Upload
nguyendang
View
292
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
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