MATERIAL SCIENCE I. Lecture no. 06: Fundamentals of material thermodynamics Základy termodynamiky materiálů

Transkript

1 MATERIAL SCIENCE I Lecture no. 06: Fundamentals of material thermodynamics Základy termodynamiky materiálů Author of Lecture: Ing. Vladimír NOSEK TUL FS, Department of Material Science

2 NMI - Lecture 06 Definition of Thermodynamics Definice termodynamiky Science dealing with study of the exchange of heat, energy and work between a system and its surroundings Věda zabývající se studiem výměny tepla, energie a práce mezi systémem a jeho okolím 2

3 NMI - Lecture 06 Basic Thermodynamic Concepts Základní termodynamické pojmy System part of space and its content Systém část prostoru a jeho obsah Surroundings rest of space Zbývající prostor Boundary (walls) - a real or imaginary surface that separates a system from its surroundings and can enable (but need not) exchange of mass and/or energy Rozhraní (stěny) skutečná nebo myšlená plocha, která odděluje systém od okolí a může (ale nemusí) umožňovat výměnu hmoty a/nebo energie 3

4 NMI - Lecture 06 Types of systems Druhy systémů Open system Otevřený systémboth mass and energy can be exchanged with surroundings S okolím může být vyměňována hmota i energie Closed system Uzavřený systémonly energy can be exchanged Může bý vyměňována pouze energie Isolated system Izolovaný systémboth mass and energy can not be exchanged Nemůže být vyměňována ani hmota ani energie 4

5 NMI - Lecture 06 Description of thermodynamic systém Popis termodynamického systému Following concepts are used for description of system: K popisu systému se používají následující pojmy: Component Složka Phase Fáze State function (s. quantity or s. variable) Stavová funkce (s. veličina nebo s. proměnná) 5

6 Component Složka (komponenta) NMI - Lecture 06 The term component is used for description of chemical composition of system Termín složka je používán pro popis chemického složení systému Definition of component : chemical individuum, i.e. matter which can not be splitted chemically. Definice složky : chemické individuum, tj. látka, kterou nelze chemicky rozložit. Je to obvykle chemický prvek. It can be chemical compound (exceptionally), if system is investigated under conditions, when this compound doesn t decompose. Výjímečně to může být chemická sloučenina, je-li systém zkoumán za podmínek, kdy se tato nerozkládá. 6

7 Phase Fáze NMI - Lecture 06 Phase is a physically distinctive form of matter, such as a solid, liquid, gas or plasma. Fáze je fyzikálně charakteristická forma látky, jako je pevná látka, kapalina, plyn nebo plazma. Definition of phase: homogeneous part of system, i.e. matter which owns the same intensive properties in all sites. Definice fáze: homogenní část systému, tj. látka která má ve všech místech stejné intenzivní vlastnosti. (Intensive property is property independent on amount of matter.) (Intenzivní vlastnost je vlastnost nezávislá na množství látky.) 7

8 NMI - Lecture 06 Phase (cont.) Fáze (pokračování) If system contents only one phase, then is named homogeneous, if it contents more phases, it is named heterogeneous. Obsahuje-li systém pouze jednu fázi, nazývá se homogenní, obsahuje-li více fází nazývá se heterogenní. The phases are separated by phase boundary. Fáze jsou odděleny fázovým rozhraním. Phase boundary is place of contact of two phases. Fázové rozhraní je místo styku dvou fází. Inside of phase are values of properties the same (in the case of equlibrium) or they are changed continuously (out of equilibrium) but at phase boundary are changed discontinuously. Uvnitř fáze jsou vlastnosti stejné (v případě rovnováhy) nebo se spojitě mění (mimo rovnováhu), ale na fázovém rozhraní se mění nespojitě (skokem). 8

9 NMI - Lecture 06 Phase (cont.) Fáze (pokračování) In the case of equilibrium the system can contain none, one or more solid phases, none, one or more liquid phases, but only none or one gaseous phase, because all gases are totally miscible and are forming only one phase. V případě rovnováhy může systém obsahovat žádnou, jednu nebo více pevných fází, žádnou, jednu nebo více kapalných fází, ale žáádnou nebo jednu pklynnou fázi, protože všechny plyny se spolu neomezeně mísí a tvoří pouze jedinou fázi. A phase can be present in system in one body continuous phase or in more bodies dispersed phase. Fáze může být přítomna v systému jako jediné těleso - spojitá fáze nebo více těles rozptýlená (disperzní) fáze. 9

10 NMI - Lecture 06 State function (s. variable or s. quantity) Stavová funkce(s. proměnná nebo s. veličina) State function is a property of system that depends only on its current state and not on how that state was reached. Stavová funkce je vlastnost systému, která závisí pouze na stavu systému a nezávisí na tom jak do toho stavu dospěla. Examples of state functions are T = temperature, P = pressure, V = volume, U = internal energy, H = enthalpy, S = enthropy, G = Gibbs energy and F = Helmholtz energy. Příklady stavových funkcí jsou T=teplota, P=tlak, V=objem, U=vnitřní energie, H=entalpie, S=entropie, G=Gibbsova energie a F=Helmholtzova energie. 10

11 NMI - Lecture 06 Extensive and intensive quantities Extenzivní a intenzivní veličiny We can distinguish extensive and intensive quantities (variables). Rozlišujeme extenzivní a intenzivní veličiny (proměnné). Extensive properties are additive and depend on system size. Extenzivní vlastnosti jsou aditivní a závisejí na velikosti systému. Intensive properties are bulk properties and does not depend on the system size or the amount of material in the system. Intenzivní vlastnosti nezávisejí na velikosti systému nebo na množství materiálu v systému. 11

12 NMI - Lecture 06 Chemical composition Chemické složení Chemical composition can be expressed qualitatively or quantitatively. Chemické složení můžeme vyjádřit kvalitativně nebo kvantitativně. In qualitative way: only naming of all components Kvalitativně: pouze vyjmenováním všech složek In quatitative way: absolutely or relatively Kvantitativně: absolutně nebo relativně Absolutely: amounts of single components in kilograms, litres or moles Absolutně: množství jednotlivých složek v kilogramech, molech, nebo litrech. Relatively: using concentrations, i.e. amout of single component related to total amount (of all components) Relativně: použitím koncentrací, tj. množství jednotlivé složky vztažené k množství všech složek systému. 12

