J.U.UNIVERZITET U TUZLI MAŠINSKI FAKULTET TUZLA
SEMINARSKI RAD Fe-Fe3C DIJAGRAM
Dr.sc.Džafer Kudumović,red.prof.
Dženan Hadžikadunić - III-373/12
SADRŽAJ: 1. Fe-Fe3C dijagram....................................................................................................................3 2. Seminarski rad sa 6.2% ugljika...........................................................................................6 3. Kristalizacija i prekristalizacija bijelog livenog gvožđa ..............................................8 4. Literatura.................................................................................................................................12
2
1. - Fe - Fe3C dijagram
Sl.1.Ravnotežni dijagram metalstabilnog sistema (Fe - Fe3C)
Ravnotežni dijagram metalstabilnog sistema je prikazan na sl.1.;vrsta je binarnog sistema. Pri sadržaju 6,687 masenih % C (25 atomskih %) obrazuje ugljenik sa gvožđem intersticijsko hemijsko jedinjenje Fe 3C – cementit. Pošto se pri reakcijama u metalstabilnom sistemu cementit ne mijenja (ne razlaže) može se smatrati kao komponenta i dijagram označavati kao Fe-Fe3C. 3
Legure sa niskim sadržajem ugljika ( do 2,11% C ) nazivaju se čelici. Eutektoidna koncentracija (0,765% C ) dijeli čelike na: podeutektoidne i nadeutektoidne.
Legura sa sadržajem 0,765% C je eutektoidni čelik, a legure koje su bogatije ugljikom su bijelo i sivo sirovo gvožđe i bijelo liveno gvožđe, a njihova eutektička koncentracija ( 4,3%) ih dijeli na podeutektičke (2,114,3% C) i nadeutektičke (4,3-6,68% C). Legura sa 4,30% C naziva eutektička legura. Faze u bibarnom dijagramu mogu se sagledati, u različitom opsegu koncentracija i temperatura i javljaju se u sljedećem: -ferit (α,δ), -austenit(γ), -cementit(Fe 3C) i -rastop(R)
Ferit ima tvrdoću oko 80 HB, jačinu 250 MPa i relativno izduženje oko 50%, dok je tvrdoća austenita 160-200 HB, jačina 200-800 MPa i izduženje 40-50%, sve u funkciji količine rastvorenog austenita u γ-Fe.
Cementit je najtvrđa faza u ugljičnim čelicima, 800-1000 HB, ali je relativno male jačine, 295Mpa i potpuno neistegljiv.
Rastop je faza dobijena rastvaranjem gvožđa i ugljika u tečnom stanju. Egzistira iznad linije likvidus kao čista faza i u smješi sa austenitom,
4
odnosno cementitom između likvidus i solidus linija. Kao osnovne alotropske modifikacije čelika pojavljuju se: -austenit (A) -martenzit (M) i -perlit (P).
Austenit je čvrsti rastvor ugljika u γ željezu. Martenzit je prezasićeni čvrsti rastvor ugljika u α željezu (ista koncentracija ugljika kao u polaznom austenitu).
