ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1-ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ 2017

Transcript

1 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1-ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ 2017 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ 1 Διάγραμμα ισορροπίας κράμματος Fe-C Το διάγραμμα φάσεων ισορροπίας Fe-C (σιδήρου - άνθρακος) είναι το κλασσικό παράδειγμα για την μελέτη ενός κράματος μετάλλου (Fe) - αμετάλλου (C). Έχει τεράστια πρακτική σημασία διότι στο κράμα αυτό περιέχουνται όλοι οι κοινοί χάλυβες και χυτοσίδηροι. Στο πίνακα 1 αναγράφουνται τα κύρια συστατικά του κράμματος στις διάφορες περιοχές περιεκτιτότητας και θερμοκρασίας. Στο σχήμα Π1.1Α απεικονίζεται το μετασταθές διάγραμμα φάσεων Fe-Fe 3C ή διάγραμμα σιδήρου σεμεντίτου για περιεκτικότητα σε άνθρακα από 0 μέχρι 6.67 wt% (ή από 0 μέχρι 100 wt% σεμεντίτη Fe 3C). Μετασταθές ονομάζεται το διάγραμμα φάσεων Fe-Fe 3C διότι ο σεμεντί (Fe 3C) είναι στην πραγματικότητα μετασταθής ένωση δηλ. ύπο ορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας και περιεκτικότητας σε πυρίτη (Si > 0.78%), διασπάται σε σίδηρο (Fe) και γραφίτη (C). Πίνακας 1: Μονοφασικά πεδία στο Διάγραμμα φάσεων Fe-C Μονοφασικά πεδία Κύρια χαρακτηριστικά α-fe φερρί στερεό διάλυμα άνθρακα σε Fe, κυβικό χωροκεντρωμένο (BCC) μέγιστη διαλυτότητα σε C 0,025 wt% στους 727 C σταθερός στην θερμοκρασία δωματίου πολυμορφικός μετασχησμός προς τον ωστενίτη στους 910 C δ-fe φερρί στερεό διάλυμα άνθρακα σε Fe, κυβικό χωροκεντρωμένο (ΒCC) σταθερός μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες (από 1394 C μέχρι την τήξη στους 1538 C) γ-fe ωστενί στερεό διάλυμα άνθρακα σε Fe, κυβικό έδροκεντρωμένο (FCC) μέγιστη διαλυτότητα σε C 2,14 wt% στους 1147 C σταθερός μόνο σε θερμοκρασίες 727 C μέχρι 1394 C Fe 3C καρβίδιο του σιδήρου, σεμεντί είναι μόνο μετασταθής 6,7wt% C αντιστιχούν σε 100% Fe 3C Ο όρος μικτός κρύσταλλος (στερεό διάλυμα) χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει ότι στο πλέγμα του α-fe (φερρί), δ-fe (φερρί) και γ-fe (ωστενί) υπάρχουν διαλελυμένα άτομα άνθρακος. 1

2 Εικόνα Π1.1 Α: Διάγραμμα φάσεων Fe-C 2

3 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 - ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ Εικόνα Π1.1 Β: Διάγραμμα φάσεων Fe-C Το διάγραμμα Fe-C, εικόνα Π1.1 Β μπορεί να χωριστεί σε τρία υποδιαγράμματα τα οποία χαρακτηρίζουνται από τριφασική ισορροπία και περιέχουν λόγω ισορροπίας αυτής μια οριζόντιο: Α) την περιτεκτική ευθεία HB, T = B) την ευτηκτική ευθεία EF, T = Γ) την ευτηκτοειδή ευθεία PK, T = 723 Τα γενικά του χαρακτηριστικά του διαγράμματος Fe-C συνοψίζονται στη συνέχεια. 3

4 Πίνακας 1: Κύρια σημεία στο διάγραμμα φάσεων Fe-C Α Ι C S E P Ο σίδηρος στερεοποιείται στους 1538 σε πλέγμα κυβικό χωροκεντρωμένο (δ-fe = φερρί). περιτεκτικό σημείο, T = 1493, περιτηκτικός μετασχηματισμός: δ-μικτοί κρύσταλλοι + τήγμα γ-μικτοί κρύσταλλοι ευτηκτικό σημείο, T = 1147, 2,14 wt% C, ευτηκτικός μετασχηματισμός: τήγμα γ-μικτοί κρύσταλλοι + Fe 3C (σεμεντί) Η ευτηκτική σύνθεση έχει το όνομα λεδεμβουρί. ευτηκτοειδές σημείο, Τ = 723,0,76 wt% C, ευτηκτοειδής μετασχηματισμός: γ-μικτοί κρύσταλλοι α-μικτοί κρύσταλλοι + Fe 3C (σεμεντί) Η ευτηκτοειδής σύνθεση έχει το όνομα περλί. μέγιστη διαλυτότητα σε C στον ωστενίτη (2,14 wt% στους 1147 C) μέγιστη διαλυτότητα σε C στον α-φερρίτη (0,022 wt% στους 727 C) 4

