1. VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN

Transkript

1 1 METALOGRAFIE Obsah: 1. VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN 1.1 Krystalová mřížka 1.2 Nedokonalosti krystalové mřížky 1.3 Základní pojmy fyzikální chemie Soustavy o jedné složce Soustavy o dvou složkách 1.4 Zákon fází 1.5 Kovy a jejich slitiny 1.6 Chladnutí a ohřev čistých kovů nepolymorfních a polymorfních 1.7 Krystalizace čistých kovů 1.8 Polymorfie železa 2. ZÁKLADNÍ POJMY PODVOJNÝCH SLITIN A JEJICH ROVNOVÁŽNÉ DIAGRAMY 2.1 Dva kovy A a B jsou v tekutém i tuhém stavu úplně rozpustné Tuhý roztok Postup vzniku krystalů tuhého roztoku Podstata a mechanizmus difúze 2.2 Dva kovy A a B jsou v tekutém stavu úplně rozpustné, v tuhém stavu nerozpustné 2.3 Změna rozpustnosti v tuhém stavu 2.4 Krystalizace kovů s překrystalizací v tuhém stavu 3. ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM ŽELEZO - UHLÍK 3.1 Metastabilní soustava Fe - Fe 3 C 3.2 Stabilní soustava železo - grafit METALOGRAFIE Metalografie se zabývá pozorováním a zkoumáním vnitřní stavby neboli struktury (slohu) kovů a slitin. Stanoví, jak tato struktura souvisí s chemickým složením, teplotou a tepelným nebo mechanickým zpracováním. Úspěšné zvládnutí alespoň základů tohoto oboru dává konstruktérům, technologům a všem, kteří se na výrobě součástí podílejí, možnost ovlivňovat technologii výroby jak z hlediska volby vhodného konstrukčního materiálu a využití jeho nejlepších vlastností, jeho technologické zpracování, tak i z hlediska životnosti. Je tedy znalost metalografie základním předpokladem úspěšné práce každého technika.

2 1. VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN 2 Všechny látky jsou složeny z prvků. Na naší planetě se vyskytuje více než 92 prvků, z nichž 77 má charakter kovů. Veškerá hmota se skládá z nejmenších částeček - atomů. Atomy jednoho a téhož prvku mají stejné vlastnosti. Atomy různých prvků se však navzájem liší složením a vlastnostmi. Atomy jsou složité útvary, které sestávají z částic elektricky kladných, záporných a neutrálních. Atom se skládá z jádra kolem kterého obíhají elektrony.kladně nabité jádro se skládá z protonů a neutronů a je v něm soustředěna prakticky veškerá hmota atomu. Protony mají kladný náboj, neutrony jsou bez elektrického náboje. Kolem jádra obíhají záporně nabité elektrony, jejichž celkový záporný náboj se rovná kladnému náboji jádra, takže atom se jeví jako elektroneutrální celek. Počtem protonů v jádře je udáno atomové číslo prvku. Obal atomu obsahuje záporně nabité elektrony. Jejich hmotnost je v porovnání s hmotností nukleonů (protony + neutrony) nepatrná ( hmotnost protonu je 1, g, neutronu 1, g, elektronu 9, g). Protože atomy jsou elektroneutrální, musí se počet elektronů v obalu atomu rovnat počtu protonů. Elektrony jsou rozloženy kolem jádra ve slupkách (sférách). Existuje celkem 7 sfér, které značíme arabskými číslicemi 1 až 7. Nejblíže jádru je sféra 1, nejdále sféra 7. Energie sfér je různá a se vzdáleností od jádra se zvětšuje. Nejmenší energii mají tedy elektrony ve sféře 1, největší ve sféře 7. Z elektronového obalu se nejsnáze uvolňují elektrony z nejvzdálenější sféry, Mají největší energii a přitom jsou nejméně přitahovány k jádru. Nazývají se valenční elektrony. Jsou příčinou chemické slučivosti prvků. Největší počet elektronů, které jedna sféra může obsahovat je: 2n 2 n - pořadové číslo sféry Poslední - vnější sféra - však může obsahovat nejvýše 8 elektronů. 1(sféra) - jádro + - elektron - H He Obr. Schéma atomové stavby prvků vodíku a helia Sféra s plným počtem elektronů je velmi stabilní. Její elektrony jsou k jádru pevně poutány. Atom, který má ve vnější sféře méně než polovinu možných elektronů, tyto elektrony za určitých podmínek ztrácí. Má-li jich více než polovinu, doplňují se zbývající elektrony na plný počet na úkor jiných atomů, od kterých se slabě vázané elektrony odtrhly. Tím se poruší elektrická rovnováha mezi jádrem a obalem atomu. Z atomu vzniká buď kladně nabitý (elektron uvolněn) nebo záporně nabitý (elektron přibrán) ion (kation nebo anion). Záporné a kladné ionty se spolu velmi snadno slučují. Prvky, které mají vnější sféru s plným počtem elektronů, jsou velmi stálé, neslučují se s jinými prvky. Jsou chemicky netečné.

3 Kovy lze v periodické soustavě prvků obecně charakterizovat jako prvky, které mají vnější sféru obsazenu s menším než polovičním počtem elektronů. Jsou proto schopny elektrony uvolňovat, t.j. tvořit kladné ionty - kationty. Jednotlivé atomy nebo skupiny atomů se mohou slučovat ve větší celky- molekuly. Síly, které způsobují toto vzájemné vázání atomů v molekuly nazýváme chemickou vazbou. CHEMICKOU VAZBU MEZI ATOMY DĚLÍME NA: 3 1. Iontovou vazbu - která vzniká sloučením prvků s malou elektronegativitou s prvky se silnou elektronegativitou. Prvky s malou elektronegativitou elektrony uvolňují a mění se v kationty, prvky se silnou elektronegativitou elektrony přijímají a mění se v anionty. Vzniklá molekula je silně polární. V molekule převládá na jednom konci kladný náboj (kation), na druhém záporný náboj (anion); 2. Kovalentní vazbu - (atomovou), která vzniká mezi atomy prvků se stejnou elektronegativitou. Atomy si nepředávají své elektrony, ale je společně sdílejí. Vzniklá molekula je nepolární. 3. Kovovou vazbu, která je charakterizována volně pohyblivými elektrony (elektronovým mrakem) a je typická pro kovy. Obr. Schéma elektronového mraku Malá elektronegativita kovů způsobuje, že jejich atomy velmi snadno uvolňují valenční elektrony, které zůstanou volné. Nepřipojí se k žádnému jinému atomu, ale volně se pohybují. Vytvoří tak v mřížce kovu mezi kationty velmi pohyblivou mlhu elektronů, která udržuje elektroneutralitu kovů. Kovová vazba dává kovům některé vlastnosti, jako např. velkou tepelnou a elektrickou vodivost, plasticitu, houževnatost. Tepelná vodivost kovů je umožněna volně pohyblivými elektrony, které vnějším zásahem (dodáním tepelné energie) mohou poměrně snadno přejít z oblasti jednoho kationtu do oblasti druhého kationtu. Ze zkušenosti víme, že zahřátí jednoho konce kovové tyče stačí k tomu, aby se po určité době teplo přeneslo i na neohřívaný konec tyče. 1.1 KRYSTALOVÉ MŘÍŽKY Veškeré kovy a jejich slitiny, s výjimkou rtuti, jsou za normální teploty látkami krystalickými. Kromě nich existují látky amorfní (např. sklo, pryž), které mají rozložení atomů zcela náhodné. V tuhých látkách zaujímají atomy jakési střední polohy, kolem kterých kmitají, a to v závislosti na teplotě. Vnitřní síly řadí atomy a molekuly ve zcela přesném pořadí, takže postupně vzniká krystalický útvar. Uspořádání atomů je dáno prostorovou (krystalickou) mřížkou. Jednotlivé atomy jsou uloženy v uzlových bodech mřížky (v rozích mřížky). Nejmenší část této mřížky je nazývána elementární buňkou. Elementární buňka může mít různé tvary: soustavu krychlovou, čtverečnou, kosočtverečnou, šesterečnou, jednoklonnou, trojklonnou nebo trigonální. Technicky důležité kovy krystalizují nejčastěji v soustavě krychlové (kubické) a šesterečné (hexagonální).

