Stopy żelaza na tle wykresu żelazo-węgiel.

Żelazo wystepuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej z tlenem...
a. Wiadomości podstawowe.

Żelazo wystepuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej z tlenem. W technice, poza nielicznymi wyjatkami, stosuje się stopy żelaza z różnymi składnikami, z których najważniejszym jest węgiel: oprócz węgla, techniczne stopy żelaza zawierają zawsze pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu, przedostające się do stopu w czasie procesów metalurgicznych.
W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów żelaza zachodzi w nich szereg przemian, aż do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres żelazo-węgiel (rys. 1).



Rys. 1. Wykres żelazo-węgiel.

Linie ciągłe dotyczą tzw. układu żelazo-cementyt, to znaczy stopów, w których węgiel występuje pod postacią cementytu (węglika żelaza, Fe3C), linie przerywane - układu żelazo-grafit, a więc stopów, wktórych węgiel występuje pod postacią grafitu.
Wykres można podzielić na dwie części: a) część górna (linie ABCD i AHJECF) przedstawia przebieg topnienia przy nagrzewaniu albo krzepnięcia przy stygnięciu, b) część dolna (linie HNJ, GSE, GPSK, PQ) przedstawia przebieg tzw. przemian w stanie stałym.
a) Jeżeli ciekły stop żelaza z węglem zacznie stygnąć, to początek krzepnięcia ( w zależności od zawartości węgla) będzie się znajdował na krzywej ABCD (tzw. linia likwidusu - od łacińskiego słowa liquidus = płynny), a koniec krzepnięcia na linii AHJECF (tzw. linia solidusu od łacińskiego słowa solidus = stały, mocny). W temperaturach powyżej linii likwidusu występuje więc stop w stanie ciekłym, w obszarze między liniami likwidusu i solidusu - stop w stanie częściowo ciekłym (ciecz z wydzielonymi z niej kryształami), poniżej linii solidusu - stop całkowice zestalony.
Na przykład stop o zawartości 3% C zacznie krzepnąć w temp. ok 1280C, wydzielając kryształy o składzie oznaczonym przez linię JE; pozostała ciecz wzbogaca się przy tym w węgiel i temperatura początku jej krzepnięcia obniża się, przesuwając się w kierunku punktu C; ostatnie krople stopu będą miały skład odpowiadający punktowi C i skrzepną w temp. 1130C (temperatura eutektyczna). Tę samą temperaturę końca krzepnięcia będą mieć wszystkie stopy żelaza z węglem o zawartości węgla większej niż 2,0%.
Czyste żelazo topi się krzepnie w stałej temperaturze 1539C. Również w stałej temperaturze (1130C), a nie w zakresie temperatur topi się i krzepnie stop o zawartości 4,3% węgla (stop eutektyczny), zwany ledeburytem.
Stopy żelaza stosowane w praktyce i określane jako surówki i żeliwa zawierają zazwyczaj węgiel w granicach 2,0-4,3%, a więc jeżeli nie ma oddziaływania dodatków stopowych, to wszystkie one zaczynają się topić w temp. 1130C (1135C), akończą się topić różnie, zależnie od zawartości węgla, zgodnie z linią BC wykresu żelazo-węgiel.
W stopach żelaza określanych jako stale, o zawartości do 2,0% C, temperatura początku topnienia przy ogrzewaniu (lub końca krzepnięcia przy chłodzenia) jest zmienna, zależnie od zawartości węgla (krzywa AHJE).
b) Jeżeli skrzepnięty, gorący stop żelazo-węgiel będzie stygnął dalej poniżej temp. 1130C lub zimny stop będziemy nagrzewać do tej temperatury, to będą w nich zachodzić tzw. przemiany w stanie stałym.
Przemiany te są spowodowane występowaniem odmian alotropowych żelaza, rózniących się budową krystalograficzną, własnościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi.
Rozróżnia się odmiany alotropowe żelaza: a, g, d(a), przy czym odmiana a do 768C jest ferromagnetyczna (ma własności magnetyczne), zaś powyżej 768C - paramagnetyczna (niemagnetyczna).
Przemiany alotropowe zachodzą w temperaturach :


