazi jedan atom ugljika (vidi sliku).

BCC (100)

idealnarešetka

deformiranarešetka

R = 77 pmR = 124 pmr = 0,29 R = 35 pm

C

Fe

Fe Feα

R >> rC Feα

Shematski prikaz "zauzetosti" kristala ferita atomima ugljika u tetraedarskim prazninama

jediničnih ćelija α-željeza.

Sastav α'-kristala mješanaca mijenja se s padom temperature po granici K – L, a sastav

γ' kristala mješanaca po granici K - M, uz istodobno povećanje masenog udjela α' kristala

mješanaca na račun γ' kristala mješanaca. Sve podeutektoidne legure, osim onih s manje od

0,025 %C, na temperaturi od 723 oC doživljavaju eutektoidnu pretvorbu u kojoj se preostali

γ'-kristali mješanci, koji su upravo poprimili sastav od 0,8 %C, pretvaraju u eutektoid koji se

sastoji od eutektoidnog ferita (αid) i eutektoidnog cementita (Fe3Cid):

723 oC: Eutektoidna pretvorba

γ' → αid + Fe3Cid = P

Page 34: Materijali I Drugi Dio 2006

33

Ovaj eutektoid naziva se perlit (P).

Struktura podeutektoidnih legura nakon završetka eutektoidne pretvorbe sastoji se dakle od

α', αid i Fe3Cid i ostaje takva do sobne temperature, jer su daljnje promjene izazvane

smanjenjem topljivosti ferita tako malene da se mogu zanemariti.

Sekundarna kristalizacija nadeutektoidnih legura počinje na granici H - M, kada se zbog

smanjenja topljivosti ugljika u austenitu počinje na granicama zrna izlučivati sekundarni

cementit (Fe3C''). Njegov se količinski udio povećava sve do 723 oC kada preostali austenit

poprima sastav od 0,8 %C i doživljava eutektoidnu pretvorbu identičnu kao i kod

podeutektoidnih legura.

Struktura nadeutektoidnih legura nakon završetka eutektoidne pretvorbe sastoji se od Fe3C'',

αid i Fe3Cid i ostaje takva i nakon završetka hlađenja.

Primarna kristalizacija podeutektičkih legura počinje na granici D - E izlučivanjem

γ'-kristala mješanaca. Udio ugrađenog ugljika u njima raste s padom temperature, a raste i

njihov maseni udio na račun taljevine kojoj koncentracija ugljika također raste, ali se

smanjuje njena količina.

Na temperaturi od 1147 oC sastav γ' iznosi graničnih 2,03 %C, a preostale taljevine 4,3 %C i

u tom trenutku počinje eutektička pretvorba preostale taljevine u eutektikum koji se sastoji

od eutektičkog austenita (γe) i eutektičkog cementita (Fe3Ce) :

1147 oC: Eutektička pretvorba

T → γe + Fe3Ce = L

Ovaj eutektikum naziva se ledeburit (L).

Neposredno nakon završetka eutektičke pretvorbe struktura podeutektičkih legura sastoji se

od γ', γe i Fe3Ce. Hlađenje ispod 1147 oC izaziva zbog smanjenja topljivosti ugljika u

austenitu (granica H - M) izlazak dijela atoma ugljika iz γ' i γe i formiranje sekundarnog

cementita Fe3C''. To traje do 723 oC kada se u eutektoidnoj pretvorbi preostali γ' i γe kristali

mješanci, kojima se koncentracija ugljika upravo smanjila na 0,8 %C, transformiraju u

perlit. Nakon završetka eutektoidne pretvorbe i dalje struktura podeutektičkih legura sastoji

se od Fe3Ce, Fe3C'', αid i Fe3Cid.

Page 35: Materijali I Drugi Dio 2006

34

Kod nadeutektičkih legura na likvidus granici (B - E) počinje izlučivanje kristala

primarnog cementita (Fe3C'). Hlađenjem raste udio Fe3C', a pada udio taljevine u kojoj se

koncentracija ugljika smanjuje sve do 4,3 %C na 1147 oC kada se eutektičkom pretvorbom

transformira u ledeburit (γe i Fe3Ce).

Pri daljnjem hlađenju eutektički austenit otpušta ugljikove atome koji tvore Fe3C'', a na

723 oC preostali γe kristali mješanci transformiraju se u perlit (αid + Fe3Cid) i od tada dalje

zadržava se struktura Fe3C' + Fe3Ce + Fe3C'' + αid + Fe3Cid.

