Krystalizace ocelí a litin

Transkript

1 Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/ Krystalizace ocelí a litin Hana Šebestová,, Petr Schovánek Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikáln lního ústavu Akademie věd v České republiky 17. listopadu 50a, Olomouc, hana.sebestova sebestova@upol.cz

2 Obsah 1. Základní pojmy 2. Krystalizace oceli a bílé litiny Přehled fází a strukturních součástí oceli a bílé litiny Metastabilní diagram Fe-Fe 3 C 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-Fe 3 C 2

3 1. Základní pojmy Ocel slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků s obsahem uhlíku do 2,1 hm. % uhlík se v oceli vyskytuje v podobě sloučeniny cementit (Fe 3 C) Litina 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-Fe 3 C, resp. Fe-C 3

4 2. Krystalizace oceli a bílé litiny Metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe 3 C 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 Fe 3 C (cementit), proto diagram Fe-Fe 3 C 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

5 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 (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 Fe 3 C, obsahuje 6,68 hm.% C STRUKTURNÍ SOUČÁSTI tavenina austenit primární (A) - z taveniny při ochlazování austenit ledeburitický A L - z taveniny při eutektické krystalizaci ferit (F) - proeutektoidní ferit - z austenitu u proeutektoidní oceli ferit perlitický (F P ) - z austenitu při eutektoidní přeměně δ ferit (δf) - z taveniny perlit (P) - směs feritu a cementitu vznikající při eutektoidní přeměně austenitu (eutektoid), obsahuje 0,765 hm.% C cementit primární (Cem I ) - primární krystalizací z taveniny nadeutektického složení cementit sekundární (Cem II ) - segregací z nasyceného austenitu nadeutektoidního složení cementit terciární (Cem III ) - vylučováním z nasyceného feritu cementit ledeburitický (Cem L ) - z taveniny při eutektické krystalizaci cementit perlitický (Cem P ) - eutektoidní přeměnou austenitu ledeburit (L) - směs austenitu a cementitu (ledeburitického) vznikající z taveniny při eutektické krystalizaci (cementitické eutektikum) transformovaný ledeburit (L tr ) směs perlitu a cementitu vznikající z ledeburitu při eutektoidní přeměně 5

6 Metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe 3 C Strukturní diagram 6

7 Metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe 3 C Peritektická přeměna Strukturní diagram Eutektická přeměna Eutektoidní přeměna 7

8 Krystalizace slitin s obsahem uhlíku do 2,14 hm. % 8

9 Překrystalizace slitin s obsahem uhlíku do 2,14 hm. % 9

10 Krystalizace slitin s obsahem uhlíku nad 2,14 hm. % 10

11 Primární krystalizace slitiny se složením I Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje δf. Hmotnostní podíl δf (m δf ) k hmotnostnímu podílu zbývající taveniny (m L ) lze pro danou teplotu určit pomocí pákového pravidla. Např. při T 2 : c F 0c2 δ m = m L c 2 c 0 11

12 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 T 4 začíná překrystalizovávat na A alotropická přeměna I. druhu. Transformace je ukončena při teplotě T 6. Složení A je stejné jako měl výchozí δ ferit. Hmotnostní podíl vznikajícího A (m A ) k hmotnostnímu podílu δf (m δf ) lze pro danou teplotu určit pomocí pákového pravidla. Např. při T 5 : c A 5 m = m δf c 0 c c

13 Překrystalizace slitiny se složením I Při dalším ochlazování přestává být A stabilní a při teplotě T 7 transformuje na F. Transformace je ukončena při teplotě T 8. Další ochlazování pod teplotu T 9 vede k vylučování Cem III na hranicích zrn feritu z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe α za nižších teplot. 13

14 Primární krystalizace slitiny se složením II Peritektická přeměna Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje δf. Těsně nad peritektickou teplotou T P mají krystaly δf složení c 3 a zbývající tavenina složení C 3. Hmotnostní podíl δf (m δf ) k hmotnostnímu podílu taveniny (m L ) je při teplotě T P dán pákovým pravidlem: m δf = m L c c 0 3 c c 3 0 Po dosažení T P dojde k peritektické přeměně za vzniku A s přebytkem δf: δf + tavenina A 14