4 1. Krychlově prostorově středěná 4 Základním útvarem krychlové soustavy je krychle, v jejíchž rozích jsou uloženy atomy. Vzdálenost atomů označujeme jako mřížkovou konstantu a. Krychlová prostorově středěná (centrovaná) mřížka vznikne ze dvou jednoduchých mřížek tak, že se jedna mřížka posune po prostorové úhlopříčce elementární buňky do poloviny její délky a rohový atom 1 mřížky se přesune do středu 2 mřížky. V této soustavě krystalizuje 13 kovů : železo α a δ, Cr, Li, K, Mo, Na, Ta, W, Rb, Cs, Ba, Nb. Většinou jde o kovy, které jsou za studena málo plastické. a 2. Krychlová plošně středěná Atomy se vyskytují v rozích krychle a uprostřed stěn. Je zde těsnější uspořádání na rozdíl od předcházející mřížky. V soustavě krystalizují kovy: Ca α, Sr, Al, Fe γ, Ni, Pt, Cu, Ag, Au, Pb a jiné. Kovy jsou velmi tvárné. 3. Šesterečná mřížka Má tvar šestibokého hranolu. Atomy se vyskytují v rozích, ve středech obou základen a uprostřed. V této soustavě krystalizuje: Zn, Cd, Mg, Be, Ti, Zr a jiné.

5 Některé kovy a slitiny mohou mít za různých teplot různou mřížku a tím se mění i jejich vlastnosti. Tato přeměna se nazývá překrystalizací nebo alotropická přeměna, jev označujeme jako polymorfii. Jednotlivé krystalické stavy nazýváme modifikacemi a označujeme je řeckými písmeny. Modifikace, která je stálá při teplotě okolí označujeme obvykle α. Jako polymorfní lze uvést uhlík, který se vyskytuje jako grafit, diamant nebo saze NEDOKONALOSTI KRYSTALOVÉ MŘÍŽKY Kovové materiály se skládají většinou z většího počtu krystalů, které tvoří shluk (konglomerát). Strukturu takové látky označujeme jako polykrystalickou na rozdíl od materiálů, které jsou tvořeny jediným krystalem, monokrystalem. Při krystalizaci nevznikají krystaly dokonalého tvaru, ale krystaly nepravidelného tvaru. Neříkáme jim proto krystaly, ale zrna, krystality. Nepravidelnostem, které v krystalové mřížce vzniknou, říkáme mřížkové poruchy. Mluvíme o nich obecně tehdy, nejsou-li všechny uzlové body mřížky obsazeny částicemi, které na tato místa v ideálním krystalu patří. Jednotlivá zrna se od sebe liší především rozdílnou orientací prostorových mřížek. Obecně je orientace mřížek zcela náhodné a mřížky se orientují v prostoru zcela libovolně. Tato náhodná orientace může být usměrněna tvářením za studena, např. tažením nebo válcováním. Výsledkem je pak usměrněná struktura, ve které jsou zrna orientována zčásti nebo převážně jedním směrem. Mřížkovými poruchami vysvětlujeme některé vlastnosti kovů, např. podstatně nižší skutečnou pevností, kterou by měl kov s dokonalou mřížkou, křehnutí, stárnutí kovů, přemísťování atomů (tzv.difúzí) v prostorové mřížce, některé změny elektrických a magnetických vlastností apod. Nejdůležitější jsou poruchy bodové a čárkové. U bodových poruch jsou některá místa v uzlových bodech základní mřížky neobsazená, prázdná čili vakantní nebo jsou obsazena atomy cizích prvků. Bodové poruchy: a) mřížka bez poruch b) vakantní místo c) cizí atom nahrazuje atom mřížky cizí atom v mezimřížkové intersticiální poloze

6 Čárové poruchy - dislokace U čárkových poruch se vyskytuje nadbytečná vrstva atomů, která je protažena v jednom směru. Těmto poruchám říkáme dislokace. Způsobují tahová a tlaková napětí. Jsou důležité pro vysvětlení plastické deformace kovů ZÁKLADNÍ POJMY FYZIKÁLNÍ CHEMIE Soustavy o jedné složce Veškeré látky se mohou vyskytovat ve třech odlišných stavech neboli skupenstvích, pevném, kapalném a plynném. Tato skupenství jsou dána uspořádáním a volností pohybu molekul, atomů a iontů. Ve stavu plynném jsou elementární částice rozptýleny v daném prostoru poměrně řídce a vyplňují jej rovnoměrně. Jsou naprosto neuspořádané a mají značnou volnost pohybu. I když na sebe vzájemně narážejí, nejeví sklon se shlukovat ve větší celky. Proto plyny zaujímá ochotně daný prostor a proměnlivost jeho objemu při změně teploty a tlaku je značná. Ve stavu kapalném jsou elementární částice již ve stálém styku. Přitažlivými silami jsou sice udržovány ve stejných vzdálenostech, ale mají ještě určitou volnost pohybu, takže nezaujímají vzájemně stálé polohy. Jejich rozložení je tedy neuspořádané a náhodné. Proto kapaliny mění svůj tvar, ale objemové změny vyvolané vnějšími podmínkami jsou již značně omezené. Jejich vlastnosti jsou ve všech směrech stejné, jsou izotropní. V tuhém skupenství jsou elementární částice (atomy,ionty) také v těsném styku, ale ve většině případů (u krystalických látek) jsou přesně geometricky uspořádány a podle jistého zákona vytvářejí více či méně pravidelnou strukturu. Částice tu mají své polohy vymezeny a mohou kolem těchto poloh pouze kmitat. Pro každou teplotu je dána jejich určitá vzdálenost. Částice jsou vystaveny vzájemnému působení svých silových polí, a proto látky v tuhém stavu odolávají tvarovým i objemovým změnám. Se zřetelem na zákonitost rozložení atomů v krystalu jsou jeho vlastnosti v různých směrech různé (krystal je anizotropní). Každá látka se může vyskytovat v některém z těchto tří skupenství. Zvyšováním teploty tuhé látky vzrůstá energie částic, jejich kmitavý pohyb se zvětšuje, až konečně se stane tak rozsáhlým, že poruší pravidelné uspořádání těchto částic. V tomto okamžiku se za teploty tání mění skupenství tuhé na kapalné. Při dalším zvyšování teploty vzrůstá pohyblivost částic dále, zbytky pravidelného uspořádání se postupně ruší a za výparné teploty přechází látka ve skupenství plynné. Snížením tlaku lze celý děj urychlit.