Perlit je eutektoidna smješa od ferita i karbida
5
2. Seminarski rad sa 6.2%C
U slučaju kada imamo 6.2%C imamo 4 promjene stanja materijala, koje ćemo obrazložiti u sljedećem tekstu. Iznad 1420°C se nalazi tečna faza 6
odnosno rastop, prilikom hladjenja materijala desavaju se strukturne promjene materijala. Na 1420°C se desava prva promjena stanja, i to iz tečne faze materijal mijenja strukturu sa Rastop + primarni cementit. Primarni cementit se javlja od eutektičke tačke (4.3%C) i njegovo učešće stalno raste do sadržaja 100% na 6.67%C. Što znači da se izmedju solidus linije(1420°C) i likvidus linije (1148°C) struktura materijala se sastoji od:rastop + primarni cementit. Na 1148°C se opet mijenja struktura i to primarni cementit ostaje a rastop prelazi u ledeburit, što znači da se struktura mijenja u: Ledeburit + primarni cementit. Produkt eutektičke promjene (smjesa sitnih kristala austenita i cementita) se metalografski naziva ledeburit. Na datoj temperaturi od 1148°C prilikom kristalizacije imamo konstantnu temperaturu zbog oslobađanja energije kao što je i prikazano na krivoj hladjenja. Materijal se sada nalazi u čvrstom stanju, ali je jako užaren, i nastavlja sa kristalizacijom bez promjene strukture sve do 727°C tj. do eutektoidne temperature gdje materijal opet mijenja svoju strukturu, ali postiže finalnu strukturu koja se sastoji od: Ledeburit + primarni cementit. Na 727°C temperatura je konstantna zbog oslobađanja energije. Nakon ove promjene materijal se hladi do sobne temperature i može se primjeniti za proizvodnju, izuzev ako neće biti daljne toplinske obrade. Iz ovoga zaključujemo da je materijal sa 6.2%C nadeutektičko sirovo gvožđe. On kao takav nema neku veliku primjenu zbog velikog sadržaja ugljika što znači da je materijal veoma tvrd, a ujedno i krt. Što znači takodje da se veoma teško obradjuje skidanjem strugotine zbog toga što se alat veoma brzo troši.
2.1 Oblici stanja materijala za 6.2%C Rastop je faza dobijena rastvaranjem gvožđa i ugljika u tečnom stanju. Egzistira iznad linije likvidus kao čista faza i u smješi sa austenitom,
7
odnosno cementitom između likvidus i solidus linija. Kao osnovne alotropske modifikacije čelika pojavljuju se: -austenit (A) -martenzit (M) i -perlit (P). Cementit je najtvrđa faza u ugljičnim čelicima, 800-1000 HB, ali je relativno male jačine, 295Mpa i potpuno neistegljiv. Primarni cementit kao strukturni mokrokonstituent javlja se počev od eutektičkog sadržaha (4,3% ugljika), njihovo površinsko učešće stalno raste do sadržaja 100% pri 6,67% ugljika. Produkt eutektičke promjene (smjesa sitnih kristala austenita i cementita) se metalografski naziva ledeburit
3. Kristalizacija i prekristalizacija bijelog livenog gvožđa. Kristalizacija legura sa sadrzajem ugljenika iznad 2.11% pocinje na krivima likvidus BC i CD ,zavrsava se na solidusu (prava ECF eutekticka prava) pri temperaturi 1148°C;obje grane likvidusa i solidus prava dodiruju se u eutektickoj tacki C. Kristalizacija legura se zavrsava etektickom promjenom na konstantnoj temperaturi 1148°C ,a u cvrstom stanju se odvijaju u legurama slicne promjene kao kod nedeutektoidnih celika.Kao posljedica eutekticke promjene koja se kod celika ne javlja,struktura ljeva je slozenija nego kod celika. Legura I sa sadrzajem 3%C (podeutekticko bijelo liveno gvozđe) pocinje da ocvrscava na temperaturi koja odgovara tacki al kada iz rastopa 8
nastane izlucivanje kristala austenita.Pri opadanju temperature rastu vec postojeci dendritni kristali austenita i pojavljuju se novi.Istovremeno se sastav kristala austenita mijenja prema solidus krivoj JE,a sastav preostalog rastopa prema krivoj likvidus BC. Na eutektickoj temperaturi (tacka a2) austenit ima sastav dat tackom E( maksimalna rastvoljivost ugljika u austenitu) i u ravnotezi je sa preostalom rastopinom,koja je dostigla sastav tacke C(eutekticka koncentracija). Iz preostalog rastioa eutekticke koncentracije nastaje pri konstantnoj temperaturi eutekticka smjesa sastavljeno od sitnih kristala austenita i cementita (eutekticka cementit),oznacen kao cementitni eutektikum.Njegovo nastajanje se moze prikazati semom:
rastop
austenit + cementit
Na eutektickoj temperaturi su u toku izlucivanja eutekticke smjese u ravnotezi tri faze:rastop (sastava tacke C),austenit (sastava tacke E) i cementit (sastava tacke F). Produkt eutekticke promjene (smjesa sitnih kristala austenita i cementita) se metalografski naziva ledeburit.Pri daljem hladjenju u opsegu temperatura a2-a3 opada rastvorljivost ugljika u austenitu (kriva ES - slici 6.8).
