Metastabilni Fe-C dijagram stanja

Prof. dr. sc. Ivica Kladarić

Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku

STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU

Plan predavanja

1. Uvod

- Općenito o kemijskim elementima Fe i C

- Pojavni oblici ugljika u Fe-C legurama

2. Metastabilna kristalizacija legura Fe-C

- Primarna kristalizacija

- Peritektični sustav

- Sustav potpune rastvorivosti

- Eutektični sustav

- Sekundarna kristalizacija

- Eutektoidni sustav

- Raspad ledeburita

3. Zaključak

3

KEMIJSKI ELEMENT ŽELJEZO (Fe)� Fe od latinskog naziva za željezo – Ferrum,

� poznato od ~2500. godina prije Krista,� u periodnom sustavu elemenata željezo ima

redni broj 26, a nalazi se u 4. periodi i 8. stupcu,

Hematit – Fe2O3Magnetit – Fe3O4 Siderit – FeCO3 Getit – FeO(OH)

� čisto željezo je lako oblikovljivo u toplom i u hladnom stanju i dobro zavarljivo.

84

� do danas nije proizvedeno apsolutno čisto željezo (C, Si, Mn, P, S),

� srebrenaste boje,� ne dolazi u prirodi samorodno,� za dobivanje željeza važne su oksidne rude,� u vlažnom zraku korodira i stvara se hrđa

Općenito o kemijskom elementu Fe

4

BCC- rešetka FCC - rešetka

Željezo je polimorfan materijal i ima dvije alotropne modifikacije:

Raspored atoma u rešetci ovisi o temperaturi pri kojoj se željezo nalazi.

trajanje t, h

tem

pera

tura

ϑ, o C ϑt=1536 oC taljevina

1392 oC 1392 oCAr4

Ar3 Ac3

Ac2Ar2

898oC 911oC

769oC

željezo α

željezo γ

željezo δ

Dijagram toplinske analize (hlađenja i ugrijavanja) tehnički čistog željeza

∆T

∆T – toplinskahistereza 13oC.

Općenito o kemijskom elementu Fe

5

Ugljik (C - Carboneum) je metaloid. U prirodi se pojavljuje u tri alotropske modifikacije i to kao dijamant, grafit ili amorfni ugljik. Javlja se slobodan ili u spojevima.

Čisto Fe nije šire upotrebljivo, treba ga legirati drugim elementima, ponajprije C.

Ugljik je najvažniji dodatak željezu, jer:

- vrlo jako utječe na čvrstoću, tvrdoću i granicu razvlačenja željeznih legura,

- omogućava kaljenje čeličnih legura.

Općenito o kemijskom elementu C

U BCC željezu ugljik je praktično netopiv, a u FCC željezu je samo ograničeno topiv (najviše 2,03 %C pri 1147oC)

Pojavni oblici ugljika u Fe-C legurama

U željeznim legurama ugljik je u obliku:

- kemijskog spoja Fe3C (željeznog karbida, cementita) sa 6,67 %C

- ili u obliku grafita (100 %-tnog heksagonski kristaliziranog ugljika).

Ako se neka legura Fe-C ohlađuje praktično beskonačno sporo iz rastaljenog stanja, Cće se izlučiti u obliku grafita (KC

G=100%).

Ovaj se oblik skrućivanja naziva stabilnim, a ravnotežni se dijagram stanja naziva dijagramom Fe-C za stabilnu kristalizaciju.

Ako se neka legura Fe-C ohlađuje umjereno sporo iz rastaljenog stanja, C će se spojiti sa Fe u željezni karbid (cementit) Fe3C (KC

Fe3C=6,67%).

Ovaj se oblik skrućivanja naziva metastabilnim, a ravnotežni se dijagram stanja naziva dijagramom Fe-C za metastabilnu kristalizaciju (ili dijagramom Fe-Fe3C).

Kod sporog ugrijavanja i/ili dugog držanja pri visokim temperama cementit se raspada po jednadžbi: Fe3C →→→→ 3Fe + C

7

metastabilni

stabilni

-oba su dijagrama eutektičnog tipa,

-oba sadrže peritektično skrućivanjepri niskim %C i visokim temperaturama,

- oba sadrže eutektoidnu pretvorbu u čvrstom stanju.