7 7 Při snižování teploty nabývají převahu přitažlivé síly mezi částicemi, částice plynné látky se k sobě více přibližují. Při teplotě zkapalnění se mění v kapalinu. Snížíme-li teplotu až na teplotu tuhnutí (krystalizace), přemění se kapalina v tuhou látku. Látka v kterémkoli skupenství tvoří soustavu, která může být stejnorodá (homogenní, složená z jedné fáze) nebo nestejnorodá (heterogenní, složená z více fází). Rovnovážné stavy fází znázorňujeme pomocí rovinných diagramů. Příkladem homogenní chemické látky je čistá voda. Za různé teploty a tlaku může existovat v různých skupenstvích jeko led, voda nebo pára. Obr. Rovnovážný diagram soustavy led-voda-vodní pára Soustavy o dvou složkách Diagram rovnováhy fází led-voda-vodní pára za konstantního tlaku Voda (H 2 O) se může vyskytovat buď jako led, voda nebo pára. Vždy je to H 2 O (jedna složka), tedy určitá chemická látka. Klesne-li teplota při ochlazování vody na 0 C, začne voda tuhnout, mrzne. Teplota vody však neklesá i když ji dále ochlazujeme a nemění se do té doby, pokud všechna voda nezmrzne. Teprve potom klesne i teplota ledu pod 0 C. Přidáme-li do čisté vody jinou chemickou látku, např. kuchyňskou sůl (NaCl), rozpustí se. Dostaneme roztok, který se chová jinak než čistá voda. Takový roztok nazýváme chemickou soustavou. Uvažovaná chemická soustava se skládá ze dvou látek (složek), vody a kuchyňské soli. Rozpustíme-li ve vodě 3,84% NaCl, roztok ochladíme na 3 ¼ C a teplotu udržujeme konstantní, začnou se z roztoku vylučovat krystaly ledu (H 2 O). Toto vylučování se děje po určitou dobu a pak přestane. Po skončení vylučování můžeme oddělit tuhý led od roztoku filtrací. Zbylý roztok, zbavený krystalků ledu a obsahující rozpuštěnou chemickou látku NaCl, nazýváme matečným louhem. Chemickým rozborem zjistíme, že zbylý matečný louh obsahuje 94,51% H 2 O a 5,49% NaCl. Nastalo tedy obohacení roztoku kuchyňskou solí. Chemickým rozborem ledu zjistíme, že obsahuje 100% H 2 O. Je tedy zřejmé, že se roztok, původně obsahující 3,84% NaCl, při teplotě 3 1 / 4 C rozdělil. Ponecháme-li led a matečný louh vedle sebe v klidu za stálé teploty 3 1 / 4 C, nic se ve složení obou látek nezmění. Obě látky, led a matečný louh, jsou tedy za teploty 3 1 / 4 C ve vzájemné rovnováze. Říkáme také, že matečný louh o obsahu 5,49% NaCl je za teploty 3 1 / 4 C vzhledem k ledu nasycen. Za teploty 3 1 / 4 C se tedy chemická soustava H 2 O NaCl rozpadla ve dvě části fáze: 1. v tuhou, led o složení 100% H 2 O, 2. v kapalnou, matečný louh o složení 5,49% NaCl a 94,51% H 2 O. Z předchozího je zřejmé, že při teplotě 3 1 / 4 C se homogenní fáze rozsělila ve dvě fáze a tím se stala celá soustava nestejnorodou, heterogenní. Ustálený stav vzhledem k daným podmínkám nazýváme rovnovážným stavem. Je-li přítomna jedna fáze, je to homogenní rovnovážný stav, je-li přítomno více fází, je to heterogenní rovnovážný stav. Fáze je tedy útvar, který má stále chemické a fyzikální vlastnosti a který se dá od jiných podobných útvarů oddělit. Může být tvořena jednou, dvěma i více složkami.

8 8 1.4 GIBBSŮV ZÁKON FÁZÍ V různých soustavách se může počet komponent různě měnit (Chemicky čisté látky, z nichž se daná soustava fází dá složit, nazýváme složkami (komponentami) soustavy. Např. soustava vodaled se skládá ze dvou fází o jedné komponentě H 2 O.). Čistý kov je soustava o jedné komponentě, slitina dvou kovů je soustava o dvou komponentách atd. Rovnovážný stav soustavy posuzujeme vždy za určitých vnějších podmínek. U některé soustavy je to teplota a koncentrace, u jiné soustavy, uzavřené v daném objemu, kde musíme uvažovat tlak plynů, přistupuje tedy k vnějším podmínkám také tlak a objem. Ačkoliv teplota, tlak i objem mají vliv na stav soustavy, stačí, aby rovnovážný stav této soustavy byl určen pouze teplotou a objemem. Tlak odpovídající tomuto stavu je tím již určen. Naopak za určitého tlaku a objemu odpovídá rovnovážnému stavu určitá teplota. Stačí tedy znát dva vnější činitele, aby byly určeny podmínky rovnováhy. Činitele, jemuž přisuzujeme libovolnou hodnotu, nazýváme neodvisle proměnnou, druhého činitele odvisle proměnnou. Tlak a teplota je neodvislá proměnná a ostatní veličiny (objem, hustota) nazýváme odvisle proměnné. Každá soustava je schopna určitých proměn, variací, a má určitý počet stupňů volnosti. Počtem stupňů volnosti rozumíme počet vnějších i vnitřních činitelů ( teplotu, tlak, koncentraci apod.), které je možno měnit, aniž tato změna vyvolá změnu v počtu koexistujících fází nebo změnu v jejich charakteru. K určení počtu proměn při studiu rovnovážných stavů používáme Gibbsova zákona fází: V - počet stupňů volnosti n - počet komponent f - počet fází V = n f číslo 2 je počet neodvisle proměnných, tj. tlak a teplota Tento zákon říká: čím je větší počet koexujících fází f při určitém počtu komponent n, tím je menší počet stupňů volnosti, jinak řečeno, tím méně variací (proměn) je soustava schopná. Soustava invariantní nebo nonvariantní nemá žádný stupeň volnosti, protože je schopna existence jen za zcela určité teploty a tlaku. Soustava univariantní a monovariantní má jeden stupeň volnosti, proto může existovat při různých tlacích a teplotách. Soustava bivariantní má dva stupně volnosti, proto je schopna existence při různých tlacích, nebo při určitém tlaku v určitém rozsahu teplot. Je-li tlak konstantní (atmosferický tlak) změní se zákon fází na tvar: V = n f Rovnovážné stavy pak posuzujeme pouze při jedné veličině neodvisle proměnné KOVY A JEJICH SLITINY Pojem kov se vztahuje na prvek, který by měl mít tyto vlastnosti: 1. charakteristický lesk 2. vysokou tažnost a kujnost 3. vysokou tepelnou a elektrickou vodivost 4. vysoký elektropozitivní (zásaditý) charakter