9
Grubi dendritni kristali austenita i isto tako sitni kristali austenita, mada su sastojci eutektike, postaju presiceni ugljikom, koji se iz njih izlucuje kao sekundarni cementit na granicama obje vrste kristala austenita. Sekundarni cementit koji nastaje iz sitnih kristala austenita (sekundarni cementit) se slaze pored vec postojecih cestica eutektickog cementita. Na eutektickoj temperaturi (tacka a3) sastav austenita postize eutektoidnu koncentraciju (tacka S) desava se eutektoidna promjena austenita u perlit.Slicno kao i sekundarni cementit, nastaje perlit takodje iz grubih (primarnih) i fnih (eutektickih) kristala austenita.
Eutektoidnim raspadom grubih dendritnih kristala austenita nastaje relativno prosirenje perlitne oblasti; iz sitnih kristala ledeburitnog austenita nastaju samo sitna ostrvca perlita, opkoljena cementitnom masom (eutekticki i sekundarni cementit). Toznaci da od pocetne eutekticke smjese (austenit + eutekticki cementit),koja je nastala pri eutektickoj temperaturi poslije zavrsetka svih promjena,leguru (ispod temperature a1) obrazuju cementit (eutekticki + sekundarni) i perlit; oznacava se kao raspadnuti ili transformisani ledeburit. U rezultujucoj strukturi podeutektoidnog bijelog livenog gvozđa javljaju se zajedno sa raspadnutim ledeburitom i drugi strukturni sastojci tj. perlit i sekundarni cementit,nastali iz grubih dendritnih kristala austenita .
10
Legura II sa sadrzajem 5% C (nedeutekticko bijelo liveno gvozđe) pocinje da ocvrsava na temperaturi likvidusa izlucivanjem grubih kristala primarnog cementita.Pri padu temperature (u granicama b1-b2) uvecava se udio primarnog cementita,a okolni rastop se osiromasuje ugljikom prema krivoj DC. Na eutektickoj remperaturi rastopina dostize eutekticki sastav (tacka C) i konstantnoj eutektickoj temperaturi odvija se eutekticka promjena - iz rastopine se stvara ledeburit.Upravo ispod solidusa (ecf) strukturu legure tada cine primarni cementit i ledeburit.Pri daljem padu temperature (u intervalu b2 - b3) smanjuje se rastvorljivost ugljika u ledeburitnom austenitu (prema krivoj ES); austenit postaje presicen ugljikom koji se izlucuje kao sekundarni cementit. Prekristalizacija u cvrstom stanju zavrsava se kao i kod legure I na konstantnoj eutektoidnoj temperaturi, gdje iz preostalog austenita eutektoidnog sastava (tacka S) nastaje prelit. Rezultujucu strukturu legure II ispod temperature a1 cine primarni cementit i raspadnuti ledeburit.Sobzirom na to da su sekundarni cementit i prelit komponente ledeburita, ne pojavljuju se u ravnoteznom dijagramu kao samostalni strukturni sastojci.Legura III sastava 4,3%C je eutekticka legura.Kristalise se prij najnizoj,tj.eutektickoj temperaturi (1148°C), kad iz sve rastopine nastaje fina eutekticka smjesa - ledeburit.Utoku daljeg hladjenja odigravaju se iste promjene u cvrstom stanju kao i kod legure II, a ostvaruju se u ledeburitnom austenitu.
11
Rezultujucu strukturu eutektickog bijelog livenog gvozđa cini raspadnuti ledeburit.Udio pojednih strukturnih sastojaka na sobnoj temperaturi daje Sauveurov dijagram.
Literatura:
Dr.sc. Džafer Kudumović; Materijali I ; Univerzitet u Tuzli 2010.
12