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 - ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ 2 Μετασχηματισμοί στα στερεά κράματα 2.1 Ευτηκτοειδής μετασχηματισμός Εικόνα Π1.2: Μεγέθυνση ευτηκτοειδούς περιοχής του διαγράμματος φάσεων Fe-C. ΔΕΙΓΜΑ 1 Ευτηκτοειδές κράμα: 0.76wtt% C, Χαλύβδινη ράβδος που έχει θερμανθεί επι 1 ώρα στους 800 C και ψύχθηκε σε φούρνο (ανοπτήθηκε). (X17, X18) Έγινε επι sec σε αντιδραστήριο 2% (nital). Σε μικρή μεγένθυση φαίνονται κόκκοι διαφόρων αποχρώσεων γκρι ή καστανοκίτρινοι. Σε μεγάλη μεγέθυση οι κόκκοι αποτελούνται απο πλακοειδεϊς κρυσταλλίτες εναλλάξ φερρίτη (α-fe: ανοιχτόχρωμη φάση) και σεμεντίτη (Fe 3C: λεπτά στρώματα τα περισσότερα των οποίων φαίνονται σκούρα). Είναι σαφές από την εικόνα ότι ο κρυσταλλογραφικός προσανατολισμός είναι ουσιαστικά ομοιογενής μέσα σε μία αποικία περλίτη. μικροδομής: 5

6 ΔΕΙΓΜΑ 2 Υποευτηκτοειδές κράμα: 0,35wtt% C, Χαλύβδινη ράβδος. Ψύχθηκε σε φούρνο απο θερμοκρασία 870 C. (X19) Έγινε επί 15 sec σε αντιδραστήριο 2% Nital. Παρατηρούνται περιοχές περλίτη πάνω σε ενα φόντο φερρίτη. Ανάλογα με την χημική προσβολή αποκαλύπτονται όρια κόκκων στον φερρίτη. Η δομή αυτή είναι χαρακτηριστική στους χάλυβες με περιεκτικότητα άνθρακος μικρότερη των 0,35wt% C. μικροδομής: ΔΕΙΓΜΑ 3 απο τους 970 C. (X20) Υπερευτηκτοειδές κράμα: 1,3wtt% C, Χαλύβδινη ράβδος έχει ψυχθεί σε φούρνο Έγινε επί sec σε αντιδραστήριο 2% (nital) Σε μικρή μεγένθυση αποκαλύπτονται ισοαξονικοί κόκκοι με μάλλον ανώμαλα και χονδρά όρια (x50). Σε μεγαλύτερη μεγένθυση οι κόκκοι αναλύονται και δίνουν την περιλιτική μορφή (x500). Επίσης φαίνεται ένα δίχτυ στα όρια των κόκκων που είναι το πλεονάζον καρβίδιο του σιδήρου. μικροδομής: 6

7 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 - ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ 2.2 Μετασχηματισμός του ωστενίτη σε μαρτενσίτη Εικόνα Π1.3: Μεγέθυνση ευτηκτοειδούς περιοχής του διαγράμματος φάσεων Fe-C. Δείγμα 4: Υποευτηκτοειδές κράμα: 0,35wtt% C, Χάλυβας βαμένος σε νερό απο τους 970 (θέρμανση 1 ώρα) (X25) Έγινε επι sec σε αντιδραστήριο 2% (Nital). Παρατηρείται η τυπική μαρτενσιτική δομή. Στο κέντρο του δείγματος μπορεί να βρεθούν μικρά κατακρημνίσματα φερρίτη που έχουν γωνιώδη σχήματα. Αυτα έχουν σχηματισθεί στο κέντρο τομής του δείγματος όπου ο βαθμός ψύξεως δεν αυξήθηκε τόσο όσο στην επιφάνεια. Επίσης μια μικρή ποσότητα περλίτη μπορεί να βρεθεί σε συνδυασμό με τον φερρίτη. μικροδομής: 7