9 Kovy řadíme do tří skupin: A - Alkalické kovy - př. Na, K, Ca, Ni atd. T - Technicky nejcennější - V, Cr, Fe, Co, Ni atd. B - Kovy s některými vlastnostmi nekovů - C, B, Si, As atd. Kovové konstrukční a nástrojové materiály se jako čisté kovy nedají (až na malé výjimky) v technické praxi upotřebit, proto jim tyto vlastnosti dodáme a to tím, že použijeme přísad (legur). Tyto přísady změní vlastnosti kovu. Vzniklou strukturu nazýváme slitiny. Slitiny mohou vznikat několikerým způsobem: 1. slitím dvou nebo více roztavených kovů 2. rozpouštěním malých kousků tuhého přisazovaného kovu či nekovu ve velkém množství roztaveného kovu základního. 3. difúzí (žíháním nebo působením vyšších teplot) Slitiny podle počtu složek dělíme: a) podvojné (binární) b) potrojné (ternární) c) počtverné (kvaternární) d) komplexní Charakteristickou vlastností slitin je, že všechny krystalizují CHLADNUTÍ A OHŘEV ČISTÝCH KOVŮ NEPOLYMORFNÍCH A POLYMORFNÍCH Dokonale čistý kov (chemicky čistý) představuje soustavu o jedné komponentě a jedné fázi. Podle zákona fází tvoří soustavu univariantní ( V = = 1 ). To znamená, že můžeme měnit teplotu v oblasti teploty tavení a varu, aniž se charakter celé soustavy změní. Taktéž ztuhlý kov je soustavou univariantní. Při fázové přeměně, kdy koexistují dvě fáze ( tuhá a kapalná nebo kapalná a plynná ) zůstává teplota konstantní. Vyplývá to ze zákona fází, neboť při přeměně skupenství V = = 0. Soustava je během přeměny skupenství nonvariantní, nemá žádný stupeň volnosti, změna teploty tedy není možná. Schéma měření teplot kovů a slitin termočlánkem. Sledujeme chladnutí roztaveného čistého kovu nepolymorfního tak, že během jeho ochlazování měříme teplotu a čas. Teplotu pak vynášíme jako funkci času v pravoúhlé soustavě souřadnic. Získáme tak křivku chladnutí. Při chladnutí kovu teplota nejprve klesá (křivka I -II). V okamžiku vzniku prvních krystalů se pokles teploty zastaví a během celé krystalizace se v důsledku uvolňování krystalizačního tepla teplota nemění. Vlastní krystalizace se na křivce projeví vodorovným úsekem (a -b) prodleva. Po ztuhnutí kovu teplota kovu dále klesá ( III).

10 10 Obr. Křivka chladnutí a ohřevu čistého kovu nepolymorfního. Ohříváme-li tuhý kov za současného měření teploty a času a pak vyneseme do souřadnic teplotu jako funkci času, dostaneme křivku ohřevu. V místech, kde je porušen plynulý pokles křivky chladnutí nebo ohřevu, vzniká vnitřní přeměna materiálu. Vliv podchlazení na křivku chladnutí I když tuhnutí kovu probíhá teoreticky při stálé teplotě, začíná v praktických podmínkách při teplotě poněkud nižší než teplota ϑ. Mluvíme o podchlazení. Jakmile začne krystalizace, zvýší se teplota taveniny na teoretickou teplotu ϑ. Teplota přeměny při ohřevu leží o něco výš než je teplota přeměny při ochlazování. Je to důsledek tepelné hysteréze, která je vyvolána vnitřními odpory ve vnitřní stavbě kovů a skutečností, že každá fáze, tedy také tuhá, ma snahu podržet si svůj stav co nejdéle. U kovů polymorfních má křivka chladnutí nebo ohřevu poněkud jiný průběh, než u kovů nepolymorfních. Objevují se na ni další prodlevy. Jedna prodleva se objeví na přechodu ze skupenství kapalného do tuhého, jedna nebo více prodlev ve stavu tuhém. Prodleva při přeměně kapalného stavu do stavu tuhého je způsobena uvolňováním skupenského tepla. Tedy analogicky prodlevy ve stavu tuhém musí být způsobeny změnou uvnitř materiálu, při níž se uvolňuje skupenské teplo. Za teplot odpovídajících těmto prodlevám zde dochází ke změnám tzv. alotropickým, k překrystalizaci. Přeměna probíhá tvořením zárodků nové fáze a jejich růstem. Původní krystaly se přeměňují v krystaly s jinou mřížkou a tedy jinými fyzikálními i chemickými vlastnostmi (měrný objem, elektrická vodivost, mechanické vlastnosti aj.). U jednoho polymorfního kovu může existovat i několik alotropických modifikací. Ve všech modifikacích to bude týž čistý kov, ale s různými mřížkami. Každá modifikace však může existovat jen v určitém teplotním rozmezí. Stav, v němž se vyskytuje volně ochlazený kov (krystaly α ), je stav stabilní, ostatní modifikace jsou metastabilní. Z technicky důležitých kovů jsou polymorfní např. železo, kobalt, mangan, titan, cín.

11 11 Křivka chladnutí a ohřevu polymorfního čistého kovu 1.7 KRYSTALIZACE ČISTÝCH KOVŮ Při ochlazení kovu pod teplotu tuhnutí mění kapalný kov skupenství, krystalizuje. V chladnoucí tavenině se tvoří krystaly postupně. Růst krystalů začíná na tzv. krystalizačních zárodcích (centrech). Od těchto center se šíří všemi směry tak dlouho, až věškerá tavenina v jejich blízkosti se promění na tuhý kov. V místech, kde se vrstvy kovu rostoucích od dvou sousedních center setkají, vznikne styčná plocha dvou zrn (hranice zrn). Na průběh krystalizace a tím i na výslednou strukturu ztuhlé látky (tj. velikost, počet a tvar krystalů tvořících látku ve skupenství tuhém) mají hlavně vliv dvě veličiny: 1. rychlost tvoření zárodků 2. rychlost růstu krystalů Schéma postupu krystalizace Závislost velikosti podchlazení na rychlosti růstu krystalů Počet zárodků závisí na vlastnostech krystalizující látky a na podmínkách ochlazování. Rychlost růstu krystalů na daných zárodcích v jednotce času mění svou hodnotu v závislosti na stupni podchlazení. Při malém podchlazení je rychlost růstu malá, se stoupajícím podchlazením roste. Zůstanou-li zrna až do úplného zchladnutí ve stavu, jak se vytvořila při přechodu ze skupenství kapalného do tuhého, je struktura tvořena primárními zrny. Překrystalizací u kovů polymorfních se původní primární struktura ruší a je nahrazena strukturou sekundární.