13 NMI - Lecture 06 Expression of concentration Vyjádřování koncentrace Molar fraction of component i, i.e. x i = n i /n, where n i is number of moles of component i, n is number of all moles in system. Molární zlomek složky i, tj. x i = n i /n, kde n i je počet molů složky i, n je počet všech molů v systému. Atomic percentage of component i, i.e. at.% of i = 100.x i Atomová procenta složky i, tj. at.% of i = 100.x i Mass(weight) fraction of component i, i.e. x mi = m i /m, where m i is mass(weight) of component i, m is total mass(weight) of system. Hmotnostní zlomek složky i, tj. x mi = m i /m, kde m i. Weight percentage of component i, i.e. wt.% i or only % i = 100.x mi Hmotnostní procenta složky i, tj. hm.% i nebo jen % i = 100.x mi 13

14 Thermodynamic equilibrium Termodynamická rovnováha NMI - Lecture 06 Thermodynamic equilibrium is state of isolated system in which its properties remain unchanged. It can be characterized by minimum of Gibbs free energy. Termodynamická rovnováha je stav izolovaného systému v němž jeho vlastnosti zůstávají nezměněny. Lze jej charakterizovat minimem Gibbsovy energie. The absolute minimum of Gibbs energy corresponds to stable equilibrium, local minimum corresponds to metastable state, all the rest positions correspond to unstable states. Absolutní minimum Gibbsovy energie odpovídá stabilní rovnováze, lokální minimum metastabilnímu stavu, ostatníé pozice odpovídají nestabilním stavům. Activation energy E * 12 is energy necessary for transit from state 1 (stable state) to state 2 (metastable state), activation energy E * 21 is energy necessary for opposite transit. Aktivační energie E * 12 je energie potřebná pro přechod ze stavu 1 (stabilní stav) do stavu 2 (metastabilní stav), aktivační energie E * 21 je energie potřebna pro opačný přechod. 14

15 Description of state of systém Popis stavu systému NMI - Lecture 06 State of system can be expressed using state equation. State equation is relation among state variables. Stav systému může být vyjádřen pomocí stavové rovnice. Stavová rovnice je vztah mezi stavovými proměnnými. General form of state equation is f(x,y,z) = constant, where x,y,z are state functions, e.g. T, P, V, U, H, G, F or S.Two of them are independent variables. Couples T and P or T and V are mostly used because these quantities are accessible to direct measurement. Obecný tvar stavové rovnice je f(x,y,z) = konst., kde x,y,z jsou stavové funkce, např. T, P, V, U, H, G, F nebo S. Dvě z nich jsou nezávisle proměnné. Nejčastěji ase používají dvojice T a P nebo T a V, protože tyto veličiny jsou přístupné přímému měření. The simplest version of state equation is state equation of ideal gas, PV = nrt, where n is number of moles and R is gas constant. Nejjednodušší verze stavové rovnice je stavová riovnice ideálního plynu, PV=nRT, kde n je počet molů a R je univerzální plynová konstanta. 15

16 NMI - Lecture 06 Description of chemical composition of system Popis chemického složení systému The system that contains only one component is named unary, C=1 (C denotes number of components) and concentration of this component is 100% which is not variable but constant. Systém, který obsahuje jen jednu složku se nazývá unární, k=1 (k označuje počet složek) a koncentrace této složky je 100%, což není proměnná, nýbrž konstanta. If C=2, this system is named binary, concentration of first component is independent variable, concentration of second one is the rest to 100%, which is dependent variable. Když k=2, systém se nazývá binární, koncentracce první složky je nezávisle proměnná, koncentrace druhé je závisle proměnná, je to zbytek do 100%. If C=3, this system is named ternary, concentration of first and second components are independent variables, concentration of third one is the rest to 100%, which is dependent variable. Když k=3, systém se nazývá ternární, koncentrace první a druhé složky jsou nezávisle proměnné a koncenrace třetí j ezávisle prtoměnná, zbytek do 100%. It can be said generally that composition of system with C components (multicomponent system) requires C-1 independent variable concentrations. Obecně lze říci, že k popisu složení systému o k složkách je třeba k-1 nezávisle proměnných 16

17 Phase diagrams Fázové diagramy NMI - Lecture 06 These diagrams are variously called: constitutional diagrams, equilibrium diagrams, or phase diagrams. Tyto diagramy se nazývají různě: konstituční diagramy, rovnovážné diagramy nebo fázové diagramy. A phase diagram is a type of graph used to show the equilibrium conditions between the thermodynamically distinct phases or to show what phases are present in the material system at various T, P, and compositions. Fázový diagram je typ diagramu, který zobrazuje rovnováhu mezi různými termodynamickými fázemi neboli ukazuje, jaké fáze jsou v materiálovém systému přítomny při různých teplotách, tlacích a chemickém složení. 17

18 NMI - Lecture 06 Equlibrium diagram of unary systém Rovnovážný diagram jednosložkového systému Only one component exists, e.g. non-allotropic element A, C=1 There are two independent state functions, temperature and pressure, i.e. this diagram is two-dimensional. Existuje pouze jediná složka, např. nealotropní prvek A, k=1. Existují dvě nezavislé stavové proměnné, teplota a tlak, tj. diagram je dvojrozměrný. 18

19 Phase diagram of water Fázový diagram vody NMI - Lecture 06 19

20 NMI - Lecture 06 Equlibrium diagram of unary system - For allotropic substance Rovnovážný diagram jednosložkového systému pro alotropní látku 20

