Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018.
Krystalizace ocelí a litin Hana Šebestová, Petr Schovánek
Společ Společná laboratoř laboratoř optiky Univerzity Palacké Palackého a Fyziká Fyzikální lního ústavu Akademie vě věd České eské republiky 17. listopadu 50a, 772 07 Olomouc, hana.sebestova @upol. hana.sebestova@ upol.cz
Obsah 1. Základní pojmy 2. Krystalizace oceli a bílé litiny
Přehled fází a strukturních součástí oceli a bílé litiny Metastabilní diagram Fe-Fe3C Krystalizace slitin daného složení Komplexní metastabilní diagram
3. Krystalizace šedé litiny
Přehled fází a strukturních součástí šedé litiny Stabilní diagram Fe-C Krystalizace slitin daného složení Komplexní stabilní diagram
4. Porovnání diagramů Fe-C a Fe-Fe3C
2
1. Základní pojmy
Ocel
Litina
slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků s obsahem uhlíku do 2,1 hm. % uhlík se v oceli vyskytuje v podobě sloučeniny cementit (Fe3C)
slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků s obsahem uhlíku nad 2,1 hm.% uhlík vyloučen v elementární formě jako grafit (C) nebo ve sloučenině cementit
Zjednodušeně lze chápat jako binární slitiny železa a uhlíku Strukturu těchto slitin odvozujeme z binárního rovnovážného diagramu Fe-Fe3C, resp. Fe-C
3
2. Krystalizace oceli a bílé litiny
Metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe3C
popisuje rovnovážný binární systém, v němž lze v závislosti na teplotě a obsahu uhlíku odečíst fázové a strukturní změny v ocelích a bílých litinách uhlík se v ocelích a bílých litinách vyskytuje ve sloučenině Fe3C (cementit), proto diagram Fe-Fe3C metastabilní, neboť se cementit jako chemická sloučenina může rozpadat do 6,68 hm.% C rovnovážný diagram lze k popisu fází použít jen za předpokladu velmi pozvolného ochlazování slitiny (při vyšších rychlostech diagramy IRA, ARA)
4
Přehled fází a strukturních součástí oceli a bílé litiny
FÁZE
tavenina – roztavená slitina železa a uhlíku ferit (F) - intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe α , obsahuje max. 0,018 hm.% C δ ferit (δ δF) - intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe δ , obsahuje max. 0,1 hm.% C austenit (A) - intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe γ, obsahuje max. 2,14 hm.% C cementit (Cem) - sloučenina Fe3C, obsahuje 6,68 hm.% C
STRUKTURNÍ SOUČÁSTI
tavenina austenit primární (A) - z taveniny při ochlazování austenit ledeburitický AL - z taveniny při eutektické krystalizaci ferit (F) - proeutektoidní ferit - z austenitu u proeutektoidní oceli ferit perlitický (FP) - z austenitu při eutektoidní přeměně δ ferit (δ δF) - z taveniny perlit (P) - směs feritu a cementitu vznikající při eutektoidní přeměně austenitu (eutektoid), obsahuje 0,765 hm.% C cementit primární (CemI) - primární krystalizací z taveniny nadeutektického složení cementit sekundární (CemII) - segregací z nasyceného austenitu nadeutektoidního složení cementit terciární (CemIII) - vylučováním z nasyceného feritu cementit ledeburitický (CemL) - z taveniny při eutektické krystalizaci cementit perlitický (CemP) - eutektoidní přeměnou austenitu ledeburit (L) - směs austenitu a cementitu (ledeburitického) vznikající z taveniny při eutektické krystalizaci (cementitické eutektikum) transformovaný ledeburit (Ltr) – směs perlitu a cementitu vznikající z ledeburitu při eutektoidní přeměně 5
Metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe3C Strukturní diagram
6
Metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe3C Strukturní diagram Peritektická přeměna Eutektická přeměna
Eutektoidní přeměna
7
Krystalizace slitin s obsahem uhlíku do 2,14 hm. %
8
Překrystalizace slitin s obsahem uhlíku do 2,14 hm. %
9
Krystalizace slitin s obsahem uhlíku nad 2,14 hm. %
10
Primární krystalizace slitiny se složením I Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje δF. Hmotnostní podíl δF (mδF) k hmotnostnímu podílu zbývající taveniny (mL) lze pro danou teplotu určit pomocí pákového pravidla.
