željezo 1

Termička obrada metala - Dr Dragan Adamovic 1

Termička obrada metala- Predavanje -

Legure gvožđa


LELEGURE GVOŽĐA

Legure gvoždja su najvažnije i najviše korišćene legure u tehničkoj praksi.

Od celokupne svetske proizvodnje metala njihov je udeo oko 95%.

Velika proizvodnja tehničkog gvoždja omogućena je:

dovoljnom i pristupačnom rezervom gvozdene rude u zemljinoj kori,

relativno lakim načinom prerade rude gvoždja i

velikom raznolikošću fizičkih i mehaničkih osobina legura gvoždja.

U svim vrstama tehničkog gvoždja prisutan je ugljenik koji ima značajan uticaj na osobine legura. Prema sadržaju ugljenika tehnička gvoždja se dele na:

čisto gvoždje (veoma nizak sadržaj ugljenika i ostalih elemenata), čelike (sadržaj ugljenika obično ne prelazi 2), sirovo gvoždje i liveno gvoždje (sadržaj ugljenika iznad 2).


Čisto gvoždje

Atomski broj 26, Atomsku masu 55.847 (preovladava udeo izotopa atomske mase 56, umanjoj meri postoje izotopi 54, 57 i 58);U periodnom sistemu elemenata spada u metale prelazne grupe. Temperatura topljenja je 1538°C, Temperatura ključanja 3070°C. Specifična masa (gustina) gvoždja iznosi (7.874 g/cm3), Specifična toplota (u opsegu temperatura 0 do 100C) 463 J/kgK, Termička provodnost 75 W/mK, Koeficijent termičkog širenja 12.5·10-6 1/°C, Modul elastičnosti E je na normalnoj temperaturi 200400 MPa, Modul na smicanje G je 78000 MPa.


Kriva hladjenja i zagrevanja čistog gvoždja

Tem

pera

tura

Čvr

ste

faze

Ras

top

1538°C

1394°C

900°C 912°C

760°C

Vreme

Fero

mag

.Fe

Para

mag

.Fe

δ - Fe

γ - Fe

α - Fe

TT

Ar4

Ar3

Ar2 AC2

AC3

AC4

TTProstorno centrirana kubna rešetka

Površinsko centriranakubna rešetka

Prostorno centriranakubna rešetka


Ugljenik u legurama gvoždja

Čisto gvoždje je slično kao i drugi čisti metali veoma meko, dobro

obradljivo deformisanjem na hladno i ima malu jačinu. Čak i veoma

mali sadržaj ugljenika, izrazito menja osobine gvoždja.

Ugljenik obrazuje sa gvoždjem intersticijske (adicione) čvrste

rastvore:

intersticijski čvrst rastvor ugljenika u gvoždju α - ferit,

intersticijski čvrst rastvor ugljenika u gvoždju γ - austenit i

intersticijski čvrst rastvor ugljenika u gvoždju δ - δ - ferit.


Ugljenik gradi sa gvoždjem intersticijsko hemijsko jedinjenje - karbid gvoždja

Fe3C, ili se izlučuje kao grafit.

Karbid gvoždja Fe3C koji se naziva cementit (skraćeno Cm) sadrži 6.7

(masenih %) ugljenika i kristališe se po ortorombičnoj rešetki (a≠b≠c;

α=β=γ=90º). Cementit nema alotropske promene. Njegova temperatura

topljenja je 1287°C, specifična masa 7.82 g/cm3, tvrdoća 800 do 1000 HBS.

Zamenom atoma gvoždja u rešetki cementita npr. atomima Cr, Mo, W, Mn

nastaju legirani karbidi (npr. (Fe, Mn)3C i sl.).

Karbid gvoždja Fe3C


Grafit se kristališe po heksagonalnom sistemu; ne topi se, već direktno

prelazi u gasovito stanje pri oko 3370ºC; specifična masa mu je 2.22.

Istegljivost i jačina grafita su u poredjenju sa gvoždjem zanemarljivi.