21 NMI - Lecture 06 21

22 Application of Gibbs' phase rule for unary systém Aplikace Gibbsova pravidla fází pro unární systém NMI - Lecture 06 C=1, non-allotropic element A N=2, two independent state variables, temperature and pressure F = C - P + N = 1 - P + 2 = 3 - P If P=1 i.e. point inside of single phase, F = 3 P = 3 1 = 2, both T and P can be changed If P=2 i.e. two phases coexist, point on curve (boiling, solidification or sublimation), F = 3 P = 3 2 = 1, one quantity, T or P owns independent value and second quantity is constant If P=3 i.e. three phases coexist, it corresponds to tripple point, F = 3 P = 3 3 = 0, both T and P are invariable k=1, nealotropní prvek A ; r=2, dvě nezávislé stavové proměnné, teplota a tlak v = k f + r = 1 f + 2 = 3 f Je-li f=1, tj. bod v jednofázové oblasti, v = 3 f = 3-1 = 2, lze zvolit teplotu i tlak uvnitř oblasti Je-li f=2, tj. jsem na některé z křivek (v=1) a mohu volit buď teplotu, čímž je určen tlak nebo tlak, čímž je určena teplota Je-li f=3, v=0 a jsem v trojném bodě 22

23 Application of Gibbs' phase rule for unary systém Aplikace Gibbsova pravidla fází pro unární systém NMI - Lecture 06 C=1, non-allotropic element A; N=1,one independent state variable is temperature and pressure is constant F = C - P + N = 1 - P + 1 = 2 P The whole diagram is reduced to isobaric line p=const.= 1 atm If P=1 i.e. point is left from normal melting point or between normal melting point and normal boiling point, or right from normal boiling point, F = 2 P = 2 1 = 1, only T can be changed If P=2 i.e. two phases coexist, point is either normal melting point or normal boiling point, F = 2 P = 2 2 = 0, invariable state k=1, nealotropní prvek A; r=1, tlak je konstantní a teplota proměnlivá v= k f + r = 1 f + 1 = 2 f Celý diagram je redukován do izobarické čáry p=konst.= 1 atm Je-li f=1, tj. nacházíme se nalevo od normálního bodu tání nebo mezi normálním bodem tání a normálním bodem varu nebo napravo od normálního bodu varu, v = 2 f = 2 1 = 1, můžeme zvolit teplotu. Je-li f=2, tj. koexistují 2 fáze, v = 2 f = 2 2 = 0, jsme buď v normálním bodě tání nebo v normálním bodě varu. 23

24 MATERIAL SCIENCE I Lecture no. 7: Kovové slitiny a binární rovnovážné diagramy Autor přednášky: Ing. Vladimír NOSEK Pracoviště: TUL FS, Katedra materiálu

25 NMI - Lecture 07 Obsah 7. přednášky Kovové slitiny význam, křivky chladnutí Pojem tuhý roztok, jeho základní vlastnosti, druhy tuhých roztoků. Základní druhy binárních rovnovážných diagramů. 2

26 NMI - Lecture 07 Základní pojmy (seznam) Kov, slitina, složka, fáze, mikrostruktura, strukturní složka, roztok, tuhý roztok, intersticiální tuhý roztok, substituční tuhý roztok, intermediární fáze, eutektikum, eutektoid, mísitelnost, rozpustnost, solidus, likvidus, solvus 3

27 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Kov Elektropozitivní prvek, který má obvykle lesklý povrch, je obecně dobrým vodičem tepla a elektřiny a může být taven, tepán na tenký plech nebo tažen na dráty. Typické kovy tvoří s nekovy soli, s kyslíkem zásadité oxidy a navzájem slitiny. Slitina Látka, která má kovové vlastnosti a skládá se z dvou nebo více chemických prvků, z nichž nejméně jeden je kov. 4

28 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Složka (komponenta) Jeden z prvků nebo sloučenin použitý k definování chemického (nebo slitinového) systému. Fáze Fyzikálně a chemicky homogenní část systému. Mikrostruktura Struktura materiálu jak se jeví pod mikroskopem při zvětšeních větších než 25x. Strukturní složka (strukturní součást, mikrostrukturní složka) Fáze nebo kombinace fází, která se vyskytuje v charakteristickém uspořádání v mikrostruktuře slitiny. 5

29 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Roztok Roztok vznikne, když se smísí dva nebo více prvků nebo sloučenin. Tyto látky jsou rovnoměrně rozděleny v roztoku. Látky mohou být pevné, kapalné nebo plynné. Rozpouštědlo Součást kapalného nebo tuhého roztoku, která je přítomna ve větším množství; látka, která rozpouští rozpouštěnou látku. 6

30 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Rozpouštěná látka Látka v kapalném nebo tuhém roztoku, která je přítomna v menším množství; látka která se rozpouští v rozpouštědle. Rozpustnost Rozpustnost látky je množství této látky, které se rozpustí v daném množství rozpouštědla. Závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech rozpouštěné látky a rozpouštědla jakož i na teplotě, tlaku a ph roztoku. Rozsah rozpustnosti látky ve specifickém rozpouštědle je dána koncentraci nasycení, kde přidání další rozpouštěné látky nezvýší koncentraci roztoku a vede k vylučování nadbytečného množství. 7

31 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Tuhý roztok Jednotlivá, pevná(tuhá), homogenní krystalická fáze a obsahující dvě nebo více složek. Atomy těchto složek nejsou chemicky vázány. Intersticiální (mezerový či adiční) tuhý roztok Druh tuhého roztoku, který někdy vzniká v systému s dvěma složkami se značně odlišnými velikostmi atomů. Prvky s malou velikosti atomů jako jsou vodík, uhlík a dusík se často rozpouští v kovech za vzniku tohoto tuhého roztoku. Prostorová mřížka je podobná mřížce čistého kovu a atomy uhlíku, vodíku a dusíku obsazují prostory neboli intertsticie mezi kovovými atomy. Poměr db/da, kde db a da jsou atomové průměry přísadové a základní složky, tzv. Haggův poměr musí být menší než 0,59 aby byl umožněn vznik intersticiálního roztoku. 8

32 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Substituční tuhý roztok Tuhý roztok v němž základní a přísadové atomy jsou umístěny náhodně v atomových polohách krystalové struktury tuhého roztoku. Velikosti základních a přísadových atomů se nesmí lišit o více než 15 % pro vznik substitučního tuhého roztoku a o více než 8 % pro neomezenou místitelnost. Intermediární fáze Ve slitině nebo chemickém systému individuální homogenní fáze jejichž složení nedosahuje k čistým složkám systému. 9