12 12 Schéma průběhu krystalizace 1.8 POLYMORFIE ŽELEZA Až do teploty 911 C je stabilní modifikace α, která má strukturu krychlovou, prostorově středěnou ( 9 atomů). Za teploty 911 C se mění krystalová struktura α v γ, je rovněž krychlová, ale plošně středěná ( 14 atomů). Za teploty C vzniká opět struktura α. Při teplotě 760 C ztrácí modifikace železa α své feromagnetické vlastnosti, nad teplotou 760 C je železo vžd paramagnetické ( nemagnetické ). Paramagnetickou modifikací železa α, existující v rozmezí teplot 760 C do 911 C, označujeme někdy jako železo β. Změna magnetických vlastností se projevuje na křivce chladnutí malou prodlevou. Označujeme ji jako Curieho bod.

13 2. ZÁKLADNÍ POJMY PODVOJNÝCH SLITIN A JEJICH ROVNOVÁŽNÉ DIAGRAMY 13 Rovnovážný diagram popisuje po stránce kvalitativní i kvantitativní fáze, které jsou v soustavách o dvou a více složkách za různých teplot v rovnováze. K sestrojení rovnovážného diagramu se nejčastěji používá teplotního rozboru a křivek chladnutí dostatečně velkého počtu slitin o různé koncentraci. Na křivkách chladnutí se stanoví počátky a konce přeměn (krystalizace a překrystalizace). Další metodou pro konstrukci diagramů je metalografický rozbor a zjišťování změn fyzikálních vlastností v závislosti na teplotě. Pro studium rovnovážných diagramů je nutné se seznámit se základními případy vzájemné rozpustnosti kovů. Neuvažujeme-li slitiny polymorfních kovů, jsou možné tři základní případy rozpustnosti v kapalném stavu: 1. Oba kovy se vzájemně rozpouštějí v každém poměru 2. Oba kovy se nerozpouštějí vůbec 3. Oba kovy se vzájemně rozpouštějí jen částečně Pro technickou praxi je nejdůležitější dokonalá rozpustnost v kapalném stavu, která se nejčastěji vyskytuje. Kovy dokonale rozpustné v kapalném stavu se mohou v tuhém stavu vzájemně rozpouštět takto: 1. Oba kovy se vzájemně rozpouštějí dokonale 2. Oba kovy se vzájemně nerozpouštějí vůbec 3. Oba kovy se vzájemně rozpouštějí jen částečně. 2.1 DVA KOVY A A B JSOU V TEKUTÉM I TUHÉM STAVU ÚPLNĚ ROZPUSTNÉ Rovnovážný diagram soustavy dvou kovů dokonale rozpustných v kapalném i tuhém stavu, sestrojený pomocí křivek chladnutí. Nejdříve určíme křivky chladnutí pro oba zákl. kovy A a B a pak pro jejich slitiny o různé koncentraci. Na pořadnice vztyčené v bodech odpovídajících jednotlivým koncentracím nanášíme počátky a konce krystalizace jednotlivých slitin. Čisté kovy krystalují za konstantní teploty. Spojíme-li v rovnovážném diagramu všechny body, které odpovídají počátkům krystalizace, dostaneme likvidus. Spojíme-li podobně body odpovídající koncům krystalizace dostaneme solidus. V oblasti nad likvidem tvoří slitiny obou kovů jedinou homogenní kapalnou fázi, v oblasti pod solidem jedinou homogenní tuhou fázi. Mezi likvidem a solidem jsou v rovnováze dvě fáze, fáze kapalná a fáze tuhá. Podle zákona jde o soustavu monovariatní, soustavu s jedním stupňem volnosti: V=2+1-2=1.

14 14 Krystalizace slitiny I. Klesne-li teplota slitiny na teplotu odpovídající bodu a 1, začne se z taveniny vylučovat fáze tuhá. Složení této tuhé fáze (prvních krystalků tuhého roztoku) zjistíme tak, že vedeme bodem a 1 rovnoběžku s osou x, až protne solidus v bodě a 2. Za teploty ϑ 1 mohou tedy existovat pouze krystaly o složení, které odpovídá příslušné teplotě na solidu. Jak je zřejmé z diagramu, v krystalech kovu A bude při teplotě ϑ 1 rozpuštěno x 1 % kovu B. Klesne-li teplota slitiny I na teplotu odpovídající bodu M, bude v rovnováze fáze tuhá (krystaly tuhého roztoku) o složení odpovídajícím bodu K a kapalná (tavenina) o složení daném bodem T. Množství obou fází, které jsou při teplotě M ve vzájemné rovnováze, určíme pomocí pákového zákona (pravidla). Z rovnovážného diagramu platí pro rovnováhu na páce: Ka = Tb K + T = 100 Řešením obou rovnic dostaneme výraz pro poměrné množství tuhé fáze (krystalů tuhého roztoku) v hmotnostních procentech: b K = 100 % a + b a pro poměrné množství kapalné fáze (taveniny): a T = 100 % a + b dáme li oba výrazy do poměru, dostaneme: množství tuhé fáze (K) množství kapalné fáze (T) = b a Vyjádříme-li úsečku a jejími koncovými body KM a úsečku b body MT, můžeme také psát: množství tuhé fáze (K) množství kapalné fáze (T) = MT KM Množství tuhé fáze a kapalné fáze, které jsou za dané teploty ve vzájemné rovnováze, mají se k sobě v obráceném poměru úseček odpovídajících množství obou fází. Za klesající teploty se fáze tuhá i kapalná obohacují kovem B. Složení obou fází, které jsou za dané teploty v rovnováze, udávají solidus a likvidus. Podle tohoto rovnovážného diagramu krystalizují z kovů např. Cu-Ni, Ag-Au, Au-Pt, Co-Ni, Cu-Pt, Ni-Pt, W-Mo, Cu-Pd, Bi-Sb TUHÉ ROZTOKY Krystalem tuhého roztoku v binární slitině rozumíme krystal, který obsahuje atomy obou složek (atomy základního kovu i atomy přísady). Podle způsobu, jak jsou atomy přísady uloženy v mřížce základního kovu, dělí se tuhé roztoky na substituční a intersticiální. V praxi se vžilo označování tuhých roztoků řeckýmí písmeny, např. α, ß.

