WYKRES RÓWNOWAGI FAZOWEJ STOPÓW Fe STOPÓW Fe

2012-03-21
WYKRES RÓWNOWAGI FAZOWEJ
STOPÓW Fe - C
Zakres tematyczny
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
1
Charakterystyka składników - ŻELAZO
Duże rozpowszechnienie w przyrodzie – ok. 5% w skorupie
ziemskiej
Rudy żelaza:
MAGNETYT - Fe3O4 (ok. 72% mas. Fe)
HEMATYT – Fe2O3 (ok. 70%)
LIMONIT - 2•Fe2O3 • n•H2O ((< 52%))
SYDERYT – FeCO3 (ok. 48%)
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
2
1
2012-03-21
Charakterystyka składników - ŻELAZO
Odmiany czystego żelaza:
STREFOWO TOPIONE (<0,001% zanieczyszczeń)
CHEMICZNIE CZYSTE – otrzymywane na drodze redukcji
0,007%)
ELEKTROLITICZNE – (ok. 0,02%)
KARBONYLKOWE – (ok. 0,03%)
C
CZYSTOŚĆ
tlenków (ok.
ARMCO – otrzymywane na drodze metalurgicznej (ok. 0,1%)
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
3
Właściwości fizyczne czystego żelaza
Metal przejściowy (gr. VIII – liczba atomowa 26, liczba masowa 55,85) (gęstość 7,87 g/cm3).
Metal polimorficzny
Fe  – T < 912ºC, struktura A2 (a = 0,286 nm)
Fe  – 912ºC < T < 1394ºC, struktura A1 (a = 0,365 nm)
Fe  – 1394ºC < T < 1538ºC, struktura A2 (a = 0,293 nm)
Fe  – duże wartości ciśnienia rzędu 10÷13 GPa, struktura A3
Zmiana
energii
swobodnej
odmian
alotropowych żelaza  i  w zależności od
temperatury
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
4
2
2012-03-21
Właściwości fizyczne czystego żelaza
Temperatura topnienia Ttop = 1538ºC (temp. wrzenia > 3300ºC)
Potencjał normalny - - 0,44 V
Oporność właściwa - 10•10-8 •m
Właściwości mechaniczne
Twardość – 50÷90 HB
Rm = 175÷295 MPa
Re = 90÷245 MPa
A = 30÷70 %
Z = 60÷90 %
E ok. 210 GPa
G ok. 82 GPa
5
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Charakterystyka składników - WĘGIEL
Pierwiastek niemetaliczny (gr. XIV – l. a. 6, liczba masowa 12,011)
Pierwiastek polimorficzny – grafit, diament, fulereny.
Postać
ostać węgla
ęg a w stopac
stopach żelaza:
ea a
wolna - GRAFIT – (gęstość 2,09 ÷ 2,23 g/cm3):
• mała wytrzymałość (ok. 20 MPa) i twardość (1÷1,5 w skali Mohsa);
• znaczna ścieralność.
związana
-
CEMENTYT
(Fe3C
–
faza
międzymetaliczna
międzywęzłowa) – (gęstość 7,68 g/cm3):
• duża twardość (700÷800 HB) i kruchość.
