METALOGRAFIE II Oceli a litiny Slitiny železa, uhlíku a popřípadě dalších prvků se nazývají oceli a litiny. Oceli jsou slitiny železa obsahující do 2,14 hm. % uhlíku, litiny s obsahem uhlíku nad 2,14 hm. %. Pro popis fázového složení těchto materiálů slouží stabilní diagram Fe-C (obr. 1) či metastabilní diagram Fe-Fe3C (obr. 2). Stabilní diagram uvažuje výskyt uhlíku pouze ve formě grafitu, zatímco diagram metastabilní uvažuje jeho výskyt pouze ve formě cementitu (Fe3C). Pro popis mikrostruktury ocelí a bílých litin se používá metastabilní fázový diagram, pro popis grafitických litin používá diagram stabilní, či kombinace stabilního a metastabilního fázového diagramu.
Obr. 1: Stabilní fázový diagram Fe-C.
Obr. 2: Metastabilní fázový diagram Fe-Fe3C (černě jsou uvedeny fáze, červeně strukturní složky vyskytující se v systému o daném složení).
Oceli dále rozdělujeme na: podeutektoidní ... do koncentrace 0,765% C - do 0,018% C je struktura tvořena feritem, na hranicích zrn se vyskytuje terciální cementit (FE) - 0,018-0,765% C - ferit a perlit (tmavší zrna po hranicích zrn feritu) (FE-PE) eutektoidní………. 0,765% C - čistě perlitická struktura (PE) nadeutektoidní…... 0,765 – 2,14% C- perlit a sekundární cementit, který tvoří síťoví po hranicích zrn perlitu (PE- CE) Na obr. 3 jsou znázorněny mikrostruktury výše zmíněných druhů ocelí.
Obr. 3: Schéma mikrostruktur různých typů ocelí. Při vyšším obsahu uhlíku můžeme materiál zpracovávat jen litím, a proto jej nazýváme litinou. Překročí-li obsah uhlíku ve slitině 2,14% C krystaluje soustava Fe- Fe3C v oblasti bílé litiny. Litiny podle obsahu uhlíku rozdělujeme na:
podeutektické……………do 4,3% C - struktura je tvořena transformovaným ledeburitem, sek. cementitem a perlitem eutektické……………….. 4,3% C - strukturu tvoří rozpadlý (trans.) ledeburit, který má v základní bílé cementitické hmotě uloženy tmavé ostrůvky perlitu nadeutektické……………. nad 4,3% C - strukturu tvoří primární cementit a trans. ledeburit
Obr. 4: Schématické znázornění mikrostruktur bílých litin.
Kromě bílých litin se v praxi ve velké míře používají též grafitické litiny. Grafitická litina se od bílé liší tím, že část nebo veškeré množství uhlíku je přítomno ve formě grafitu. Tvrdost grafitických litin je
nižší než tvrdost bílé litiny, takže grafitické litiny mají dobrou obrobitelnost řeznými nástroji a jsou proto důležitými konstrukčními materiály. Tyto litiny rozdělujeme též na podeutektické, eutektické a nadeutektické.
Obr. 5: Schématické znázornění mikrostruktury grafitických litin. Na vlastnosti grafitických litin má velký vliv množství, velikost a tvar vyloučeného grafitu. Grafit se může vylučovat ve formě:
lupínků, lamel kuliček, „červíků“ vloček
Hrubé částice grafitu porušují celistvost základní kovové hmoty a jsou příčinou místních koncentračních napětí při namáhání součásti. Mechanické vlastnosti šedé litiny lze zlepšit očkováním, či modifikací:
křemíkem (očkování)..…. zvýší se počet krystalizačních míst, ve kterých pak z taveniny přednostně krystaluje grafit ve tvaru jemných lupínků hořčíkem (modifikace)……ten ovlivňuje tvar grafitu; ten se díky Mg vylučuje ve tvaru kulových částic a tím se zvýší tvárné vlastnosti a houževnatost litiny
SLITINY HLINÍKU Technicky významný je hliník a jeho slitiny. Je to nejdůležitější konstrukční materiál. Pevnost hliníku stoupá s tvářením za studena, přičemž platí zásada, že s vyšší čistotou hliníku se zpevnění zmenšuje. Hliník tvoří s řadou kovů velké množství technicky významných slitin. Přísadové prvky se většinou v hliníku omezeně rozpouštějí a tvoří substituční tuhé roztoky. Nejčastějšími legujícími prvky jsou Si (silumin), Cu (dural), Ni, Mn. Nejznámějšími slévárenskými slitinami Al jsou siluminy:
podeutektické……. 4,5-10% Si…struktura je tvořena primárními krystaly tuhého roztoku α(Al) a eutektika α(Al)+Si eutektické…………10-13%Si…strukturu tvoří eutektikum (jemná směs α(Al)+Si) nadeutektické…….14-28% Si….ve struktuře vznikají kromě eutektika též primární krystaly Si.