15 Překrystalizace slitiny se složením II po peritektické přeměně Při dalším ochlazování pod T P dochází k překrystalizaci nespotřebovaného δf na A. 15

16 Překrystalizace slitiny se složením II Eutektoidní přeměna Při dalším ochlazování přestává být A stabilní a při teplotě T 6 začíná transformovat na F. Transformace je ukončena při teplotě T 8, kdy má F složení c 8 a A dosáhl eutektického složení c 8 = c S. Při teplotě T S proběhne eutektoidní přeměna zbylého A na směs F P a Cem P perlit (P). Další ochlazování pod teplotu T S vede k vylučování Cem III z F z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe α za nižších teplot. Připojuje se k Cem P, který je součástí P a ve struktuře ani na vlastnostech se samostatně neprojeví. Hmotnostní podíl F (m F ) k hmotnostnímu podílu A (m A ), resp. P (m P ) je dán pákovým pravidlem: Při teplotě T 7 : Při teplotě T S : m F = m A c c 0 7 c c 7 0 m F = m P c c 0 8 c c 8 0 Analogicky pro slitiny se složením III, IV. 16

17 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

18 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 c 3 a tavenina o složení c 3. Při dosažení peritektické teploty (T P ) dojde k peritektické přeměně: δf + tavenina A taveniny s přebytkem Při dalším ochlazování krystalizuje ze zbylé taveniny A. Překrystalizace A na F a eutektoidní přeměna probíhají analogicky jako u slitiny se složením II. 18

19 Primární krystalizace slitiny se složením V Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje A. 19

20 Překrystalizace slitiny se složením V Eutektoidní přeměna Rozpustnost uhlíku v železe γ klesá s klesající teplotou, proto se z něj při teplotě T 4 začíná vylučovat uhlík, a to ve formě Cem II. Protože vzniká z přesyceného tuhého roztoku a za pomalejší difúze než Cem I, 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 T S tvoří strukturu slitiny Cem II a A s eutektoidním složením c 6 = c S. Při teplotě T S proběhne eutektoidní přeměna zbylého A na P. S poklesem teploty se z F P obsaženého v P vylučuje Cem III. Hmotnostní podíl Cem II (m Cem II) k hmotnostnímu podílu P (m P ) je dán pákovým pravidlem: Při teplotě T S : m Cem II m P c6 c0 = c c

21 Překrystalizace slitiny s eutektoidním složením Eutektoidní přeměna A eutektoidního složení transformuje po dosažení eutektoidní teploty T S na P. S klesající teplotou se z F P obsaženého v P vylučuje Cem III. 21

22 Primární krystalizace slitiny se složením VI Eutektická přeměna Z taveniny po překročení čáry likvidu primárně krystalizuje A. Těsně nad eutektickou teplotou T E má A složení c 3 a zbývající tavenina c 3 = c E. Při teplotě T E proběhne eutektická přeměna taveniny za vzniku cementitického eutektika ledeburitu (L). Při dalším ochlazování se vylučuje Cem II z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot. 22

23 Překrystalizace slitiny se složením VI Při poklesu teploty pod T E se z A vylučuje Cem II 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 A L, proto je L pod eutektoidní teplotou označován jako transformovaný (L tr ). S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe α a vylučuje se Cem III z F P i F P obsaženého v L tr. 23

24 Primární krystalizace slitiny se složením VII Eutektická přeměna Slitina eutektického složení (c E ) krystalizuje z taveniny přímo jako cementitické eutektikum ledeburit (L). S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe γ, a proto se z A L vylučuje Cem II. 24

25 Překrystalizace slitiny s eutektickým složením VII Slitina eutektického složení obsahuje po eutektické transformaci pouze L. Při poklesu teploty pod T E se A L ochuzuje o uhlík vyloučením Cem II z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot. Po dosažení eutektoidní teploty transformuje A L na perlit a vzniká transformovaný ledeburit (L tr ). S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe α a vylučuje se Cem III z F P obsaženého v L tr. 25