Poszczególne odmiany odznaczają się różną rozpuszczalnością węgla; żelazo a rozpuszcza węgiel tylko w bardzo niewielkim stopniu, żelazo g odznacza się dużą rozpuszczalnością węgla.
W stopach żelaza z węglem przemiana alotropowa i związane z tym rozpuszczanie lub wydzielanie węgla nie zachodzi w stałej temperaturze, lecz w zakresie temperatur od 723C do temperatury określonej linią GSE.
Temperaturę początku przemiany oznacza się literą A1 - jest to tzw. punkt A1 stali. Przy stygnięciu następuje pewne przechłodzenie i przemiana następuje poniżej 723C, przy nagrzewaniu- nieco powyżej 723C. Dlatego też punkt A1 oznacza się przy nagrzewaniu przez Ac1 (c od chauffage = nagrzewanie), a przy studzeniu przez Ar1 (r od refroidissement = chłodzenie).
Temperaturę końca przemiany oznacza się literą A3 - punkt A3 stali. Rozróżnia się: przy nagrzewaniu Ac3, zaś przy stygnieciu Ar3. Temperaturę tej przemiany, zależnie od zawartości węgla, określa krzywa GSK. Dla stali o zawaratości węgla większej niż 0,8% punkty A1 i A3 pokrywają się.
Temperaturę końca rozpuszczania cementytu dla stali o zawartości powyżej 0,8% C oznacza się literami Acm (linia SE).
Dla stali o zawartości 0,8% C przemiana rozpoczyna się i kończy w tej samej temperaturze 723C - stal taką nazywa się eutektoidalną (przez analogię do stopów eutektycznych, które topią się i krzepną w stałej temperaturze).

b. Mikrostruktura stali.

Stopy żelaza zawierające mniej niż 2,0% węgla są kowalne i noszą nazwę stali. Nazwa „żelazo” odnosi się tylko do żelaza chemicznie czystego lub niektórych produktów zbliżonych, jak np.: żelazo karbonylkowe, żelazo Armco.
Budowa stali jest krystaliczna. W stalach węglowych niestopowych w stanie wyżarzonym, kryształy, a ściślej mówiąc ziarna (krystality), składają się z dwóch składników: ferrytu i cementytu. Ferryt (od łacińskiego słowa ferrum = żelazo) jest to prawie czyste żelazo, o twardości 50-70 HB, a więc zbliżonej do twardości miedzi.
Cementyt (Fe3C - węglik żelaza, zwany też karbidkiem żelaza, o zawartości 6,67% C) jest bardzo twardy; jego twardość leży między twardością korundu i diamentu.
Stal jest tym twardsza, im więcej zawiera składnika twardego, cementytu - czyli im większy jest procent węgla (rys. 2).


Rys. 2. Twardość stali węglowych w zależności od zawartości węgla; 1 - wyżarzonych, o strukturze z cementytem płytkowym, 2 - wyżarzonych, o strukturze z cementytem kulkowym, 3 - hartowanych w wodzie.

Stal o zawartości 0,8% C (odpowiadająca punktowi S na wykresie żelazo-węgiel) w stanie wyżarzonym składa się z jednakowych ziarn, z których każde składa się z kolei z drobnych płytek cementytu i płytek ferrytu (rys. 3). Zawartość węgla w takich ziarnach jest stała (0,8%), a struktura ta nosi nazwę perlitu, gdyż wytrawiona ma połysk przypominający masę perłową.


Rys. 3. Stal o zawartości ok. 0,8% C (pow. x 500). Perlit.

W stalach o zawartości mniej niż 0,8% C (tzw. stale podeutektoidalne), obok ziarn perlitu występują jeszcze ziarna ferrytu, i to tym więcej, im mniej jest węgla. Rysunek 4 przedstawia stal o zawartości 0,35% C; ciemne pola to perlit (składający się z płytek cementytu i ferrytu), jasne to ferryt. Z wielkości pola, można określić z dokładnością do 0,1% zawartości węgla w stali.


Rys. 4. Stal o zawartości ok. 0,35% C (pow. x 500). Perlit (ciemne ziarna) i ferryt (jasne ziarna).

W stalach o zawartości do 0,025% C cementytu nie ma wcale, nieznaczny procent węgla jest bowiem rozpuszczony w żelazie w sposób niewidoczny i w strukturze wystepują wyłącznie ziarna ferrytu (rys. 5).


Rys. 5. Stal o zawartości ok. 0,02% C (pow. x 250). Ferryt.

W stalach o zawartości większej niż 0,8% C (tzw. stale nadeutektoidalne) nadmiar cementytu wykrastylizowuje w postaci płytek, układających się siatkowo między poszczególnymi ziarnami ferrytu (rys. 6).


Rys. 6. Stal o zawartości ok. 1,3% C (pow. x 100). Cementyt (jasna siatka) i perlit (ciemne tło).