Např. při T2:
mδF c0c2´ = mL c2c0
11
Překrystalizace slitiny se složením I Při dalším ochlazování přestává být primárně vyloučený δF stabilní (rozpustnost uhlíku v železe δ klesá s klesající teplotou) a při dosažení teploty T4 začíná překrystalizovávat na A – alotropická přeměna I. druhu. Transformace je ukončena při teplotě T6. Složení A je stejné jako měl výchozí δ ferit. Hmotnostní podíl vznikajícího A (mA) k hmotnostnímu podílu δF (mδF) lze pro danou teplotu určit pomocí pákového pravidla. Např. při T5:
mA c5´c0 = mδF c0c5
12
Překrystalizace slitiny se složením I Při dalším ochlazování přestává být A stabilní a při teplotě T7 transformuje na F. Transformace je ukončena při teplotě T8. Další ochlazování pod teplotu T9 vede k vylučování CemIII na hranicích zrn feritu z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe α za nižších teplot.
13
Primární krystalizace slitiny se složením II Peritektická přeměna Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje δF. Těsně nad peritektickou teplotou TP mají krystaly δF složení c3 a zbývající tavenina složení C3´. Hmotnostní podíl δF (mδF) k hmotnostnímu podílu taveniny (mL) je při teplotě TP dán pákovým pravidlem:
mδF mL
=
c0 c3´ c3c0
Po dosažení TP dojde k peritektické přeměně za vzniku A s přebytkem δF:
δF + tavenina → A
14
Překrystalizace slitiny se složením II po peritektické přeměně Při dalším ochlazování pod TP dochází k překrystalizaci nespotřebovaného δF na A.
15
Překrystalizace slitiny se složením II Eutektoidní přeměna Při dalším ochlazování přestává být A stabilní a při teplotě T6 začíná transformovat na F. Transformace je ukončena při teplotě T8, kdy má F složení c8 a A dosáhl eutektického složení c8´= cS. Při teplotě TS proběhne eutektoidní přeměna zbylého A na směs FP a CemP – perlit (P). Další ochlazování pod teplotu TS vede k vylučování CemIII z F z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe α za nižších teplot. Připojuje se k CemP, který je součástí P a ve struktuře ani na vlastnostech se samostatně neprojeví. Hmotnostní podíl F (mF) k hmotnostnímu podílu A (mA), resp. P (mP) je dán pákovým pravidlem: Při teplotě T7:
mF mA
=
Při teplotě TS:
c0c7 ´
mF
c7 c0
mP
=
c0c8´ c8c0
Analogicky pro slitiny se složením III, IV.
16
Primární krystalizace slitiny se složením III Peritektická přeměna Krystalizace taveniny III probíhá stejně jako krystalizace taveniny II až po peritektickou přeměnu. Při peritektické přeměně je spotřebován veškerý δF i tavenina za vzniku A.
Překrystalizace A na F a eutektoidní přeměna probíhají analogicky jako u slitiny se složením II.
17
Primární krystalizace slitiny se složením IV Peritektická přeměna
Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje δF. Těsně nad peritektickou přímkou koexistují krystaly δF o složení c3 a tavenina o složení c3´. Při dosažení peritektické teploty (TP) dojde k peritektické přeměně:
δF + tavenina → A
s přebytkem
taveniny
Při dalším ochlazování krystalizuje ze zbylé taveniny A.
Překrystalizace A na F a eutektoidní přeměna probíhají analogicky jako u slitiny se složením II.
18
Primární krystalizace slitiny se složením V Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje A.