Sve metastabilno kristalizirane Fe-C legure na sobnoj temperaturi sastoje se od raznih

konstituenata feritne i karbidne (cementitne) faze. Konstituenti i faze koji nastaju

metastabilnom kristalizacijom Fe-C legura su:

γ’

γe

Fe C’’3

L (ledeburit)

Konstituent Faza Pseudofaza

Fe C’3

Fe C3id

Fe C3e

α’

αid

δ

A

K

F

P (perlit)

Page 36: Materijali I Drugi Dio 2006

35

Konstituenti koji su u sastavu pseudofaza, tj. γe i Fe3Ce te αid i Fe3Cid su vezani konstituenti,

dok su svi ostali slobodni konstituenti.

Radi boljeg uočavanja slijeda pretvorbi u Fe-C dijagramu, shematski je prikazana

mikrostruktura u pojedinim poljima dijagrama.

Shematski prikaz mikrostruktura u Fe-C dijagramu stanja za metastabilnu kristalizaciju

Najvažnije su mikrostrukture podeutektodnih, eutektoidnog i nadeutektoidnih čelika,

prikazane na sljedećim slikama.

Page 37: Materijali I Drugi Dio 2006

36

Shematski prikaz mikrostrukture podeutektoidnih metastabilno skrućenih Fe-C legura

na 20°C

Shematski prikaz mikrostrukture eutektoidne metastabilno skrućene Fe-C legure na 20°C

Shematski prikaz mikrostrukture nadeutektoidnih metastabilno skrućenih Fe-C legura

na 20°C

Page 38: Materijali I Drugi Dio 2006

37

Treba napomenuti da je shematsko prikazivanje mikrostrukture pojednostavljeno i da se

dosta razlikuje od stvarnog izgleda mikrostruktura, (usporedi sa sljedećim slikama).

Mikrostruktura nelegiranog čelika s 0,2 %C. Nagrizeno nitalom (smjesa dušične kiseline

i alkohola). Povećanje 200:1.

Isto kao prethodna slika. Povećanje 1000:1.

Page 39: Materijali I Drugi Dio 2006

38

Mikrostruktura nelegiranog čelika s 0,8 %C. Nagrizeno nitalom. Povećanje 200:1.

Isto kao prethodna slika. Povećanje 1000:1.

Page 40: Materijali I Drugi Dio 2006

39

Mikrostruktura nelegiranog čelika s 1,8 %C. Nagrizeno nitalom. Povećanje 200:1.

Isto kao prethodna slika. Povećanje 1000:1.

U kolegiju Materijali I izostavlja se detaljna analiza stabilne kristalizacije Fe-C legura,

pri kojoj, uz ekstremno sporo hlađenje, ugljik formira konstituente grafita Cg′, Cge, Cg″ i

Cgid umjesto konstituenata cementita Fe3C’, Fe3Ce, Fe3C’’ i Fe3Cid.

Page 41: Materijali I Drugi Dio 2006

40

NERAVNOTEŽNE PRETVORBE Fe-C LEGURA

Pretvorbe strukture Fe-C legura pri hlađenju ovise o brzini hlađenja. S porastom brzine

hlađenja smanjuje se mogućnost difuzije i udaljava se od ravnotežnog stanja. Za hlađenje

iz austenitnog područja orijentaciono vrijedi:

hlađenje pretvorbe

ekstremno sporo

(u peći) stabilne

realno sporo

(na zraku) metastabilne

ravnotežne

brzo

(u vodi) neravnotežne

PROMJENA OBLIKA Fe –C DIJAGRAMA S POVEĆANJEM BRZINE HLAĐENJA Pri toplinskoj analizi čistog željeza gdje je brzina hlađenja bila približno jednaka 0,

zabilježena je toplinska histereza pri pretvorbi γ⇔α željezo od 13°C ( 911 –898°C) .

Povećanjem brzine hlađenja ta histereza postaje sve veća ( vidi sliku!)

Page 42: Materijali I Drugi Dio 2006

41

Pri vrlo brzom hlađenju (gašenju) metastabilno kristaliziranih Fe-C legura ( čelika)

granice pretvorbe A1, A3 i Acm prelaze u jedinstvenu krivulju Ms koja označava početak

stvaranja nove faze martenzita koji se označava simbolom M. Ms linija spaja točke

početka fazne pretvorbe A ⇒ M (martensite start). S povećanjem sadržaja ugljika u

Page 43: Materijali I Drugi Dio 2006

42

čelicima temperatura Ms se smanjuje. Na isti način smanjuju se i temperature završetka

pretvorbe A ⇒ M, Mf (martensite finish).Za čelik s oko 0,6 %C Mf temperatura iznosi

≈20 0C odnosno Mf linija sječe os apscisu. Ovaj dijagram se zove Uptonov dijagram

koji, za vrlo brzo hlađenje, pokazuje strukturne faze prisutne u čelicima na različitim

temperaturama u ovisnosti o sadržaju ugljika. Za podeutektoidne čelike u temperaturnom

području od A3 do Ms prisutan je Ap- pothlađeni austenit, između Ms i Mf linije Ap i M, a

ispod Mf linije samo M. Podeutektoidni čelici s više od 0,6 % C sadrže dakle nakon vrlo

brzog hlađenja na sobnoj temperaturi osim martenzita i pothlađeni austenit koji se tu

naziva zaostali austenit Az. Nadeutektoidni čelici osim ove dvije faze sadrže i karbidnu

fazu K ( Fe3C-cementit): nakon vrlo brzog hlađenja kod nadeutektoidnih čelika na sobnoj

temperaturi prisutni su dakle Az + M +K. Za eliminaciju Az (čelici s više od 0,6 %C)

čelik treba ohladiti na temperaturu nižu od Mf odnosno provesti postupak dubokog

hlađenja.

