Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU Metastabilni Fe-C dijagram stanja Prof. dr. sc. Ivica Kladarić
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 3. Zaključak - Peritektični sustav - Sustav potpune rastvorivosti - Eutektični sustav - Sekundarna kristalizacija - Eutektoidni sustav - Raspad ledeburita
Općenito o kemijskom elementu Fe 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, 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 Hematit Fe 2 O 3 Magnetit Fe 3 O 4 Siderit FeCO 3 Getit FeO(OH) 4 8 čisto željezo je lako oblikovljivo u toplom i u hladnom stanju i dobro zavarljivo. 3
Željezo je polimorfan materijal i ima dvije alotropne modifikacije: Općenito o kemijskom elementu Fe BCC- rešetka FCC - rešetka Raspored atoma u rešetci ovisi o temperaturi pri kojoj se željezo nalazi. temperatura ϑ, o C Ar 4 ϑ t =1536 o C 1392 o C 1392 o C T 898 o C 911 o C taljevina željezo δ željezo γ Ar 3 Ac 3 Ar 769 o C 2 Ac 2 željezo α trajanje t, h T toplinska histereza 13 o C. Dijagram toplinske analize (hlađenja i ugrijavanja) tehnički čistog željeza 4
Općenito o kemijskom elementu C Čisto Fe nije šire upotrebljivo, treba ga legirati drugim elementima, ponajprije C. 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. Ugljik je najvažniji dodatak željezu, jer: - vrlo jako utječe na čvrstoću, tvrdoću i granicu razvlačenja željeznih legura, - omogućava kaljenje čeličnih legura. U BCC željezu ugljik je praktično netopiv, a u FCC željezu je samo ograničeno topiv (najviše 2,03 %C pri 1147 o C) 5
Pojavni oblici ugljika u Fe-C legurama U željeznim legurama ugljik je u obliku: - kemijskog spoja Fe 3 C (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, C će se izlučiti u obliku grafita (K C 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, Cće se spojiti sa Fe u željezni karbid (cementit) Fe 3 C (K C Fe3C =6,67%). Ovaj se oblik skrućivanja naziva metastabilnim, a ravnotežni se dijagram stanja naziva dijagramom Fe-C za metastabilnu kristalizaciju (ili dijagramom Fe-Fe 3 C). Kod sporog ugrijavanja i/ili dugog držanja pri visokim temperama cementit se raspada po jednadžbi: Fe 3 C 3Fe + C
Fe-C metastabilni i stabilni dijagram stanja metastabilni -oba su dijagrama eutektičnog tipa, -oba sadrže peritektično skrućivanje pri niskim %C i visokim temperaturama, - oba sadrže eutektoidnu pretvorbu u čvrstom stanju. stabilni 7
Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metalurg 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 temperatura, o C 1536 1493 δ 1392 1147 911 α +γ 723 α γ +δ T+δ α + α id +Fe 3 C id γ α id +Fe 3 C id γ +Fe 3 C α id +Fe 3 C id +Fe 3 C γ +T T γ e +Fe 3 C e T+Fe 3 C γ +γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C +Fe 3 C α id +Fe 3 C id +Fe 3 C e +Fe 3 C α id +Fe 3 C id +Fe 3 C e +Fe 3 C +Fe 3 C Prave faze: - taljevina T - austenit γ, γ e - ferit δ, α, α id - karbid Fe 3 C Fe 3 C Fe 3 C e Fe 3 C id Pseudofaze: - ledeburit γ e +Fe 3 C e - perlit α id +Fe 3 C id 300 I I I I I 0 0,8 2,03 4,3 6,67 maseni udio ugljika, % (100%Fe 3 C )
Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metastabilna primarna kristalizacija Fe-C legura ϑ, o C 1536 1493 δ 1392 γ +δ T+δ T LIKVIDUS γ +T γ γ e +Fe 3 C e T+Fe 3 C 1147 I I I I I 0 0,51 2,03 4,3 6,67%C SOLIDUS (100%Fe 3 C ) peritektični sustav sustav potpune otopivosti eutektični sustav
Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metastabilna kristalizacija Fe-C legura PERITEKTIČNI SUSTAV ϑ, o C 1536 T+δ T %C < 0,10 100% T 100% δ 100% δ 100% γ 1493 δ 0,1 %C 0,51 γ +δ γ +T do 1493 o C T δ γ na 1493 o C K C T =0,51% K C δ =0,10% 1392 I I I I 0 0,10 0,16 0,51 Daljnje sniženje temperature uzrokuje pretvorbu δ (za 0,1<%C<0,16) i T (za 0,16<%C<0,51%C) u γ. %C nastupa peritektična reakcija δ γ K C γ =0,16% T = f(%c) 0,1 %C<0,16 δ %C=0,16 γ 0,16<%C 0,51 T
Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metastabilna kristalizacija Fe-C legura SUSTAV POTPUNE RSTVORIVOSTI ϑ, o C 1493 T+δ ϑ L Sniženje temperature između ϑ L i ϑ S nastupa pretvorba 100% T u 100 % γ 100% T ϑ S γ +T 100% γ Austenit intersticijski kristal mješanac γ-fe i C 1147 I I I 0,16 0,51 1 2,03 %C C
Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metastabilna kristalizacija Fe-C legura EUTEKTIČNI SUSTAV ϑ, o C T Eutektična reakcija nastupa pri 1147 o C kada je u taljevini K C T =4,3% Eutektik 4,3%C T γ e +Fe 3 C e Ledeburit γ +T γ e +Fe 3 C e T+Fe 3 C K C A =2,03% K C L =4,3% 1147 I I I 2,03 γ +γ γ e e +Fe 3 C e 4,3 γ e +Fe 3 Fe C e +Fe 3 C e 3 C 6,67 %C (100%Fe 3 C ) K C K =6,67% podeutektične Fe-C legure Sniženje temperature do ϑ S (1147 o C) T γ Na 1147 o C nastupa eutektična reakcija i preostala T L nadeutektične Fe-C legure Sniženje temperature do ϑ S (1147 o C) T Fe 3 C Na 1147 o C nastupa eutektična reakcija i preostala T L Adolf Ledebur (1837-1916) 1882. otkrio Fe 3 C
ϑ, o C 1536 1493 δ 1392 γ +δ Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metastabilna sekundarna kristalizacija Fe-C legura 1147 γ SOLIDUS 911 α id +Fe 3 C id γ +Fe 3 C γ +γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C +Fe 3 C 723 α α +γ α + α id +Fe 3 C id α id +Fe 3 C id +Fe 3 C α id +Fe 3 C id +Fe 3 C e +Fe 3 C α id +Fe 3 C id +Fe 3 C e +Fe 3 C +Fe 3 C 300 I I I I I 0 0,8 2,03 4,3 6,67 %C (100%Fe 3 C ) eutektoidni sustav raspad ledeburita
ϑ, o C 1563 1493 1392 1147 911 723 δ γ +δ α α +γ γ α id +Fe 3 C id Eutektoid 0,8%C Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju γ +Fe 3 C α id 6,67 %C Fe 3 C id Metastabilna kristalizacija Fe-C legura - EUTEKTOIDNI SUSTAV Eutektoidna reakcija nastupa pri 723 o C kada je K C A =0,8% γ α id +Fe 3 C id K C F =0,025% K C K =6,67% Perlit K C P =0,8% α +α id +Fe 3 C id α id +Fe 3 C id +Fe 3 C 300 I I I 0 0,025 0,8 podeutektoidne nadeutektoidne 2,03 %C Fe-C legure Fe-C legure do 723 o C γ α pretvorba FCC u BCC do 723 o C γ Fe 3 C sniženje topivosti C u γ od 723 o C preostali γ α id + Fe 3 C id α α id +Fe Fe 3 C 3 C id
Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju Metastabilna kristalizacija Fe-C legura - RASPAD LEDEBURITA ϑ, o C 1147 γ +γ e +Fe 3 C e γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C sniženjem temperature snizuje se otopivost C u γ od 1147 o C K A C =2,03% 911 γ + Fe 3 C γ +γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C γ e +Fe 3 C e +Fe 3 C + Fe 3 C Fe 3 C 723 α do 723 o C K C A =0,8% na temperaturi 723 o C α id +Fe 3 C id +Fe 3 C α id +Fe +Fe 3 C e 3 C id +Fe 3 C α id +Fe +Fe 3 C e 3 C id +Fe 3 C +Fe 3 C I 300 I I I 0,8 2,03 4,3 6,67 %C (100%Fe 3 C ) 4,3 %C raspadnuti ledeburit α id +Fe 3 C id +Fe 3 C e +Fe 3 C nastupa eutektoidna reakcija γ α id +Fe 3 C id
ZAKLJUČAK primarna kristalizacija Čelični ljevovi Konstrukcijski čelici Čelici Alatni čelici. Bijeli ljevovi (metastabilna kristalizacija) Sivi ljevovi (mješovita kristalizacija) sekundarna kristalizacija podeutektoidne nadeutektoidne Fe-C legure Fe-C legure eutektoidna reakcija A P podeutektične Fe-C legure eutektična reakcija T L nadeutektične Fe-C legure