19
Překrystalizace slitiny se složením V Eutektoidní přeměna Rozpustnost uhlíku v železe γ klesá s klesající teplotou, proto se z něj při teplotě T4 začíná vylučovat uhlík, a to ve formě CemII. Protože vzniká z přesyceného tuhého roztoku a za pomalejší difúze než CemI, je jeho struktura podstatně jemnozrnnější. Vylučuje se přednostně na hranicích A zrn a při rychlejším ochlazování a hrubém zrnu i uvnitř A zrn, zejména v kluzných rovinách. Těsně nad teplotou eutektoidní přeměny TS tvoří strukturu slitiny CemII a A s eutektoidním složením c6 = cS. Při teplotě TS proběhne eutektoidní přeměna zbylého A na P. S poklesem teploty se z FP obsaženého v P vylučuje CemIII. Hmotnostní podíl CemII (mCemII) k hmotnostnímu podílu P (mP) je dán pákovým pravidlem: Při teplotě TS:
m
Cem II
mP
=
c6 ´c0 c0 c6 20
Překrystalizace slitiny s eutektoidním složením Eutektoidní přeměna A eutektoidního složení transformuje po dosažení eutektoidní teploty TS na P. S klesající teplotou se z FP obsaženého v P vylučuje CemIII.
21
Primární krystalizace slitiny se složením VI Eutektická přeměna Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje A. Těsně nad eutektickou teplotou TE má A složení c3 a zbývající tavenina c3´= cE. Při teplotě TE proběhne eutektická přeměna taveniny za vzniku cementitického eutektika – ledeburitu (L). Při dalším ochlazování se vylučuje CemII z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot.
22
Překrystalizace slitiny se složením VI Při poklesu teploty pod TE se z A vylučuje CemII z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot. Po dosažení eutektoidní teploty a eutektoidního složení A proběhne eutektoidní přeměna A na P. Kromě A transformuje na P i AL, proto je L pod eutektoidní teplotou označován jako transformovaný (Ltr). S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe α a vylučuje se CemIII z FP i FP obsaženého v Ltr.
23
Primární krystalizace slitiny se složením VII Eutektická přeměna Slitina eutektického složení (cE) krystalizuje z taveniny přímo jako cementitické eutektikum – ledeburit (L). S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe γ, a proto se z AL vylučuje CemII.
24
Překrystalizace slitiny s eutektickým složením VII Slitina eutektického složení obsahuje po eutektické transformaci pouze L. Při poklesu teploty pod TE se AL ochuzuje o uhlík vyloučením CemII z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot. Po dosažení eutektoidní teploty transformuje AL na perlit a vzniká transformovaný ledeburit (Ltr). S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe α a vylučuje se CemIII z FP obsaženého v Ltr.
25
Primární krystalizace slitiny se složením VIII Eutektická přeměna Z taveniny po překročení čáry likvidu krystalizuje CemI s obsahem uhlíku 6,68 hm.%. Obsah uhlíku v cementitu je konstantní. Při dosažení eutektické teploty TE = 1147 °C má zbývající tavenina eutektické složení složení c3´= cE = 4,3 hm.% C a eutektickou přeměnou z ní krystalizuje L. Při dalším ochlazování se z AL vylučuje CemII.
26
Překrystalizace slitiny se složením VIII Při poklesu teploty pod TE se AL ochuzuje o uhlík vyloučením CemII z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot. Po dosažení eutektoidní teploty transformuje AL na perlit a vzniká Ltr. S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe α a vylučuje se CemIII z PF obsaženého v Ltr.