Fe-C metastabilni i stabilni dijagram stanja

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizacijuMetalurg Sir William Chandler Roberts-Austen (1843.-1902.)

Godine 1899. konstruirao je na osnovi eksperimenta Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju.

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Prave faze:

- taljevina

- austenit

- ferit

- karbid

Pseudofaze:

- ledeburit

- perlit

γγγγ’, γγγγe

δδδδ, αααα’, ααααid

Fe3C’Fe3C’’Fe3C

e

Fe3Cid

γγγγe+Fe3Ce

ααααid+Fe3Cid

T

I I I I I0 0,8 2,03 4,3 6,67

maseni udio ugljika, % (100%Fe3C’)

T

T+δδδδ

γγγγ’+T

T+Fe3C’γγγγe+Fe3C

e

ααααid+Fe3Cid+Fe3C

e+Fe3C’+Fe3C’’ααααid+Fe3Cid+Fe3C

e+Fe3C’’ααααid+Fe3Cid

+Fe3C’’αααα’+ ααααid

+Fe3Cid

γγγγ’+γγγγe+Fe3Ce+Fe3C’’ γγγγe+Fe3C

e+Fe3C’+Fe3C’’

γγγγ’+Fe3C’’

αααα’+γγγγ’

αααα’

γγγγ’

ααααid+Fe3Cid

δδδδ γγγγ’+δδδδ

1536 –1493 –

1392 –

1147 –

911 –

723 –

300 –

tem

pera

tura

, oC

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilna primarna kristalizacija Fe-C legura

I I I I I0 0,51 2,03 4,3 6,67%C

(100%Fe3C’)

T+δδδδ

γγγγ’+T

T+Fe3C’γγγγe+Fe3Ce

1536 –1493 –

1392 –

1147 –

ϑ, oC

Tγγγγ’+δδδδ

δδδδ

γγγγ’

peritektičnisustav

sustavpotpune

otopivosti

eutektičnisustav

LIKVIDUS

SOLIDUS

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilna kristalizacija Fe-C legura – PERITEKTIČNI SUSTAV

I I I I 0 0,10 0,16 0,51

%C

T+δδδδ

γγγγ’+T

1536 –

1493 –

1392 –

ϑ, oC

T

δδδδ

γγγγ’

γγγγ’+δδδδ

0,1 ≤ %C ≤ 0,51

do 1493oC T → δ

Daljnje sniženje temperature uzrokuje pretvorbu δδδδ (za 0,1<%C<0,16) i T (za 0,16<%C<0,51%C) u γγγγ’.

T = f(%C)0,1≤%C<0,16→ δδδδ

%C=0,16 → γγγγ’

0,16<%C≤0,51 → T

na 1493oC KCT=0,51%

KCδ=0,10%

KCγ’=0,16%δ→→→→ γγγγ’

nastupa peritektična reakcija

100% T → 100% δ

100% δ → 100% γ’

%C < 0,10

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilna kristalizacija Fe-C legura –SUSTAV POTPUNE RSTVORIVOSTI

I I I 0,16 0,51 2,03 %C

γγγγ’+T

γγγγ’

1493 –

1147 –

ϑ, oC

T+δδδδ

100%

100%

Austenit – intersticijskikristal mješanac γ-Fe i C

Sniženje temperature između ϑL i ϑS nastupa pretvorba

100% T u 100 % γ’

C

T

1

ϑS

ϑL

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilna kristalizacija Fe-C legura –EUTEKTIČNI SUSTAV

Eutektična reakcija nastupa pri 1147oC kada je u taljevini

KCT=4,3%

T→→→→ γγγγe+Fe3Ce Ledeburit

KCL=4,3%KC

A=2,03%

KCK=6,67%

podeutektičneFe-C legure

nadeutektičneFe-C legure

Sniženje temperature do ϑS (1147oC)

T →→→→ Fe3C’

Na 1147 oC nastupa eutektična reakcija i

preostala T→L

Sniženje temperature do ϑS (1147oC)

T →→→→ γγγγ’

Na 1147 oC nastupa eutektična reakcija i

preostala T→L

%CI I I

2,03 4,3 6,67

T+Fe3C’