MARTENZIT

Martenzit je prezasićeni ristal mješanac ugljika u prostorno centriranoj tetragonalnoj

rešetci željeza. Martenzit nastaje isključivo pretvorbom iz austenita, nakon vrlo brzog

hlađenja (gašenja) čelika.. Postupak toplinske obrade čelika koji se sastoji od ugrijavanja

čelika u temperaturno područje gdje je prisutna austenitna faza s naknadnim vrlo brzim

hlađenjem (gašenjem) naziva se kaljenje čelika.

U kristalima mješancima austenita ugljikovi atomi intersticijski su otopljeni u FCC

rešetki γ Fe. Zna se da je moguće rastvoriti (otopiti) da max 2,03 %C u austenitu. Vrlo

brzim gašenjem čelika iz austenitnog područja, pri kojem hlađenju je difuzija atoma

gotovo potpuno onemogućena ugljikovi atomi ostaju prisilno otopljeni (zarobljeni) u

martenzitnoj rešetki.

Gašenje (vrlo brzo hlađenje) čelika ima za posljedicu martenzitnu kristalnu rešetku koja

nije kubična, odnosno BCC kao što je to kod ferita nego BCT ( body centered tetragonal)

(vidi sliku):

Page 44: Materijali I Drugi Dio 2006

43

Martenzitna kristalna rešetka (BCT) nastala je preklapanjem austenitne rešetke (FCC)

bez difuzije odnosno bez «seljenja» atoma! Martenzitna rešetka je zbog prisustva prisilno

otopljenih ugljikovih atoma distordirana u jednom smjeru, odnosno c>aM .

Odnos te dvije stranice jedinične ćelije martenzitne rešetke :

c/aM ,

naziva se stupanj tetragonalnosti. za koji vrijedi da je

c/aM>1. Što je stupanj tetragonalnosti veći to je martenzitna kristalna rešetka više distordirana.

Posljedica toga je iznimno velika tvrdoća ( i čvrstoća) čelika u tom stanju te ujedno

njegova krhkost.

aA

aA

aA

C

Fe

A : FCC + C

AM

AM

c

C

Fe

M : BCT +C

Page 45: Materijali I Drugi Dio 2006

44

Druga posljedica martenzitne pretvorbe jest povećanje volumena čelika u martenzitnom

stanju u odnosu na perlitno-feritno stanje jer je volumen tetragona veći od volumena

kocke za istu bazu ( pretpostavka aM ≈ aF).

Distordiranost martenzitne rešetke, iskazana kroz stupanj tetragonalnosti, je to veća što

čelik sadrži više ugljika.

Optimalna temperatura austenitizacije Da bi se neki čelik zakalio, odnosno postigla martenzitna mikrostruktura, a s time i

visoka tvrdoća, čelik treba zagrijati na temperaturu austenitizacije te nakon toga dovoljno

brzo ohladiti (gasiti), brzinom većom ili jednakom od gornje kritične brzine gašenja, vkg.

Pitanje je koja je to temperatura austenitizacije koja daje najvišu tvrdoću? Pojas

optimalnih temperatura austenitizacije označen je u «čeličnom» dijelu Fe – C dijagrama :

A1 , A3 i Acm jesu granice pretvorbi početka i završetka sekundarne kristalizacije čelika za

uvjete metastabilne kristalizacije odnosno realno sporog hlađenja. Ovaj će nam dijagram

poslužiti da se utvrdi na koju temperaturu valja zagrijati čelik prije hlađenja. Budući da

martenzit može nastati isključivo iz austenita logično je da čelik treba zagrijati u područje

monofaznog austenita. Za podeutektoidne čelike je stvarno tako.

ϑA = A3 + ( 30 – 70) °C

Page 46: Materijali I Drugi Dio 2006

45

Nadkritičnim hlađenjem s te temperature dobiva se 100 % M u čeliku. Istina samo za

podeutektoidne čelike s manje od 0,6 % C. Za one s više od 0,6 %C potrebno je gašenje

na temperaturu nižu od sobne ( Upton).