27
Komplexní metastabilní diagram Fe-Fe3C
28
3. Krystalizace šedé litiny
Stabilní rovnovážný diagram Fe-C
popisuje rovnovážný binární systém, v němž lze v závislosti na teplotě a obsahu uhlíku odečíst fázové a strukturní změny v šedých litinách podle stabilního diagramu krystalizují slitiny s obsahem uhlíku nad 2,1 hm.% při dostatečně pomalém ochlazování uhlík se v šedých litinách vyskytuje v elementární formě C (grafit), proto diagram Fe-C stabilní, neboť se uhlík nemůže dál rozpadat do 100 hm.% C
29
Přehled fází a strukturních součástí šedé litiny
FÁZE
tavenina – roztavená slitina železa a uhlíku ferit (F) - intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe α , obsahuje max. 0,018 hm.% C austenit (A) - intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe γ, v litině obsahuje austenit max. 2,14 hm.% C grafit (G) – elementární forma uhlíku
STRUKTURNÍ SOUČÁSTI
tavenina austenit primární (A) - z taveniny při ochlazování austenit eutektický (AEm) - z taveniny při eutektické krystalizaci ferit eutektoidní (FEm) - z austenitu při eutektoidní přeměně grafitický eutektoid (Ed) - směs feritu a grafitu vznikající při eutektoidní přeměně austenitu, obsahuje 0,69 hm.% C grafit primární (GI) - primární krystalizací z taveniny nadeutektického složení grafit sekundární (GII) - segregací z nasyceného austenitu nadeutektoidního složení grafit terciární (GIII) - vylučováním z nasyceného feritu grafit eutektický (GEm) - z taveniny při eutektické krystalizaci grafit eutektoidní (GEd) - eutektoidní přeměnou austenitu grafitické eutektikum (EmG) - směs austenitu a grafitu (eutektického) vznikající z taveniny při eutektické krystalizaci transformované grafitické eutektikum (EmGtr) – směs perlitu a grafitu vznikající z grafitického eutektika při eutektoidní přeměně
30
Stabilní rovnovážný diagram Fe-C Strukturní diagram
31
Krystalizace vybraných litin
Krystalizace probíhá analogicky jako u slitin VI, VII a VIII v případě metastabilního diagramu s tím rozdílem, že místo Cem se vylučuje G a při přeměnách nevzniká L a P, ale EmG a EdG.
32
Krystalizace slitiny se složením I Po překročení čáry likvidu z taveniny primárně krystalizuje A. Po dosažení eutektické teploty je ukončena krystalizace A o složení 2,12 hm.% C. Zbývající tavenina tuhne jako směs A a G - grafitické eutektikum (EmG). Při dalším ochlazování se z A i AEm vylučuje GII, který se obvykle připojuje k lupínkům GEm. Po dosažení eutektoidní teploty transformuje A na směs FEd a GEd - grafitický eutektoid (EdG). Podobně dochází k přeměně i u AEm, hovoříme pak o transformovaném grafitickém eutektiku (EmGtr). Následné ochlazování vede k vylučování GIII z feritu obsaženém v EdG a EmGtr.
33
Krystalizace slitiny se složením II Po překročení čáry likvidu tuhne tavenina jako grafitické eutektikum (EmG). Při dalším ochlazování se z AEm vylučuje GII. Po dosažení eutektoidní teploty se AEm rozpadá na směs FEd a GEd, a vzniká tak transformované grafitické eutektikum (EmGtr). Následné ochlazování vede k vylučování GIII z feritu obsaženém v EmGtr.
34
Krystalizace slitiny se složením III Po překročení čáry likvidu z taveniny primárně krystalizuje GI. Protože má menší měrnou hmotnost než tavenina, vyplouvá na povrch lázně. Po dosažení eutektické teploty je ukončena krystalizace GI o složení 100 hm.% C. Zbývající tavenina tuhne jako směs AEm a GEm - grafitické eutektikum (EmG). Při dalším ochlazování se AEm vylučuje sekundární grafit, který se obvykle připojuje k GEm. Po dosažení eutektoidní teploty se AEm rozpadá na směs FEd a GEd, a vzniká tak transformované grafitické eutektikum (EmGtr). Následné ochlazování vede k vylučování GIII z feritu obsaženém v transformovaném grafitickém eutektiku.
35
Komplexní stabilní diagram Fe-C
36
4. Porovnání diagramů Fe-Fe3C a Fe-C
37
Tato prezentace byla připravena za finanční podpory Evropského sociálního fondu v ČR v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/07.0018 „Moderní technologie ve studiu Aplikované fyziky“.
Děkuji Vám za pozornost.
38