T

γγγγe+Fe3Ceγγγγ’+T

1147 –

ϑ, oC

(100%Fe3C’)

Eutektik4,3%C

γγγγe Fe3Ce

Adolf Ledebur (1837-1916)1882. otkrio Fe3C

γγγγ’+γγγγe+Fe3Ce γγγγe+Fe3C

e+Fe3C’

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilna sekundarna kristalizacija Fe-C legura

raspad ledeburita

eutektoidnisustav

I I I I I0 0,8 2,03 4,3 6,67

(100%Fe3C’)

γγγγ’+γγγγe+Fe3Ce+Fe3C’’ γγγγe+Fe3C

e+Fe3C’+Fe3C’’

%C

ααααid+Fe3Cid+Fe3C

e+Fe3C’+Fe3C’’ααααid+Fe3Cid+Fe3C

e+Fe3C’’

γγγγ’

δδδδ γγγγ’+δδδδ

1536 –1493 –

1392 –

1147 –

911 –

723 –

300 –

ϑ, oC

ααααid+Fe3Cid

+Fe3C’’

αααα’+ααααid+Fe3C

id

γγγγ’+Fe3C’’

αααα’+γγγγ’

αααα’

ααααid+Fe3Cid

SOLIDUS

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Eutektoidna reakcija nastupa

pri 723 oC kada je KCA=0,8%

γγγγ’→→→→ ααααid+Fe3Cid Perlit

KCP=0,8%KC

F=0,025%

KCK=6,67%

1563 –1493 –

1392 –

1147 –

911 –

723 –

300 –

Metastabilna kristalizacija Fe-C legura - EUTEKTOIDNI SUSTAV

I I I 0 0,025 0,8 2,03 %C

ϑ,oC

δδδδγγγγ’+δδδδ

γγγγ’

Eutektoid0,8%C

ααααid 6,67 %CFe3C

id

podeutektoidneFe-C legure

ααααid+Fe3Cid

nadeutektoidneFe-C legure

do 723oC γγγγ’ →→→→ αααα’pretvorba FCC u BCC

αααα’ αααα’+γγγγ’

do 723oC γγγγ’ →→→→ Fe3C’’sniženje topivosti C u γ

γγγγ’+Fe3C’’

od 723oC preostali γγγγ’ →→→→ ααααid + Fe3Cid

ααααid+Fe3Cid+Fe3C’’αααα’+ααααid+Fe3C

id

αααα’ Fe3C’’ααααid+Fe3C

id

Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilna kristalizacija Fe-C legura - RASPAD LEDEBURITA

I I I I0,8 2,03 4,3 6,67

(100%Fe3C’)

ααααid+Fe3C

id+Fe3C’’

γγγγ’ + Fe3C’’

αααα’

1147 –

911 –

723 –

300 –%C

ϑ,oCsniženjem temperature

od 1147 oC

do 723 oC

γγγγ’+γγγγe+Fe3Ce γγγγe+Fe3C

e+Fe3C’

γγγγe+Fe3Ce+Fe3C’+ Fe3C’’γγγγ’+γγγγe+Fe3C

e+Fe3C’’Fe3C’’

nastupaeutektoidna reakcija

γγγγ →→→→ ααααid+Fe3Cid

na temperaturi 723oC

ααααid+Fe3Cid+Fe3C

e+Fe3C’+Fe3C’’ααααid+Fe3Cid+Fe3C

e+Fe3C’’ ααααid+Fe3Cidααααid+Fe3C

id

snizuje se otopivost C u γ

KCA=2,03%

KCA=0,8%

4,3 %C – raspadnuti ledeburitαid+Fe3Cid+Fe3Ce+Fe3C’’

ZAKLJUČAK

primarna kristalizacija

sekundarna kristalizacija

eutektična reakcijaT →→→→ L

podeutektoidneFe-C legure

nadeutektičneFe-C legure

eutektoidna reakcijaA →→→→ P

nadeutektoidneFe-C legure

podeutektičneFe-C legure

Čelični ljevovi

Čelici Sivi ljevovi (mješovita kristalizacija)

Bijeli ljevovi (metastabilna kristalizacija)

Alatni čelici

.

Konstru-kcijski čelici