8 2.3 Μετασχηματισμός του ωστενίτη σε δομή Widmanstaetten Δείγμα 5: 0,35wtt% C, Χάλυβας που έχει εξομαλυνθεί απο τους 870 C. (X24) Έγινε επι 20 sec σε αντιδραστήριο 2% (Nital). Παρατηρείται η τυπική δομή Widmanstaetten. Η δομή αυτού του δείγματος μπορεί να συγκριθεί με εκείνη του δείγματος 2 (Χ19). Η διαφορά φαίνεται στήν μορφή του φερρίτη, που σ αυτό το δείγμα φαίνεται σε ογκώδεις και βελονοειδείς σχηματισμούς και πλησιάζει την δομή Widmanstaetten. Ο περλί είναι λεπτότερος στους χάλυβες που έχουν κατεργαστεί με επαναφορά. Στις περλιτικές περιοχές μπορεί να βρεθούν λεπτές φερριτικές βελόνες που δίνουν μία εντύπωση τραχύτητας στο δείγμα. μικροδομής: Η ψύξη στον αέρα (επαναφορά με ψύξη στην ελεύθερη ατμόσφαιρα απο την περιοχή του ωστενίτη, δείγμα 5, X24) δίνει μια δομή περλίτη λεπτότερη απο ότι η αργή ψύξη (ανόπτηση, δείγμα 2, X19) και επομένως η σκληρότητα είναι μεγαλύτερη. Αντίστοιχη δομή ως Widmanstaetten έχει παρατηρηθεί και στους μετεωρίτες και από εκεί έχει πάρει και το όνομά. Η δομή αυτή είναι προβληματική, λόγω ψαθυρότητας που εμφανίζει, η οποία οφείλεται στους προσανατολισμένους βελονοειδείς φερριτικούς κρυστάλλους. Η άρση παραπάνω μικροδομής γίνεται με κατάλληλη ανόπτηση, ακολουθούμενη από ψύξη μέσα στο φούρνο. Με την ανόπτηση πάνω από την άνω κρίσιμη θερμοκρασία επιτυγχάνεται διαλυτοποίηση του φερρίτη στον ωστενίτη και η ανάπτυξη λεπτών κυττάρων ωστενίτη, που μετά την ψύξη μετατρέπεται σε ανεξάρτητους κόκκους περλίτη και κόκκους φερρίτη. 8

9 2.4 Φαιός (ή γκρίζος ) χυτοσίδηρος ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 - ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ Δείγμα 6: > 2 wt% C, χυτοσίδηρος Έγινε σταδικά σε αντιδραστήριο 2% (Nital). Ο άνθρακας στον χυτοσίδηρο μπορεί να υπάρχει σε μορφή: α) χημικής ενώσεως, δηλαδή σαν σεμεντί. β) ελευθέρου άνθρακα, σαν γραφί. Παρατηρείται χωρίς χημική προσβολή φυλλίδια γραφίτη πάνω σε μια φωτεινή και αντανακλαστική επιφάνεια. Παρατηρείται μετά την χημική προσβολή πως ο ελεύθερος γραφί διατηεί τη μορφή φυλλιδίων αλλά βρίσκεται μέσα σε μήτρα φερρίτη και περλίτη. μικροδομής χωρίς χημική μικροδομής μετά την χημική Οι φαιοί χυτοσίδηροι λαμβάνονται με στερεοποίηση, μετά από θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες και, εν συνεχεία, βραδεία απόψυξη. Όταν, κατά τη θέρμανση, το ποσοστό του περιεχομένου άνθρακα υπερβεί τη μέγιστη τιμή διαλυτότητας του στον ωστενίτη, τότε κατά την απόψυξη, ο άνθρακας κατακρημνίζεται υπό τη μορφή φυλλιδίων γραφίτη, μέσα σε φερριτική, περλιτική ή φερριτοπερλιτική μήτρα. Μέτριες ταχύτητες απόψυξης ευνοούν το σχηματισμό περλιτικής μήτρας, ενώ αργές ταχύτητες απόψυξης ευνοούν το σχηματισμό φερριτικής μήτρας. Ονομάζονται και γκρίζοι χυτοσίδηροι, διότι η επιφάνεια θραύσης τους έχει γκρίζο χρώμα (λόγω παρουσίας του ελεύθερου γραφίτη). 9

10 Ο φαιός (ή γκρίζος) χυτοσίδηρος χρησιμοποιείται για την κατασκευή αγωγών ύδατος, κυλίνδρων και εμβόλων και εδράνων εργαλειομηχανών.ο φαιός χυτοσίδηρος έχει ψαθυρή συμπεριφορά και οι μηχανικές του ιδιότητες είναι γεννικά κατώτερες από αυτές του χάλυβα. Έχει μικρό όριο θραύσης και χαμηλή αντοχή σε κρούση. Η χαμηλή του δυσθραυστότητα οφείλεται στην ύπαρξη φυλλιδίων γραφίτη. Ωστόσο, παρουσιάζει υψηλή ικανότητα απόσβεσης δονήσεων, υψηλή αντοχή σε φθορά από τριβή, σε θερμική κόπωση και καλή θερμική αγωγιμότητα. 3 Βιβλιογραφία [1] William D. Callister Επιστήμη και τεχνολογία των υλικών 5η έκδοση, Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ (2008) ΙΣΒΝ [2] Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Ενότητα 9 «XYΤΕΥΣΕΙΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ», ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΕΙ Κέντρικής Μακεδονίας, [3] Γ.Χ. Σαραντόγλου, "Μηχανικές ιδιότητες χαλύβων με χαμηλές περιεκτικότητες σε άνθρακα και άζωτο" Διδακτορική διατριβή, Πάτρα (1983). [4] Γιαννης Γ. Αντωνόπουλος «Φυσική των μετάλλων», Τμήμα Φυσικής Α.Π.Θ., University Studio Press, Θεσσαλονίκη