33 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Eutektická reakce Izotermická vratná reakce, při níž se kapalná fáze při ochlazování mění ma dvě nebo více pevných fází; počet vznikajících pevných fází je roven počtu složek v systému. Eutektikum Produkt eutektické reakce. Směs dvou nebo více pevných fází, zejména slitina s nejnižší teplotou tuhnutí. 10

34 NMI - Lecture 07 Definice základních pojmů Solidus Nejvyšší teplota, při níž je kov nebo slitina kompletně tuhá. Ve fázovém diagramu množina bodů reprezentující teploty, při nichž různá složení ukončují tuhnutí při ochlazování nebo se začínají tavit při ohřevu. Likvidus Minimální teplota při níž je systém kompletně v kapalném stavu. Pod likvidem je systém úplně tuhý. Mezi čarami solidu a likvidu koexistují pevná a kapalná fáze. Solvus Množina bodů ohraničující oblast, v níž koexistují různé pevné fáze, tj. vyjadřující omezenou rozpustnost pevném stavu. 11

35 NMI - Lecture 07 Binární rovnovážné diagramy Charakterizují chování dvousložkových systémů. Obsahují tři nezávisle proměnné, tj. teplotu, tlak a obsah jedné složky. To vede k trojrozměrným diagramům. Situaci lze zjednodušit využitím izobarického řezu, který je dvojrozměrný. V izobarických binárních diagramech se vynáší na horizontální souřadnici zleva do prava obsah složky B, zprava doleva obsah složky A a na vertikální souřadnici teplota při konstantním tlaku, rovném normálnímu atmosferickému tlaku. 12

36 NMI - Lecture 07 Binární rovnovážné diagramy 13

37 NMI - Lecture 07 Aplikace of Gibbsova pravidla fází pro izobarický binární Obecný tvar: v = k - f + r diagram k = 2 (složky A a B), r = 1 ( 1 nezávisle proměnná = teplota, p=konst.) Tvar pro izobarický binární diagram v = 2 f + 1 = 3 - f když f = 1, pak v = 2 ( nezávislá teplota i složení) když f = 2, pak v = 1 ( nezávislá teplota nebo složení, tj. c B ) Když f = 3, pak v = 0(invariantní stav, tj.složení i teplota příslušejí eutektickému bodu) 14

38 NMI - Lecture 07 Základní binární izobarické rovnovážné diagramy Složky v kapalném stavu jsou zcela rozpustné (mísitelné) Složky neprodělávají fázové přeměny v pevném stavu Klasifikace podle různé mísitelnosti složek v pevném stavu : diagramy s úplnou rozpustností diagramy s částečnou rozpustností a eutektickou reakcí diagramy s částečnou rozpustností a peritektickou reakcí diagramy s úplnou nerozpustností a eutektickou reakcí 15

39 NMI - Lecture 07 Základní binární izobarické rovnovážné diagramy 16

40 NMI - Lecture 07 Rovnovážný diagram s úplnou rozpustností a křivky chladnutí 17

41 NMI - Lecture 07 Rovnovážný diagram s úplnou rozpustností + odpovídající struktury 18

42 NMI - Lecture 07 Rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a eutektickou reakcí + křivky chladnutí 19

43 NMI - Lecture 07 Rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a eutektickou reakcí + odpovídající struktury 20

44 NMI - Lecture 07 Diagramy s úplnou nerozpustností a eutektickou reakcí + křivky chladnutí 21

45 NMI - Lecture 07 Diagramy s úplnou nerozpustností a eutektickou reakcí + odpovídající struktury + ures 22

46 NMI - Lecture 07 Typy eutektických struktur (a) lamelární, (b) globulární, (c) tyčinkovitá, (d) jehlicovitá 23

47 NMI - Lecture 07 Rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a peritektickou reakcí + odpovídající struktury 24

48 MATERIAL SCIENCE I Lecture No. 08: Binary equilibrium diagrams (cont.), Lever rule, Iron - carbon alloys. Binární rovnovážné diagramy Pákové pravidlo, Slitiny železo - uhlík Autor přednášky: Ing. Vladimír NOSEK Pracoviště: TUL FS, Katedra materiálu

49 NM I - Lecture 08 Binary isobaric equilibrium diagram with limited solubility and eutectic reaction Binární izobarický rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a eutektickou reakcí In this system exist two solid phases, i.e. solid solutions α + β and one liquid phase i.e. liquid solution. We can distinguish three one-phase regions (blue coloured), three two phase regions (red coloured) and one three-phase region in point B, i.e. liquid + α + β. V tomto systému existují dvě tuhé (pevné) fáze, tj. tuhé roztoky α + β a jedna kapalná fáze (tavenina), tj. kapalný roztok. Můžeme rozlišit tři jednofázové oblasti (modře vybarvené), tři dvoufázové oblasti (červeně vybarvené) výskyt tří fází v bodě B, tj. tavenina + α + β. 2

50 Binary isobaric equilibrium diagram with limited solubility and eutectic reaction(cont.) Binární izobarický rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a eutektickou reakci NM I - Lecture 08 Each point in one-phase region has physical significance, it means that at this content of B and temperature exists unique phase with this composition. But the point in the two-phase region determined by its temperature and concentration coordinate corresponds to mixture of two saturated phases with compositions given by concentration of B coordinates of points obtained as intersection of isotherm with boundary lines of two-phase region. Každý bod v jednofázové oblasti má fyzikální význam, tj. že při daném obsahu B a dané teplotě existuje fáze s tímto složením. Ale bod ve dvoufázové oblasti určený jeho teplotní a koncentrační souřadnicí odpovídá směsi dvou nasycených fází se složením daným koncentračními souřadnicemi bodů získaných jako průsečíky izotermy s hraničními čárami dvoufázové oblasti, tj. slitina o složení Y při teplotě T 1 je tvořena směsí fáze α o složení X a taveniny o složení Z. 3