S obzirom na dva moguća oblika ugljenika (cementit i grafit), neophodno

je razmatrati dva sistema legura gvoždja sa ugljenikom:

metastabilan sistem tj. gvoždje-karbid gvoždja (Fe-Fe3C) i

stabilan sistem tj. gvoždje-grafit (Fe-C).

Grafit


Metastabilan sistem gvoždje-karbid gvoždja (Fe-Fe3C) Ravnotežni dijagram metastabilnog sistema Fe -Fe3C

Rastop (R)

R + γ

γ

γ + α

δ

δ + R

δ + γ

α

γ + Fe3C

α + Fe3C

A

B

C

D

E

N

HJ

S

G

P

Q

K

L

6.74.32.110.77

727°C

1148°C

1287°C

910°C

1539°C1499°C

1392°C

R + Fe3C

0.022

Čelik Liveno gvoždje

NadeutektičkoPodeutektičko

F

Podeutektoidni

Nadeutektoidni

Koncentracija C, Maseni %

Tem

pera

tura

, °C

100% Fe3C


400 C

1400 C

1200 C

1000 C

800 C

600 C

1600 C

Fe

1% C

2% C

3% C

4%C

5% C 6% C 6.70% C

Cementit(Fe3C)

Rastop

α, Ferit

γ, Austenit

δ, ferit

γ + Cementit

R + γ R + cementit

Eutektik

Eutektoid


Faze u binarnom dijagramu Fe-Fe3C

U različitom opsegu koncentracija i temperatura javljaju se sledeće faze:

ferit (α, β), austenit (γ), cementit (Fe3C) i rastop (R).

Ferit predstavlja intersticijski čvrsti rastvor

ugljenika u α - gvoždju;

maksimalna rastvorljivost ugljenika u prostorno

centriranoj kubnoj rešetki gvoždja iznosi

0.022% pri 727ºC.

Ferit ima tvrdoću oko 80 HB, jačinu 250 MPa i

relativno izduženje oko 50%


Austenit je intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u površinski centriranoj kubnoj rešetki gvoždja; maksimalna rastvorljivost ugljenika u γ - Fe iznosi 2.11% pri temperaturi 1148ºC.Tvrdoća austenita je 160-200 HB, jačina 200-800 MPa i izduženje 40-50%, sve u funkciji količine rastvorenog austenita u γ -Fe.

Cementit je hemijsko jedinjenje gvožđa i ugljenika (Fe3C).Cementit je najtvrdja faza u ugljeničnim čelicima, 800-1000 HB, ali je relativno male jačine (295 MPa) i potpuno neistegljiv (A = 0%).


Perlit je eutektoidna smeša α –čvrstog rastvora (ferita) i karbida Fe3C, a predstavlja strukturu koja se sastoji od feritne osnove u kojoj su rasporedjene pločice cementita.Mehanička svojstva perlita nalaze se izmedju svojstava mekog i plastičnog ferita i tvrdog, krtog cementita.

Ledeburit je fina mehanička mešavina austenita (perlita) i primarnog cementita.Ledeburit se odlikuje veoma visokom tvrdoćom i krtošću


Invarijantne reakcije i struktura u sistemu Fe-Fe3C

Peritektička reakcija U peritektičkoj tački J (sl. 4.3) na temperaturi od 1495ºC, gde tečna faza (sa 0.53% C) sa δ-feritom (sa

sadržajem 0.10%), formira austenit (γ) (sa 0.17% C), ova reakcija se odvija po jednačini:

δ-ferit je visokotemperaturska faza i ona se ne nalazi u čelicima na nižim temperaturama.

Eutektička reakcijaU eutektičkoj tački C (sl. 4.3) iz tečne faze (sa sadržajem 4.3% C) formiraju se dve čvrste faze: austenit

(2.11% C) i intermetalno jedinjenje Fe3C (sa 6.7% C). Ova reakcija se odvija na temeperaturi 1148ºC po

jednačini:

Eutektoidna reakcijaU eutektoidnoj tački S (sl. 4.3) iz austenita (sa 0.77% C) formiraju se dve čvrste faze: ferit (sa 0.022% C)

i Fe3C (sa 6.7 % C) (cementit). Ova reakcija se odvija na temperaturi od 727ºC, prema jednačini:

Eutektoidna reakcija obavlja se u potpuno čvrstoj fazi i veoma je značajna za neke vrste termičkih obrada ugljeničnih čelika.