15 Substituční tuhé roztoky 15 U substitučních tuhých roztoků obsazují atomy přísadového kovu zcela náhodně uzlová místa v mřížce základního kovu. Atomy přísadového kovu mohou postupně obsadit buď všechna uzlová místa mřížky základního kovu, nebo mohou obsadit pouze některá uzlová místa. Podle toho v prvém případě vzniká rozpustnost neomezená,nebo v druhém případě o omezenou rozpustnost. Je-li mezi základním a přísadovým kovem co největší příbuznost, to znamená, mají-li oba kovy podobné vlastnosti fyzikální, chemické, zejména však mají-li téměř stejné parametry elementárních buněk (s největším rozdílem ± 15 %) a krystalují-li ve stejné soustavě, vznikají tuhé roztoky s neomezenou rozpustností. Čím jsou odchylky v příbuznosti větší, tím je vzájemná rozpustnost obou kovů menší. Prvky s neomezenou rozpustností: Cu-Ni, Au-Pt, Co-Ni, Au-Ag apod. Intersticiální tuhé roztoky. Je-li atom přísadového prvku dostatečně malý vzhledem k atomům základního kovu, ukládá se takový atom ve volných prostorách mezi normálními polohami atomů v mřížce základního kovu.takový tuhý roztok nazýváme mezerový nebo intersticiální. Protože do volných prostor mřížky se může umístit jen omezený počet atomů přísadového kovu - rozpustnost je velmi omezená. Nejdůležitější prvky jsou vodík,bór,uhlík a dusík POSTUP VZNIKU KRYSTALŮ TUHÉHO ROZTOKU Uvažujeme krystalizaci slitin z hlediska rovnovážného diagramu. V tom případě je krystalizace rovnovážným dějem. Vzniklý krystal nebude stejnorodý. V jádru bude bohatší na kov A a chudší na kov B. Nestejné koncentrace postupně narůstajících vrstev na rostoucím krystalu se však při ideálních podmínkách podle rovnovážného diagramu stačí během tuhnutí vyrovnat difúzí. Ztuhlá slitina pak bude tvořena dokonale vyvinutými homogenními krystali. Tyto krystali v nichž jsou oba kovy, základní i přísadový, rozpuštěny v tuhém stavu, označujeme tuhý roztok.

16 PODSTATA A MECHANIZMUS DIFÚZE Difúzí nazýváme úkaz, při kterém se uskutečňuje přenos částic hmoty (atomů tuhých roztoků) zpravidla z místa o vyšší koncentraci do míst s koncentrací nižší. Vlastní mechanizmus difuze vysvětlujeme třemi způsoby: 1. výměnný mechanizmus 2. Intersticiální mechanizmus 3. vakantní mechanizmus Na rychlost postupu difúze mají především vliv nedokonalosti prostorové mřížky a výše teploty. Protože nedokonalosti jsou větší na povrchu a na hranicích zrn než v samotné mřížse, plyne z toho, že difúze bude probíhat rychleji na povrchu a po hranicích zrn (difúze povrchová) než vlastními zrny (difúze objemová). 2.2 DVA KOVY A A B JSOU V TEKUTÉM STAVU ÚPLNĚ ROZPUSTNÉ, V TUHÉM STAVU NEROZPUSTNÉ Úplná nerozpustnost dvou kovů v tuhém stavu je v technické praxi velmi vzácná. Prakticky dochází vždy k rozpouštění, i když zcela nepatrnému. Určíme opět nejdříve křivky chladnutí pro oba základní čisté kovy A a B a pak pro jejich slitiny o různé koncentraci. Spojením všech bodů začátků krystalizace dostaneme likvidus, spojením bodů konců krystalizace solidus. Likvidus je tvořen dvěma větvemi, které se protínají v jednom bodě - eutektickém. Tímto bodem prochází eutektická přímka. Podle zákona fází mají slitiny nad likvidem dva stupně volnosti: V=2+1-1=2. V oblastech rovnovážného diagramu ohraničených likvidem a eutektickou přímkou jsou ve vzájemné rovnováze dvě fáze.tato soustava má jeden stupeň volnosti. V=2+1-2=1. Při eutektické krystalizaci za teploty jsou v rovnováze tři fáze a soustava nemá žádný stupeň volnosti : V=2+1-3=0 Eutektikum - tvoří ve slitinách strukturu, která je pod mikroskopem snadno rozeznatelná,jsou to buď jemné pásky vytvořené destičkovitými krystaly obou kovů, uloženými těsně vedle sebe - eutektikum páskové, lamelární, nebo jeden kov tvoří zákl. hmotu a v ní jsou uloženy krystaly kovu druhého ve tvaru jemných zrníček - eutektikum zrnité, globulární.eutektikum krystaluje vždy sekundárně.primárně vznikají krystaly, které tvoří kostru a eutektikum pak plně vyplňuje prostory mezi těmito primálně vzníklými krystaly. Někdy se eutektický bod E tak přiblíží jednomu z čistých kovů, že splyne, např. s bodem D. Eutektická teplota se pak shoduje s teplotou tání kovu B.

17 Podle popsaného rovnovážného diagramu krystalují např. Sn - Zn,Bi - Cd. 17 Eutektikum

18 ZMĚNA ROZPUSTNOSTI V TUHÉM STAVU Změna rozpustnosti v tuhém stavu nastává u binárních slitin, které jsou v tuhém stavu částečně rozpustné. Je to případ velmi častý. Z rovnovážného diagramu slitin tohoto typu vyplývá, že oba kovy A a B jsou v kapalném stavu dokonale rozpustné. Krystalizace jednotlivých slitin začíná při teplotách, které odpovídají dvěma křivkám likvidu l 1 a l 2. Obě větve se protínají v eutektickém bodě E, který leží na eutektické přímce FEG. Na eutektickou přímku navazují po obou stranách křivky solidu CF a DG. Křivky solidu určují oblast vzájemné rozpustnosti obou kovů, eutektická přímka určuje naopak oblast vzájemné nerozpustnosti. Segregace - Při dostatečně vysoké teplotě rovnovážného stavu nasycení (a 3 ), potřebné pro účinnou difúzi, vylučuje se tedy nová fáze přednostně na hranicích zrn. Množství segregátu vyloučeného při segregaci je velmi malé. Proto jeho vylučování není spojeno s žádným teplotním jevem. Křivka chladnutí nebude vykazovat žádnou prodlevu. Segregace se v praxi projevuje změnou vlastností kovů, např. zmenšením houževnatosti. Precipitace - Je to děj při němž dochází k vylučování jemných částic nových fází z přesyceného tuhého roztoku uvnitř zrn. Podmínku precipitace je vznik tuhého roztoku. Tato podmínka může být splněna pouze v soustavě z omezenou rozpustností složek v tuhém stavu při čemž s klesající teplotou se rozpustnost musí zmenšovat. Projevuje se zvýšenou tvrdostí, zvýšením meze kluzu, zvětšením odporu vůči plastické deformaci. Jedná se především o dural. 2.4 KRYSTALIZACE KOVŮ S PŘEKRYSTALIZACÍ V TUHÉM STAVU Po ztuhnutí mohou ve slitinách nastat ještě různé přeměny, které velmi často podstatně ovlivňují primárně vzniklou strukturu. Proto se v binárních rovnovážných diagramech objeví pod primárním diagramech ještě další - sekundární - rovnovážný diagram. Celý rovnovážný diagram potom rozdělujeme takto: 1. diagram tuhnutí, primární, v němž dochází k primární krystalizaci 2. diagram sekundární, v němž dochází k překrystalizaci Podle vzájemné rozpustnosti kovů při překrystalizaci mohou vznikat nejrůznější kombinace.