26 Primární krystalizace slitiny se složením VIII Eutektická přeměna Z taveniny po překročení čáry likvidu krystalizuje Cem I s obsahem uhlíku 6,68 hm.%. Obsah uhlíku v cementitu je konstantní. Při dosažení eutektické teploty T E = 1147 C má zbývající tavenina eutektické složení složení c 3 = c E = 4,3 hm.% C a eutektickou přeměnou z ní krystalizuje L. Při dalším ochlazování se z A L vylučuje Cem II. 26

27 Překrystalizace slitiny se složením VIII Při poklesu teploty pod T E se A L ochuzuje o uhlík vyloučením Cem II z důvodu nižší rozpustnosti uhlíku v železe γ za nižších teplot. Po dosažení eutektoidní teploty transformuje A L na perlit a vzniká L tr. S dalším poklesem teploty klesá rozpustnost uhlíku v železe α a vylučuje se Cem III z P F obsaženého v L tr. 27

28 Komplexní metastabilní diagram Fe-Fe 3 C 28

29 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

30 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 (A Em ) - z taveniny při eutektické krystalizaci ferit eutektoidní (F Em ) - z austenitu při eutektoidní přeměně grafitický eutektoid (Ed) - směs feritu a grafitu vznikající při eutektoidní přeměně austenitu, obsahuje 0,69 hm.% C grafit primární (G I ) - primární krystalizací z taveniny nadeutektického složení grafit sekundární (G II ) - segregací z nasyceného austenitu nadeutektoidního složení grafit terciární (G III ) - vylučováním z nasyceného feritu grafit eutektický (G Em ) - z taveniny při eutektické krystalizaci grafit eutektoidní (G Ed ) - eutektoidní přeměnou austenitu grafitické eutektikum (Em G ) - směs austenitu a grafitu (eutektického) vznikající z taveniny při eutektické krystalizaci transformované grafitické eutektikum (Em G tr ) směs perlitu a grafitu vznikající z grafitického eutektika při eutektoidní přeměně 30

31 Stabilní rovnovážný diagram Fe-C Strukturní diagram 31

32 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

33 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 (Em G ). Při dalším ochlazování se z A i A Em vylučuje G II, který se obvykle připojuje k lupínkům G Em. Po dosažení eutektoidní teploty transformuje A na směs F Ed a G Ed - grafitický eutektoid (Ed G ). Podobně dochází k přeměně i u A Em, hovoříme pak o transformovaném grafitickém eutektiku (Em G tr ). Následné ochlazování vede k vylučování G III z feritu obsaženém v Ed G a Em G tr. 33

34 Krystalizace slitiny se složením II Po překročení čáry likvidu tuhne tavenina jako grafitické eutektikum (Em G ). Při dalším ochlazování se z A Em vylučuje G II. Po dosažení eutektoidní teploty se A Em rozpadá na směs F Ed a G Ed, a vzniká tak transformované grafitické eutektikum (Em G tr). Následné ochlazování vede k vylučování G III z feritu obsaženém v Em G tr. 34

35 Krystalizace slitiny se složením III Po překročení čáry likvidu z taveniny primárně krystalizuje G I. Protože má menší měrnou hmotnost než tavenina, vyplouvá na povrch lázně. Po dosažení eutektické teploty je ukončena krystalizace G I o složení 100 hm.% C. Zbývající tavenina tuhne jako směs A Em a G Em - grafitické eutektikum (Em G ). Při dalším ochlazování se A Em vylučuje sekundární grafit, který se obvykle připojuje k G Em. Po dosažení eutektoidní teploty se A Em rozpadá na směs F Ed a G Ed, a vzniká tak transformované grafitické eutektikum (Em G tr ). Následné ochlazování vede k vylučování G III grafitickém eutektiku. z feritu obsaženém v transformovaném 35

36 Komplexní stabilní diagram Fe-C 36

37 4. Porovnání diagramů Fe-Fe 3 C a Fe-C 37

38 Tato prezentace byla připravena za finanční podpory Evropského sociálního fondu v ČR v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/ Moderní technologie ve studiu Aplikované fyziky. Děkuji Vám za pozornost. 38