51 Binary isobaric equilibrium diagram with limited solubility and eutectic reaction(cont.) Binární izobarický rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a eutektickou reakcí NM I - Lecture 08 Triangle ADB represents two-phase region where coexist liquid and solid solution α. The line ADF represents saturation of solid solution α and line AB saturation of liquid by component B. Composition of solid solution and of liquid remain unchanged for various alloys compositions at given temperature and single cases differs only in relative amounts of both phases. It can be expressed using level rule. Trojúhelník ADB reprezentuje dvoufázovou oblast, kde koexistuje tavenina a tuhý roztok α. Čára ADF reprezentuje nasycení tuhého roztoku α a čára AB nasycení taveniny složkou B. Složení taveniny a tuhého roztoku zůstává stejné pro různá složení slitiny při dané teplotě a jednotlivé případy se od sebe liší pouze relativním množstvími obou fází. To lze vyjádřit pomocí pákového pravidla. 4

52 Binary isobaric equilibrium diagram with limited solubility and eutectic reaction level rule Binární izobarický rovnovážný diagram s omezenou rozpustností a eutektickou reakcí pákové pravidlo NM I - Lecture 08 Lets have an alloy with composition C Y [wt % of B] at temperature T 1. The formulation of level rule for this case is following m αx /YZ = m LZ /XY = m Y /XZ, where m αx is weight amount of saturated solid solution α with composition C X m LZ is weight amount of saturated liquid with composition C Z m Y is weight amount of alloy with composition C Y YZ, XY and XZ are diferencies of corresponding concentrations (% α X ) /YZ = (% L Z )/XY = (% of alloy Y)/XZ, where (% α X ), (% L Z ) and (% alloy Y) are relative amounts of matters. Mějme slitinu se složením C Y [% B] při teplotě T 1. Formulace pákového pravidla je v tomto případě následovná: m αx /YZ = m LZ /XY = m Y /XZ, kde m αx je hmotnost nasyceného roztoku α se složením C X m LZ je hmotnost nasycené taveniny o složení C Z m Y je hmotnost slitiny o složení C Y YZ, XY a XZ jsou rozdíly odpovídajících koncentrací (% α X ) /YZ = (% L Z )/XY = (% slitiny Y)/XZ, where (% α X ), (% L Z ) a (% slitiny Y) jsou relativní množství látek. 5

53 NM I - Lecture 08 Cooling and heating curves of pure iron Křivky chladnutí a ohřevu čistého železa 6

54 NM I - Lecture 08 Temperature dependence of lattice parameters of pure iron Teplotní závislost mřížkových parametrů čistého železa 7

55 Iron carbon alloys, Phases in iron carbon system Slitiny železo uhlík, fáze v systému železo - uhlík NM I - Lecture 08 There are three types of iron at normal pressure, α-iron with b.c.c. structure, stable upto 911,5 ºC, γ- iron with f.c.c. structure, stable upto 1395 ºC and δ-iron, stable upto 1539 ºC. α-iron is ferromagnetic upto Curie temperature (768 ºC), above it is paramagnetic. Paramagnetic form of α-iron is sometimes named ß-iron. Carbon dissolves in iron forming interstitial solid solutions. Solid solution of carbon in α-iron is named α-ferrite or shortly ferrite max. 0,018 %C at 727 ºC Solid solution of carbon in γ-iron is named austenite max. 2,11 %C at 1147 ºC Solid solution of carbon in δ-iron is named δ-ferrite. max. 0,08 %C at 1494 ºC Diameter ratio of carbon to iron is 0.63 which is somewhat greater than Hagg ratio (condition for creation of interstitial solutions) and for this reason carbon solubility in iron is very low. Za normálního atmosferického tlaku existují tři druhy železa, α-železo se strukturou krychlovou prostorově středěnou (b.c.c.), stabilní do 911,5 ºC, γ-železo se strukturou krychlovou plošně středěnou (f.c.c.), stabilní do 1395 ºC and δ-železo se strukturou krychlovou prostorově středěnou, stabilní do 1539 ºC. α-železo je ferromagnetické do Curieovy teploty (768 ºC), nad ní je paramagnetické. Paramagnetická forma α-železa se někdy označuje jako ß-železo. Uhlík se rozpouští v železe za vzniku intersticiálních tuhých roztoků. Tuhý roztok uhlíku v α-železe se jmenuje α-ferit nebo jen zkráceně ferit max. 0,018 %C při 727 ºC Tuhý roztok uhlíku v γ-železe se jmenuje austenit max. 2,11 %C při 1147 ºC Tuhý roztok uhlíku v δ-železe se jmenuje δ-ferit. max. 0,08 %C při 1494 ºC Poměr průměrů atomu uhlíku ku atomu železa je 0.63, což je poněkud více než Haggův poměr (podmínka pro vznik intersticiálních tuhých roztoků), a proto je rozpustnost uhlíku v železe velmi nízká. 8

56 Iron carbon alloys, Phases in iron carbon systém (cont.) Slitiny železo uhlík, fáze v systému železo - uhlík Maximum carbon solubility in α-iron is % at 727 ºC in γ-iron is 2.11 % at 1147 ºC in δ-iron is 0.08 % at 1494 ºC NM I - Lecture 08 If carbon content in Fe-C alloy exceeds maximum solubility, excessive carbon is present in another solid phase. It can be either pure carbon in the form of graphite or compound Fe 3 C, i.e. iron carbide with metallography name cementite, containing 6,69 %C. Maximální rozpustnost uhlíku v α-železe je % při 727 ºC v γ-železe je 2.11 % při 1147 ºC v δ-železe je 0.08 % při 1494 ºC Jestliže obsah uhlíku v železe převyšuje maximální rozpustnost, nadbytečný uhlík je přítomen ve formě jiné pevné fáze. Může jí být čistý uhlík ve formě grafitu (100 %C) nebo sloučenina Fe 3 C, tj. karbid železa s metalografickým názvem cementit, obsahující 6,69 %C. 9

57 Equlibrium diagrams of iron carbon system Rovnovážné diagramy v systému železo - uhlík NM I - Lecture 08 There are two equilibria in Fe-C system with two different carbon-rich phases, i.e. stable equilibrium with graphite and metastable equilibrium with cementite. The cementite is metastable phase and it can be transformed to stable phase graphite by long-term heating. We can distinguish two iron-carbon equilibrium diagrams after phase containing excessive carbon, namely metastable diagram Fe-C containing Fe 3 C, sometimes named diagram Fe-Fe 3 C and stable diagram Fe-C containing graphite. Existují dvě rovnováhy v systému Fe-C s dvěma odlišnými uhlíkem bohatými fázemi, tj. stabilní rovnováha s grafitem a metastabilní rovnováha s cementitem. Cementit je metastabilní fází a může transformovat na stabilní fázi grafit dlouhodobým ohřevem. Rozlišujeme dva rovnovážné diagramy podle fáze obsahující nadbytečný uhlík, totiž metastabilní diagram Fe-C obsahující Fe 3 C, též někdy zvaný diagram Fe-Fe 3 C a stabilní diagram Fe-C obsahující grafit. 10