Cementyt oprócz postaci płytkowej występuje często pod postacią kuleczek równomiernie rozrzuconych w masie ferrytu (rys. 7). Mówi się wówczas o strukturze z cementytem kulkowym albo ziarnistym; występuje ona zazwyczaj w stalach o większej zawartości węgla, a głównie w stalach narzędziowych (węglowych i stopowych) i w stalach konstrukcyjno stopowych.


Rys. 7. Stal o zawartości ok. 1,2% C (pow. x 1500). Cementyt kulkowy; cementyt (kulki) i ferryt (jasne tło).

Przy nagrzewaniu do ok. 723C budowa stali pozostaje bez zmiany. W temperaturach ponad 723C (linia PSK) wskutek zachodzącej przemiany alotropowej żelaza a w żelazo g, które rozpuszcza węgiel w większej ilości, następuje rozpuszczenie płytek lub kulek cementytu w żelazie i powstają kryształy tzw. roztworu stałego węgla w żelazie g. Struktura ta nazywa się austenitem. W stalach węglowych austenit jest trwały tylko w wysokich temperaturach. Przebieg rozpuszczania zależy od zawartości węgla w stali.
W stalach podeutektoidalnych rozpuszczanie rozpocznie się w temp. 723C i w miarę podwyższania temperatury kryształy ferrytu rozpuszczać się będą w roztworze stałym powstałym z ziarn perlitu; proces ten zakończy się w odpowiedniej temperaturze leżącej na linii GS. Powyżej tej temperatury w stali występują same kryształy austenitu, poniżej - kryształy austenitu+ferryt.
Stal eutektoidalna, o zawartości ok. 0,8% C, zachowuje się inaczej; ponieważ składa się ona wyłącznie z ziarn perlitu, wszystkie ziarna przechodzą w roztwór stały jednocześnie. Temperatura przez cały czas przemiany pozostaje ta sama i zaczyna się podnosić dopiero wtedy, gdy już cała masa stali przeszła w roztwór stały.
Stale nadeutektoidalne zachowują się podobnie jak i podeutektoidalne. Przede wszystkim rozpuszczają się w sobie zawarte w perlicie: cementyt i ferryt, a następnie wolne płytki cementytu. W zakresie temperatur poniżej linii SE znajdują się więc obok siebie kryształy austenitu i rozpuszczające się płytki cementytu, a powyżej linii SE już tylko roztwór stały - austenit.
Jeżeli stal nagrzana powyżej temperatur linii GSE zacznie powoli stygnąć, wówczas wszystkie przemiany zachodzą w odwrotnym porządku i tworzy się z powrotem budowa perlityczna.
Składniki stopowe wpływają znacznie na strukturę stali, obniżając zawartość węgla potrzebną do uzyskania struktury perlitycznej - inaczej mówiąc - wpływają na przesunięcie w lewo punktu S na wykresie żelazo-węgiel (rys. 8). Szczególnie silne oddziaływanie ma molibden i wolfram; dość często stosowanyw stalach narzędziowych dodatek 1,5-2,0% W powoduje, że perlit w tych stalach zawiera zaledwie ok. 0,4% C.


Rys. 8.Wpływ składników stopowych na zawartość węgla w eutektoidzie.

Poza tym składniki stopowe w większych ilościach przesuwają (niektóre nawet bardzo znacznie) poszczególne linie wykresu (A1 i A3).
Przy dostatecznie dużej zawartości składników stopowych stal może mieć w stanie równowagi w temperaturze otoczenia, a więc wolno studzona przy wyżarzaniu, strukturę martenzytyczną lub austenityczną (np. stal manganowa Hadfielda (rys. 9) lub stale kwasoodporne zawierające 18% Cr i 8% Ni).


Rys. 9. Stal Hadfielda - 1,2% C, 12% Mn (pow. x 50). Austenit.

Dla praktyki szczególnie ważny jest wpływ składników na położenie punktu A1 (rys. 10). Widać z niego, że nikiel i mangan obniżają, a chrom, wolfram, krzem i molibden podwyższają punkt A1 stali. Położenie tego punktu ma wpływ na wybór odpowiedniej temperatury grzania przy hartowaniu.


Rys. 10. Wpływ składników stopowych na położenie punktu A1 stali.

Wykres żelazo-węgiel odnosi się do przemian w stanie zbliżonym do równowagi, tj. zachodzących bardzo wolno. Szybkości grzania czy chłodzenia nie są uwzględnione na wykresie i dlatego, jeżeli chodzi o hartowanie, to wykres daje tylko wskazówkę, do jakiej temperatury należy ogrzać stal, aby uzyskać zahartowanie.