19 19 Primární diagram tuhnutí je typem diagramu binární soustavy s úplnou nerozpustností jedné složky (kovu A) a s omezenou rozpustností jedné složky (kovu B). Primární krystalizace je ukončena na solidu CF a eutektické přímce FEG. Sekundární diagram překrystalizace je typem rovnovážného diagramu binárních slitin, které se v tuhém stavu vzájemně nerozpouštějí. Reakce při teplotách daných přímkou F 1 E 1 G 1 se značně podobá reakci eutektické při teplotách daných eutektickou přímkou EFG. Také zde vzniká jemná směs krystalků obou kovů A a B. Tato reakce je v podstatě difúzní rozpad tuhého roztoku ve dvě chemicky a krystalograficky odlišné fáze. Výslednou heterogenní strukturu vzniklou tímto rozpadem nazývame eutektoidem. Při vzniku eutektoidu se tuhý roztok zároveň nasycuje oběma fázemi. Eutektoidní rozpad nemá žádný stupeň volnosti, neboť jsou vedle sebe v rovnováze tři fáze. Eutektektoidní rozpad a eutektická krystalizace jsou si značně podobné. U obou se mění jedna homogenní fáze ve směs dvou odlišných fází.v obou případech může být výsledná struktura hodně podobná.u eutektoidního rozpadu vzniká nejčastěji při normálních rychlostech ochlazování lamelární eutektoid. V něm se střídají vedle sebe pásky obou eutektoidních fází..

20 20 4. ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM ŽELEZO UHLÍK Z kovů a slitin používaných v technické praxi mají největší význam slitiny železa. Souborným názvem technické železo se označují všechny slitiny ve kterých převládá prvek Fe. Technicky vyráběné železo není chemicky čisté železo, je to slitina železa s různými prvky, především s C, Si, Mn, P, S. Tyto prvky se dostávají do železa při výrobě. Některé z nich, jako C, Si, Mn, mají do určité míry příznivý vliv na vlastnosti slitiny, jiné, jako P, S, mají vliv nepříznivý. Hlavní vliv na vlastnosti technického železa má uhlík. Uhlík je jedním z prvků, který má tak malé atomy, že může vytvářet intersticiální tuhý roztok. Také s oběma modifikacemi železa (α i γ ) tuhý roztok mezerový (intersticiální) tvoří. Rozpustnost uhlíku v železe v tuhém stavu je však rozdílná pro obě modifikace. Prostorově středěná struktura železa α má volnější uspořádání atomů než plošně středěná struktura železa gama.to znamená, že v prostorové mřížce železa α je více "volného prostoru" než u modifikace gama. Přesto je ale rozpustnost uhlíku v železe α malá, v železe gama je mnohem větší. Příčinou této skutečnosti je rozdílné členění "volného prostoru" u obou mřížek. Mřížka železa gama má sice méně "volného prostoru", ale ten je rozdělen do menšího počtu větších intersticiálních prostorů. Do těchto volných prostorů je možné vepsat koule o větším poloměru (černé koule) než do volných prostorů u železa α. obr. volné prostory v mřížkách FERIT - Tuhý roztok uhlíku v železe α. Železo α rozpouští max. 0,02 % C při teplotě 727 C. Tato největší rozpustnost v železe α však není stálá. Zmenšuje se se snižováním teploty. Při normální teplotě se rozpouští již jen 0,008 % uhlíku. AUSTENIT - Tuhý roztok uhlíku v železe gama. Železo γ rozpouští v porovnání s železem α uhlíku mnohem více. (Max. 2,14 % při teplotě 1147 C.). PERLIT - je eutektoid sestávající se z lamelek feritu a cementitu v poměru 7.7:1, vznikající rozpadem austenitu při teplotě 727 C obsahující 0,765% uhlíku. V soustavách železo uhlík tvoří uhlík nad mezí rozpustnosti samostatnou fázi. Je to buď jeho sloučenina se železem - karbid železa Fe 3 C - zvaná cementit, nebo volný uhlík - grafit (C). CEMENTIT - Karbid železa Fe 3 C obsahuje 6,67 % uhlíku, jak lze vypočítat z atomových hmotností. Je velmi tvrdý, křehký, není tvárný. Nemá alotropické přeměny, pouze při teplotě 217 C ztrácí feromagnetické vlastnosti. GRAFIT (C) je měkký, drobivý. Jeho tvárnost a pevnost jsou v porovnání se železem nepatrné. LEDEBURIT - je eutektikum stávající se z lamel austenitu a cementitu v poměru 1:1 vznikající při teplotě 1147 C obsahující 4.3% uhlíku. Při poklesu teploty pod teplotu eutektickou se primární i eutektický austenit přesycuje uhlíkem, který se zněho vylučuje ve tvaru sekundárního cementitu. Sekundární cementit se ukládá k

21 21 cementitu eutektickému. Při eutektoidní teplotě se austenit, jehož schopnost rozpouštět uhlík klesla z hodnoty 2,14% při 1147 C na 0,765% při 727 C, rozpadá v perlit za stálé teploty 727 C. Je tedy po skončení fázových přeměnách ve struktuře přítomen cementit a perlit. Ten je ve dvou odlišných útvarech. Rozpadem primárně vzniklých krystalů austenitu vznikají poměrně rozsáhlá pole perlitická, zatímco z drobných zrn ledeburického austenitu vznikají drobné perlitické ostrůvky, uložené v cementitu. Struktura jemných zrníček perlitu v základním cementitu se také někdy označuje jako rozpadlý ledeburit. Uhlík spolu se železem tvoří binární slitiny. Podle toho, v jaké podobě se uhlík v soustavě nachází, rozeznáváme: 1. binární soustavu metastabilní železo-karbid, v které je uhlík vázán jako karbid železa. 2. binární soustavu stabilní železo-grafit, ve které je uhlík vyloučen jako grafit. 3.1 Metastabilní soustava Fe-Fe 3 C Je typem binární soustavy s eutektikem, súplnou nerozpustností jedné (Fe) a omezenou rozpustností druhé složky (C). Likvidus má dvě větve (křivky AC a CD), které se protínají v eutektickém bodě C. Tímto bodem prochází eutektická přímka ECF. Ta uzavírá solidus, který je na straně železa tvořen křivkou AE. Polymorfie železa způsobuje, že se pod solidem objevuje další překrystalizační čáry. Z hlediska technického použití dělíme rovnovážný diagram na dvě základní oblasti. Slitiny chudé uhlíkem (do koncentrace 2,14%) nazýváme oceli. Eutektoidní bod S rozděluje oceli na oceli podeutektoidní (do 0,765%) a nadeutektoidní (od 0,765 do 2,14% uhlíku). Slitiny s obsahem uhlíku vyšším než 2,14% nazýváme litiny a surová železa. Eutektický bod C je rozděluje na podeutektické (2,14 až 4,3%) a nadeutektické (4,3 až 6,67%).