Křemík je ve všech slitinách vyloučen za normálních podmínek v podobě tenkých jehlic. Pro zjemnění struktury a tím i zlepšení mechanických vlastností se siluminy očkují (P) nebo modifikují (Na, Sr). Po modifikaci se struktura eutektického siluminu mění z jehličkovitého eutektika na eutektikum globulární obsahující dendrity tuhého roztoku. Fázový diagram siluminu je na Obr. 4.
Obr. 6: Fázový diagram Al-Si. SLITINY MĚDI Pro zvýšení pevnosti a jiných mechanických vlastností se Cu leguje přísadovými prvky. Slitiny Cu s jinými kovy se dobře svařují a dobře pájí. Ze slitin Cu používaných v průmyslu jsou nejznámější mosazi a bronzy. Bronzy jsou obecně slitiny Cu s různými prvky. Bronz dostává název podle legujícího prvku, který je k Cu přidán. Cínové bronzy jsou slitiny Cu-Sn. S rostoucím obsahem Sn se barva bronzu rychle mění. Cínové bronzy do 5 % Sn jsou červené, 5-10%Sn jsou zlaté, do 30%Sn jsou bílé. Již malé množství Sn zvyšuje pevnost. Největší pevnost cínové bronzy dosahují při obsahu 10-15% Sn. Cín také snižuje teplotu počátku tání cínových bronzů a usnadňuje tak jejich výrobu. Pro technickou praxi jsou významné slitiny od 10 do 20 % Sn. Slitina Cu-Zn do 45 % Zn je mosaz. Při malém množství Zn je mosaz zbarvena do červena, při vyšším obsahu Zn do žluta. Kolem 45 % Zn je zbarvení světle žluté. Rovnovážný diagram je složitý a pro technickou praxi má význam pouze oblast v rozmezí koncentrací 0-50% Zn. Při vyšších koncentracích jsou slitiny křehké.
Obr. 5 Fázový diagram Cu- Zn 2. Cíl práce Seznámit se s mikrostrukturami nejznámějších a v technické praxi nejvíce využívaných kovů a slitin a na základě získaných znalostí popsat mikrostruktury zadaných vzorků. 3. Potřebná zařízení + materiál
snímky mikrostruktury významných kovů a slitin fázové diagramy metalografický atlas
4. Postup práce 1. Na základě znalosti a porozumění fázových diagramů zhodnoťte mikrostrukturu (počet, druh a charakter strukturních složek, stav vzorku (po odlití nebo po mechanickém či tepelném zpracování)) známých čistých kovů a slitin. 2. Zhodnoťte mikrostrukturu neznámého vzorku a určete typ slitiny, přibližné složení, popř. stav zpracování. 5. Vyhodnocení naměřených dat Snímky pořízené metalografickým mikroskopem budou v protokolu doplněny komentářem v textu. Strukturní složky budou v obrázcích vhodně označeny. Snímky budou v protokolu uvedeny při různých zvětšeních. 6. Protokol obsahuje
cíl práce snímky metalografických výbrusů zadaných materiálů a příslušné fázové diagramy identifikaci mikrostruktur zadaných materiálů
závěr
7. Kontrolní otázky
Jaký je rozdíl mezi ocelí a litinou? Vyjmenujte nejdůležitější slitiny mědi. Co je to silumin?