58 Metastable or stable behaviour of iron carbon systém Metastabilní nebo stabilní chování systému železo - uhlík NM I - Lecture 08 Metastable or stable behaviour of Fe-C is effected by three factors which act together: 1. carbon content 2. cooling rate 3. content of other elements If carbon content is lower than metastable behaviour If carbon content is greater than the behaviour is various, it depends on the rest factors High cooling rate supports metastable behaviour, low cooling rate acts oppositely Content of carbide-forming elements (Mn, Cr, Mo, V, W, Ti, Nb and Zr) supports metastable behaviour Content of graphite-forming elements (not-forming carbides) (C, Si, Al, Co, Ni) supports stable behaviour Metastabilní nebo stabilní chování systému Fe-C je ovlivňováno třemi faktory současně působícími: 1. obsah uhlíku 2. rychlost ochlazování 3. obsah dalších prvků Je-li obsah uhlíku menší než 2,11% - metastabilní chování Je-li obsah uhlíku větší než 2,11% - různé chování v závislosti na zbývajích faktorech Vysoká rychlost ochlazování podporuje metastabilní chování, nízké rychlosti chování působí opačně. Obsah karbidotvorných prvků (Mn,Cr.Mo,V,W, Ti, Nb a Zr) podporuje metastabilní chování Obsah grafitotvorných prvků (netvořících karbidy) (C, Si, Al, Co, Ni) podporují stabilní chování 11

59 Binary isobaric metastable equilibrium diagram iron carbon (phase diagram) Binární izobarický metastabilní diagram železo uhlík (fázový diagram) NM I - Lecture 08 12

60 Binary isobaric metastable equilibrium diagram iron carbon (structure diagram) Binární izobarický metastabilní diagram železo uhlík (strukturní diagram) NM I - Lecture 08 13

61 Binary isobaric stable equilibrium diagram iron carbon (phase diagram) Binární isobarický rovnovážný diagram železo-uhlík (fázový diagram) NM I - Lecture 08 14

62 Classification of iron carbon alloys Klasifikace slitin železo- uhlík NM I - Lecture 08 Steels alloys of iron, carbon and other elements (e.g. Mn, Si, Cr, Ni and others) with carbon content upto 2,11 % Cast irons and pig irons - alloys of iron, carbon and other elements with carbon content greater than 2,11 % Oceli slitiny železa, uhlíku a dalších prvků (např. Mn, Si, Cr, Ni a další) s obsahem uhlíku do 2,11 % Litiny a surová železa slitiny železa, uhlíku a jiných prvků s obsahem uhlíku větším než 2,11 % 15

63 Effect of other elements Vliv dalších prvků Other elements can be accompanying elements and artificially added elements alloying elements Dalšími prvky mohou být doprovodné prvky a uměle přidané prvky - legující prvky Accompanying elements can be divided to beneficial and harmful ones (impurities) Doprovodné prvky dělíme na prospěšné a škodlivé (nečistoty) Beneficial accompanying elements: Mn, Si, Al, sometimes P, S, Cu. Prospěšné doprovodné prvky:mn, Si, Al, Někdy P, S, Cu. Impurities: P, S, N, O, H Nečistoty: P, S, N, O, H Alloying elements: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Al, Ti, Nb, Co, Cu. Legující prvky: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Al, Ti, Nb, Co, Cu. NM I - Lecture 08 16

64 Harmful accompanying elements - impurities Škodlivé doprovodné prvky - nečistoty NM I - Lecture 08 Phosphorus content in steels usually bellow 0.04%, in cast irons above 0.5% P Sulfur in steels between and 0,07 %S, in cast irons over 0,15 %S, it worsens mechanical properties, improves steel machinability Oxygen in amount above 0,01% increases hardness and brittleness Nitrogen usually between 0,002 and 0,02 % Hydrogen dissolves in steels only in atomic state, it causes hydrogen brittleness Fosfor obsah v ocelích obvykle pod 0,04 %, v litinách nad 0,5 % P Síra v ocelích mezi 0,005 a 0,07% S, v litinách přes 0,15 %S, zhoršuje mechanické vlastnosti, zlepšuje obrobitelnost ocelí Kyslík v množství nad 0,01 % zvyšuje tvrdost a křehkost Dusík obvykle mezi 0,002 a 0,02% Vodík se rozpouští v ocelích pouze v atomárním stavu způsobuje vodíkovou křehkost 17

65 Beneficial accompanying elements Prospěšné doprovodné prvky NM I - Lecture 08 Manganese - decreases A3 and increases A4 temperatures, i.e. it broadens austenite region. It serves as deoxidant, increases both yield strength and strength, improves cold formability of steels and wear resistance. Silicon - decreases A4 and increases A3 temperatures, i.e. it narrows austenite region. It serves as deoxidant, worsens steels formability. It increases heat resistance, improves corrosion resistance in acids at content above 1 % Si. Mangan snižuje teploty A3 a zvyšuje A4, tj. rozšiřuje oblast austenitu. Slouží jako desoxidant, zvyšuje mez kluzu a pevnost, zlepšuje tvařitelnost zastudena ocelí a otěruvzdornost. Křemík zvyšuje teploty A3 a snižuje A4, tj. zužuje oblast austenitu. Slouží jako desoxidant, zhoršuje tvařitelnost ocelí. Zvyšuje žáruvzdornost zlepšuje korozní odolnost v kyselinách při obsahu nad 1% Si. 18