Gašenje s temperature između A3 i A1 ne bi dalo 100 % M nego M + F. Dakle mekani

ferit ostao bi uz martenzit u kaljenom čeliku i snizio mu tvrdoću. Takav postupak kaljenja

ne bi bio ispravan.

Nadeutektoidni čelici se pri austenitizaciji ne griju iznad Acm u monofazno austenitno

područje već samo nešto iznad A1

ϑA = A1 + ( 50 – 70) °C

Zašto? Gašenjem iz područja A + K dobiva se na sobnoj temperaturi

M + K + (Az)

K jeste željezni karbid – cementit visoke tvrdoće ( 1000 HV) pa na taj način doprinosi

visokoj tvrdoći. Zaostali austenit je neizbježan kod nadeutektoidnih čelika ukoliko se

hlade do sobne temperature (Upton). Ako se čelik ugrijao iznad Acm dobio bi se nakon

gašenja grubozrnati martenzit i zaostali austenit bez karbida pa bi prema tome i tvrdoća

bila niža.

TTT dijagrami (Time-Temperature- Transformation)

TTT dijagrami premošćuju zbivanja pri hlađenju od realno sporog hlađenja (Fe-C

dijagram) do vrlo brzog hlađenja (Uptonov dijagram).

TTT dijagram za podeutektoidni čelik konstruiran pomoću Fe-C i Uptonovog dijagrama

pokazuje sljedeća slika:

Page 47: Materijali I Drugi Dio 2006

46

TTT dijagram

Faze prisutne u TTT dijagramu jesu:

F –ferit, P – perlit (pseudo faza), Ap – pothlađeni austenit, B –bainit ( tzv. među struktura

koja se sastoji od ferita i cementita. Tvrđa od perlita ali mekša od martenzita),

M – martenzit.

Az – zaostali austenit (svi čelici s više od 0,6% C)

TTT dijagrami mogu biti kontinuirani (hlađenje se ne prekida) i izotermički (hladi se

brzo do temperature izoterme i drži na toj temperaturi do završetka pretvorbi).

U kolegiju Materijali I ne obrađuju se izotermički TTT dijagrami.

Kontinuirani TTT dijagrami

• Svi TTT dijagrami imaju na osi apscisa vrijeme t u logaritamskom mjerilu

• Kontinuirani TTT dijagrami imaju ucrtane krivulje hlađenja na kraju kojih stoji

iznos tvrdoće postignut takvim hlađenjem s temperature austenitizacije.

• Obično nije ucrtana Mf linija

Fe-C dijagram

Uptonov dijagram

Page 48: Materijali I Drugi Dio 2006

47

Slijedi TTT dijagram za podeutektoidni čelik

Krivulje hlađenja:

1 – nadkritično gašenje; Postiže se 100 % M ; Postiže se maksimalna tvrdoća za

taj čelik

2- gornja kritična krivulja gašenja. Postiže se također 100 %M i maksimalna

tvrdoća. To je najmanja brzina gašenja s kojom se još postiže 100 % M. Približno se

izračunava prema izrazu:

K/s , t

min i

kgv iA ϑϑ −=

t i min je minimalno vrijeme inkubacije

Page 49: Materijali I Drugi Dio 2006

48

3 – postiže se mikrostruktura: M + B, te niža tvrdoća u odnosu na 1 i 2.

4 - postiže se mikrostruktura: M + B + P i niža tvrdoća u odnosu na 3.

5- donja kritična krivulja hlađenja; postiže se mikrostruktura F + P, niža tvrdoća

u odnosu na 4. Donja kritična brzina gašenje je najveća brzina kojom se ne postiže

martenzitna mikrostruktura. Približno se izračunava prema izrazu:

K/s ,t

n i

kdv dA ϑϑ −=

6 - podkritična krivulja hlađenja. Postiže se F+P , niža tvrdoća u odnosu na 5

7 - podkritična krivulja hlađenja. Postiže se F+P , niža tvrdoća u odnosu na 6

8 - podkritična krivulja hlađenja. Postiže se F+P , niža tvrdoća u odnosu na 7

TTT dijagram za eutektoidni čelik

Kod eutektoidnog čelika (0,8%C) kod vrlo sporog hlađenja ne dolazi do stvaranja feritne

faze već austenit A na temperaturi A1 prelazi u perlit P eutektoidnom reakcijom. Kod

nadkritičnog hlađenja osim martenzita M na sobnoj temperaturi prisutan je i zaostali

austenit Az, kao i kod svih čelika s više od 0,6% C.

Page 50: Materijali I Drugi Dio 2006

49

TTT dijagram za nadeutektoidni čelik

Vrlo sporim hlađenjem kod nadeutektoidnih čelika dobiva se mikrostruktura koja se

sastoji od perlita i karbida ⇒ P+K. Nadkritičnim gašenjem na sobnoj temperaturi pored

martenzita prisutan je i cementit i zaostali austenit ⇒ M+K+Az