22 Tuhnutí slitiny I - oceli podeutektoidní 22 Při teplotách nad likvidem AC existuje jediná fáze, homogenní tavenina, ve které všechen uhlík tvoří samostatnou fázi - karbid železa Fe 3 C. Slitina začíná tuhnout při teplotě ϑ 1 (odpovídající bod a 1 ). Při této teplotě se vyloučí první krystaly tuhého roztoku gama - austenitu. Jejich složení je dáno bodem 1 γ. Při dalším ochlazování pokračuje vylučování krystalů austenitu. Současně se také mění jejich složení, a to podle křivky solidu AE. S klesající teplotou roste množství krystalů tuhého roztoku gama a klesá množství taveniny. Také ta mění své složení podle čáry likvidu AC. Při teplotě dané bodem a2 jsou v rovnováze krystaly tuhého roztoku gama o složení 2 γ, a tavenina o složení 2 t. Poměrné množství obou fází je určeno pákovým zákonem: krystaly γ a 2 2 t = tavenina 2 γ a 2 Tuhnutí je ukončeno při teplotě ϑ 3 dané bodema 3. Struktura slitiny I se pod teplotou ϑ 3 skládá jen z krystalů tuhého roztoku gama (austenit) s průměrným obsahem uhlíku odpovídajícím původní koncentraci uhlíku ve slitině I. Ochlazujeme-li slitinu dále, dochází na čáře GOS (feritická čára) k překrystalizaci tuhého roztoku gama na tuhý roztok alfa. Překrystalizace u čistého železa probíhá při teplotě 900 C. S přibývajícím obsahem uhlíku v tuhém roztoku gama se však teplota počátku překrystalizace austenitu na ferit snižuje podle křivky GS. Při dalším poklesu teploty bezprostředně pod 760 C se změní paramagnetický ferit ve feromagnetický. S dalším poklesem teploty přibývá feritu a ubývá austenitu, který dosáhl eutektoidního složení 0,765%C, se přemění za konstaní teploty 727 C na charakteristický lamelární eutektoid - perlit. Tuhnutí slitiny II - ocel nadeutektoidní Je to slitina s obsahem uhlíku 0,765%C. U této slitiny zůstává austenit stabilní až do teploty eut. přeměny 727 C. Při této teplotě se přeměňuje na perlit. Slitina eutektoidní má tedy výslednou strukturu tvořenou pouze eutektoidem, Perlitem. Pod teplotou eutektoidní přeměny nedochází u slitin železa již k žádné přeměně a struktura slitin se tedy prakticky nemění. Pouze u slitin s velmi malým obsahem uhlíku má význam ještě vylučování cementitu z přesyceného tuhého roztoku alfa. Tomuto cementitu říkáme terciální. Tuhnutí slitiny III - slitiny podeutektické Tuhnutí této slitiny, která má obsah uhlíku 3%, je obdobné jako u všech slitin dosud popisovanych. Rozdíl je pouze v nižší teplotě tuhnutí. Krystalizace této slitiny končí eutektickou přeměnou taveniny o obsahu 4,3%C při konstantní teplotě 1147 C. Eutektikum vznikající při této přeměně se nazývá ledeburit. Slitina eutektická - o obsahu 4,3%C bude pod eutektikálou obsahovat pouze ledeburit. Slitiny nadeutektické O obsahu uhlíku větším než 4,3% tuhnou tak, že se z taveniny vylučují podle větve likvidu CD krystaly cementitu zvaného primární. Podle podmínek, za kterých vzniká cementit, rozlišujeme v metastabilní soustavě Fe-Fe 3 C cementit primární (vylučující se pod čarou CD), který je součástí eutektika - ledeburitu, cementit sekundární (vznikající na čáře SE), který je součástí eutektoidu - perlitu, a cementit terciální (vylučující se na čáře PQ)

23 3.2 Stabilní soustava železo-grafit 23 Ke krystalizaci podle stabilní soustavy dochází u slitin obsahujících nad 2% uhlíku a při dostatečně pomalém chladnutí. U slitin s max. obsahem uhlíku do 2,4% probíhá primární krystalizace v obou soustavách stejně. U slitin s obsahem uhlíku nad 2,14% vzniká při teplotě eutektické přeměny ve stabilní soustavě místo ledeburitu grafitové eutektikum. Skládá se z krystalů austenitu a uhlíku vyloučeného ve formě grafitu. Eutektický bod ve stabilní soustavě má koncentraci 4,26% uhlíku a teplotu 1153 C. Také při eutektoidní přeměně austenitu vzniká stabilní grafit místo metastabilního karbidu železa. Dostáváme tak grafitový eutektoid. Je to směs feritu a grafitu s obsahem 0,69%C. porovnáním obou diagramů zjišťujeme, že ve stabilní soustavě probíhá eutektická krystalizace i eutektoidní rozpad při vyšších teplotách a nižších koncentracích uhlíku. Šedivá barva grafitu dodává lomovým plochám šedivé zbarvení. Proto slitiny bohatší na uhlík a tuhnoucí podle stabilní soustavy nazýváme šedé litiny a šedá surová železa. Struktura kovové hmoty šedé litiny, která nebyla tepelně zpracovaná, odpovídá strukturám ocelí a může být: 1) feritická, probíhá-li chladnutí pomalu a vlitině je dostatečně vysoký obsah grafitizačních přísad (především Si). Feritická litina je velmi měkká, málo pevná, proto se jí jako konstrukčního materiálu nepoužívá. 2) perlitická - rychlost chladnutí je v naprostém souladu s množstvím grafitizačních přísad, zejména Si. Je to litina vhodná jako konstrukční materiál - odlitky. 3) Jsou-li pro danou rychlost chladnutí grafitizační prvky v přebytku, vznikne šedá litina, ve které jsou grafitové lupínky uloženy ve feritu a zbytek je vyplněn perlitem. Vznikne feriticko-perlitická litina. Ta je proti perlitické měkčí, méně pevná. Jako konstrukční materiál je proto méně žádaná.