66 Effects of alloying elements Vliv legujících prvků NM I - Lecture 08 - enhancement of mechanical properties Mn, Si, Ni, Mo, V, W, Cr - enhancement of hardenability - most of elements, esspecially Cr, Mn, Mo, V - enhancement of wear resistance W, Cr, V, Mo - improvement of electrical and magnetic properties Si - decreasing of tendency to grain growth at high temperatures Ti, Al - increasing of creep resistance Cr, Mo, V, W - increasing of heat resistance Cr, Si, Al -increasing corrosion resistance Cr, Ni, Mo, Si, Cu - zvýšení mechanických vlastností Mn, Si, Ni, Mo, V, W, Cr - zvýšení kalitelnosti většina prvků, obzvláště Cr, Mn, Mo, V - zlepšení elektrických a magnetických vlastností Si - snížení tendence k růstu zrna při vysokých teplotách Ti, Al - zvýšení žárupevnosti Cr, Mo, V, W - zvýšení žáruvzdornosti Cr, Si, Al - zvýšení korozivzdornosti Cr, Ni, Mo, Si, Cu 19

67 MATERIAL SCIENCE I Lecture No. 09: Equilibrium binary metastable diagram Fe-C Rovnovážný binární metastabilní diagram Fe-C Autor přednášky: Ing. Vladimír NOSEK Pracoviště: TUL FS, Katedra materiálu

68 Types of metastable equilibrium diagrams iron carbon Druhy metastabilního rovnovážného diagramu železo-uhlík NM I - Lecture 09 We can distinguish two types of metastable equilibrium diagram iron carbon a) Phase diagram with phase regions and b) Structure diagram with constituents Rozlišujeme dva druhy metastabilního rovnovážného diagramu železo uhlík a) Fázový diagram s fázovými oblastmi a b) Strukturní diagram - se strukturními složkami 2

69 Binary isobaric metastable equilibrium diagram iron carbon (phase diagram) Binární izobarický rovnovážný diagram železo-uhlík(fázový diagram) NM I - Lecture 09 3

70 Binary isobaric metastable equilibrium diagram iron carbon (structure diagram) Binární izobarický rovnovážný diagram železo-uhlík (strukturní) NM I - Lecture 09 4

71 Phases in equilibrium diagram iron carbon metastable Fáze v rovnovážném diagramu železo-uhlík metastabilním Liquid liquid solution of iron and carbon Tavenina (kapalina) kapalný roztok uhlíku v železe NM I - Lecture 09 Ferrite interstitial solid solution of carbon in α-fe with maximum carbon content 0,018 % at 727 ºC, with crystal structure b.c.c. Ferit intersticiální tuhý roztok uhlíku v α-fe s maximálním obsahem uhlíku 0,018 % při 727 ºC, s krystalovou strukturou krychlovou prostorově středěnou. Austenite interstitial solid solution of carbon in γ-fe with maximum carbon content 2,11 % at 911,5 ºC, with crystal structure f.c.c. Austenit - intersticiální tuhý roztok uhlíku v γ-fe s maximálním obsahem uhlíku 2,11 % při 911,5 ºC, s krystalovou strukturou krychlovou plošně středěnou. δ-ferrite interstitial solid solution of carbon in δ-fe with maximum carbon content 0,08 % at 1494 ºC, with crystal structure b.c.c. δ-ferit intersticiální tuhý roztok uhlíku v δ-fe s maximálním obsahem uhlíku 0,08 % při 1494 ºC, s krystalovou strukturou krychlovou prostorově středěnou. Cementite intermediary phase with composition Fe 3 C, i.e. iron carbide with carbon content 6,67 %, with orthorhombic crystal structure Cementit intermediární fáze se složením Fe 3 C, tj. karbid železa s obsahem uhlíku 6,67 %, s krystalovou strukturou kosočtverečnou 5

72 Constituents in equilibrium diagram iron carbon metastable Strukturní složky v rovnovážném diagramu železo-uhlík metastabilním NM I - Lecture 09 Pearlite eutectoid of metastable system Fe-C, mixture of ferrite and cementite, usually with lamelar structure, sometimes globular Pearlite eutektoid metastabilní soustavy Fe-C, směs feritu a cementitu, obvykle s lamelární strukturou, za určitých okolností se strukturou globulární Ledeburite eutectic of metastable system Fe-C, mixture of austenite and cementite Ledeburit eutektikum metastabilní soustavy Fe-C, směs austenitu a cementitu Transformed ledeburite product of ledeburite transformation consisting from eutectic cementite and product of austenite decomposition, i.e. secondary cementite and pearlite Transformovaný ledeburit produkt of ledeburitické (eutektické) transformace složený z eutektického cementitu a produktů rozpadu austenitu, tj. sekundárního cementitu a perlitu Primary cementite cementite created from liquid below line CD Primární cementit cementit vzniklý z taveniny pod čarou CD Eutectic or ledeburite cementite cementit created as a part of eutectic (ledeburite) Eutektický neboli ledeburitický cementit cementit vzniklý jako část eutektika (ledeburitu) Secondary cementite cementite created from austenite below line ES along austenite grain boundaries Sekundární cementit cementit vzniklý z austenitu pod čarou ES podél hranic zrn austenitu Eutectoid or pearlitic cementite cementite created as a part ot eutectoid Eutektoidní neboli perlitický cementit cementit vzniklý jako část eutektoidu (perlitu) Tertiary cementite cementite created from ferrite below line PQ along ferrite grain boundarie Terciární cementit cementit vzniklý z feritu pod čarou PQ podél hranic zrn feritu 6

73 Points in equilibrium diagram iron carbon metastable Body v rovnovážném diagramu železo-uhlík metastabilním NM I - Lecture 09 A melting point of pure iron, 1539 ºC, 0 wt.% C A bod tání čistého železa, 1539 ºC, 0 % C B right marginal point of peritectic line, ºC, 0.53 wt.% C B pravý krajní bod peritektikály, 1494 ºC, 0.53 % C C eutectic point, 1147 ºC, 4.3 wt.% C C eutektický bod, 1147 ºC, 4.3 % C D melting point of pure cementite, 1500 ºC, 6.69 wt.% C D bod tání čistého cementitu, 1500 ºC, 6.69 % C E maximum solubility of carbon in Fe-γ, left marginal point of eutectic line, 1147 ºC, 2.11 wt.% C E maximální rozpustnost uhlíku v Fe-γ, levý krajní bod eutektiály, 1147 ºC, 2.11 % C F right marginal point of eutectic line, 1147 ºC, 6.69 wt.% C F pravý krajní bod eutektikály, 1147 ºC, 6.69 % C G point of phase transformation between Fe-α and Fe-γ, ºC, 0 wt.% C G bod fázové přeměny mezi Fe-α a Fe-γ, ºC, 0 % C H maximum solubility of carbon in Fe-δ, left marginal point of peritectic line, 1494 ºC, 0.08 wt.% C H maximální rozpustnost uhlíku v Fe-δ, levý krajní bod peritektikály, 1494 ºC, 0.08 % C 7