roztwór stały węgla w żelazie
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
6
3
2012-03-21
Wykres równowagi stopów Fe - C (Fe - Fe3C)
Układ Fe - C - STABILNY
Układ Fe - Fe3C – METASTABILNY (analiza szczegółowa)
Przemiany A0, A1, A2, A3, A4 i Acm
7
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Wykres równowagi stopów Fe - C (Fe - Fe3C)
STALE I STALIWA
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
NADEUTEKTYCZNE
E
EUTEKTYCZNE
PODEUTEKTYCZNE
E
NADEUTEKTOIDALN
NE
EUTEKTOIDALNE
PODEUTEKTOIDALN
NE
Podział stopów Fe - C na podstawie układu równowagi fazowej
SURÓWKI I ŻELIWA
8
4
2012-03-21
Wykres równowagi stopów Fe - C (Fe - Fe3C)
Mikrostruktura stopów Fe - C
Fe3C( III )
Fe3C( II )
50
FERRYT
Zawartość składnika
mikrostruktury [%]
100
Fe3C( I )
PERLIT
LEDEBURYT
PRZEMIENIONY
0
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
9
Charakterystyka faz i składników mikrostruktury w stopach Fe-C
FERRYT
Roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie  – sieć krystaliczna A2 (RPC)
Mała rozpuszczalność
p
węgla
ęg ((średnica atomów węgla
ęg jjest większa
ę
od luk międzywęzłowych
ę y ę
y
sieci krystalicznej żelaza)
Właściwości zbliżone do czystego żelaza (mała zawartość węgla):
Twardość 80 HB
Rm ≈ 300 MPa
A10 ≈ 40%
KC = ok. 180 J/cm2
Występuje w mikrostrukturze stopów żelaza jako:
• oddzielny składnik (w stopach podeutektoidalnych),
• składnik perlitu i ledeburytu przemienionego.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
10
5
2012-03-21
Charakterystyka faz i składników mikrostruktury w stopach Fe-C
AUSTENIT
Roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie  – sieć krystaliczna A1 (RSC)
Znacznie większa rozpuszczalność węgla niż w przypadku ferrytu (kulisty kształt luk
oktaedrycznych)
kt d
h)
Trwały powyżej temperatury A1
Właściwości
w
temperaturze
pokojowej
(po
wprowadzeniu
pierwiastków
tzw.
austenitotwórczych np. Mn, Ni):
Twardość
T
d ść 200 HB
Rm ≈ 700÷800 MPa
Re ≈ 250 MPa
A10 ≈ 40÷60%
KC = 200÷300 J/cm2
11
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Charakterystyka faz i składników mikrostruktury w stopach Fe-C
AUSTENIT
Znacznie większa rozpuszczalność węgla niż w przypadku ferrytu (kulisty kształt luk
oktaedrycznych)
Trwały powyżej temperatury A1
Właściwości
w
temperaturze
pokojowej
(po
wprowadzeniu
pierwiastków
tzw.
austenitotwórczych np. Mn, Ni):
Twardość 200 HB
Rm ≈ 700÷800 MPa
Re ≈ 250 MPa
A10 ≈ 40÷60%
KC = 200÷300 J/cm2
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
12
6
2012-03-21
Charakterystyka faz i składników mikrostruktury w stopach Fe-C
PERLIT
Mieszanina eutektoidalna (eutektoid) ferrytu nasyconego i cementytu
Powstaje z austenitu o zawartości węgla 0,77%
Zbudowany z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu (stosunek grubości 7:1)
Właściwości mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji (tj. odległości pomiędzy
płytkami) – wzrost stopnia dyspersji powoduje zwiększenie właściwości mechanicznych:
Składnik mikrostrukturalny stali i surówek podeutektycznych
Twardość 180÷200 HB
Rm ≈ 700÷800 MPa
Re ≈ 400 MPa
A10 ≈ 8%
KC ≈ 40 J/cm2
13
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Charakterystyka faz i składników mikrostruktury w stopach Fe-C
LEDEBURYT
Mieszanina eutektyczna austenitu nasyconego i cementytu
Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości węgla 4,3%
Poniżej
temperatury
A1
ulega
przemianie
w
mieszaninę
perlitu
i
cementytu
(ledeburycznego) nazywaną ledeburytem przemienionym
Duża twardość (ok. 450 HB) i kruchość
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
14
7
2012-03-21
Literatura źródłowa:
1.
Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1998
2.
Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2002
3.
Smallman R. E., Bishop R. J.: Modern physical metallurgy and materials engineering. Science,
process, applications. Reed Educational and Professional Publishing Ltd, Oxford 1999
Literatura uzupełniająca:
Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT, Warszawa 2004
Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa 1999
Przybyłowicz K.:
K : Metaloznawstwo.
Metaloznawstwo WNT,
WNT Warszawa 1999
Ashby M. F., Jones R. H.: Materiały inżynierskie – cz. I i II. WNT, Warszawa 1995
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
15
8