7273 (0.77% ) (0.022% ) (6.7% )Caustenit C ferit C Fe C C⎯⎯⎯→ +

11483 (4.3% ) (2.11% ) (6.7% )Crastop C austenit C Fe C C⎯⎯⎯→ +

1495 C (0.53% ) (0.10% ) austenit (0.17% )rastop C ferit C Cδ+ − ⎯⎯⎯→


Mikrostrukture dvojne legure Fe-Fe3C (sa sadržajem do 2.11% C)Eutektoidni ugljenični čelik

Primenom pravila poluge, za temperaturu blisku 727°C, može se odrediti sadržaj ferita i cementita (u procentima mase, m%) pod pretpostavkom da se celokupan austenit transformisao u perlit:

6.7 0.77% 100 88.8%6.7 0.022

m ferita −= ⋅ =

−

0.77 0.022% 100 11.2%6.7 0.022

m cementita −= ⋅ =

−

Shematski prikaz mikrostruktura eutektoidnog čelika sa 0.77% C i izgled mikrostrukture perlita koji se sastoji iz lamela ferita (bela faza) i cementita (tamna faza) (600× i 1000×)


Dvo-dimensionamorfologija perlita,koji se sastoji iz naizmeničnih slojeva cementita i ferita

Tro-dimenziona analogija morfologije perlitatj. kupus reprezentuje pojedinačne kristale cementita, a voda u kofi pojedinačne kristale ferita.


Eutektoidna transformacija austenita u perlit

Austenit se transformišeizotermički u perlit

Vreme

Vreme, min


Austenite Ferrite + Cementite @ 723ºCLokalni pravac porasta


0.02%C 0.8%C 6.67 %Ctež.% ferita = 10002.067.68.067.6

⋅−−

%3.8810065.687.5

=⋅=

tež.% cementita = 10002.067.6

02.08.0⋅

−−

%7.1110065.678.0

=⋅=

Odnos između ferita i cementita je 8:1

Primer: Pravilo poluge

Odrediti procenat ferita i cementita u perlitu


Podeutektoidni ugljenični čelik

Shematski prikaz mikrostruktura podeutektoidnog čelika sa 0.5% C (a), izgled perlitno-feritne mikrostrukture podeutektoidnog čelika (ferit- svetla zrna, perlit- tamna zrna) (635×) (b) i izgled feritne strukture (c)

a) b) c)


Nadeutektoidni

ugljenični čelik

a) b)

Shematski prikaz mikrostruktura za nadeutektoidni čelik sa 1.2% C (a) i izgled mikrostrukture koja se sastoji od proeutektoidnog cementita (bela faza) koju okružuju zrna perlita (tamna faza) (1000×) (b)


Kristalizacija i prekristalizacija belog livenog gvoždja

Rastop

Rastop (R)

Rastop+

I Cem.

+Austenit

Perlit+

II Cem.

0.77 2.14 4.3Koncentracija C, maseni %

727°C

1148°C

B

J

D

F

CE

S

K

I III II II IIII

R→Aust.

R → Ledeburit

Aust. → II Cem.

Aust. → Perlit

Austenit +Ledeburit +

II Cem.

R → I Cem.

Aust. → II Cem.L

Tem

pera

tura

, °C

Aust.+

II Cem.

I Cem.+

Ledeburit

Perlit + II Cem.+

Ledeburit tr.

I Cem.+

Ledeburit tr.

Aust. → Perlit Aust. → Perlit

R → LedeburitR → Led.

Aust.→ II Cem.L

a1

a2

a3

b1

b2

b3

Ltr LtrLtr

I Cem.

II Cem. P

6.7

Kristalizacija i prekristalizacija belog livenog gvoždja


Površinski udeo struktura u dijagramu stanja Fe-Fe3C

Sauveurov dijagram

Količinski udeo faza u dijagramu stanja Fe-Fe3C

Documents

željezo 1