74 Points in equilibrium diagram iron carbon metastable (cont.) Body v rovnovážném diagramu železo-uhlík metastabilním (pokrač.) NM I - Lecture 09 J peritectic point, 1494 ºC, 0.16 wt.% C J peritektický bod, 1494 ºC, 0.16 K left marginal point of eutectoid line, 727 ºC, 6.69 wt.% C K levý krajní bod eutektoidály, 727 ºC, 6.69 % C M, O points of line of Curie temperature A2=768 ºC, transformation between ferromagnetic and paramagnetic form of Fe-α, sometimes marked like Fe-α < - > Fe-β transformation M,O body čáry Curieovy teploty A2=768 ºC, přeměny mezi feromagnetickou a paramagnetickou formou Fe-α, někdy označovanou jako Fe-α < - > Fe-β přeměnou N point of phase transformation between Fe-γ and Fe-δ, 1395 ºC, 0 wt.% C N bod fázové přeměny mezi Fe-γ a Fe-δ, 1395 ºC, 0 % C P maximum solubility of carbon in Fe-α, right marginal point of eutectoid line, 727 ºC, wt.% C P maximální rozpustnost uhlíku v Fe-α, pravý krajní bod eutektoidály, 727 ºC, % C Q solubility of carbon in Fe-α at room temperature, very low but not zero value Q rozpustnost uhlíku v Fe-α při pokojové teplotě, velmi nízká nicméně nenulová hodnota S eutectoid point, 727 ºC, 0.77 wt.% C S eutektoidní bod, 727 ºC, 0.77 % C 8

75 Lines in equilibrium diagram iron carbon metastable Čáry v rovnovážném diagramu železo-uhlík metastabilním NM I - Lecture 09 ABCD line of liquidus, i.e. line of solidification begining, below this line a mixture of liquid and solid phase occurs, above this line exists only liquid ABCD čára likvidu, tj. čára počátku tuhnutí, pod touto čarou existuje směs taveniny a pevné fáze, nad ní pouze tavenina AB begining of δ-ferrite creation from liquid AB počátek tvorby δ-feritu z taveniny AH end of δ-ferrite creation from liquid AH konec tvorby δ-feritu z taveniny AHJECFD line of solidus, i.e. line of solidification ending, below this line exists only solid state AHJECFD čára solidu, tj. čára konce tuhnutí, pod touto čarou existuje pouze pevný stav BC begining of austenite creation from liquid (primary austenite) BC začátek tvorby austenitu z taveniny (primární austenit) CD begining of primary cementite creation from liquid CD začátek tvorby primárního cementitu z taveniny DFKL intermediary phase Fe 3 C, named cementite, with carbon content 6.69 wt.% DFKL intermediární fáze Fe 3 C, zvaná cementit, s obsahem uhlíku 6.69 % ECF eutectic line, at this line eutectic reaction occurs, i.e. eutectic liquid is changed to eutectic named ledeburite, a mixture of austenite and cementite at 1147 ºC ECF eutektikála, při níž probíhá eutektická reakce, tj. Tavenina se mění na eutektikum tvané ledeburit tvořený směsí austenitu a cementitu při 1147 ºC GS begining of ferrite creation from austenite (also named A 3 ) GS začátek tvorby feritu z austenitu (též zvána A 3 ) GP end of ferrite creation from austenite GP konec tvorby feritu z austenitu 9

76 Lines in equilibrium diagram iron carbon metastable (cont.) Čáry v rovnovážném diagramu železo-uhlík metastabilním (pokrač.) NM I - Lecture 09 HJB peritectic line, at this line peritectic reaction occurs, i.e. δ-ferrite with liquid reacts forming austenite at 1495 ºC HJB peritektikála, na ní probíhá peritektická reakce, tj. δ-ferrite reaguje s taveninou za vzniku austenitu při 1495 ºC HN begining of austenite creation from δ-ferrite HN začátek tvorby austenitu z δ-feritu JE end of primary austenite creation from liquid JE konec tvorby primárního austenitu z taveniny JN end of austenite creation from δ-ferrite (also named A 4 ) JN konec tvorby austenitu z δ-feritu (též A 4 ) MO Curie temperature, 768 ºC (also named A 2 ) MO Curieova teplota, 768 ºC (též A 2 ) PSK eutectoid line, at which eutectoid reaction occurs, i.e. austenite with eutectoid carbon content (0.77 wt. % C) is changed to mixture of ferrite and cementite (also named A 1 =727 ºC) PSK eutetoidála, při níž probíhá eutektoidní reakce, tj. austenit s eutektoidním obsahem uhlíku (0.77 %C) se mění na směs eutektoidního feritu a eutektoidního cementitu zvanou perlit (též A 1 =727 ºC) PQ begining of tertiary cementite creation from ferrite PQ začátek tvorby terciárního cementitu z feritu SE begining of secondary cementite creation from austenite (also named A cm ) SE začátek tvorby sekundárního cementitu z austenitu (též A cm ) 10

77 Regions in equilibrium diagram iron carbon metastable Oblasti v rovnovážném diagramu železo uhlík metastabilním NM I - Lecture 09 We can distinguish three types of regions: One phase regions (marked by green colour) Two phase regions (marked by yellow colour) Three phase regions (points marked by red circles) Rozlišujeme tři druhy oblastí: Jednofázové oblasti (zeleně vybarvené) Dvoufázové oblasti (žlutě vybarvené) Třífázové oblasti (body označené červenými kroužky) 11

78 One phase regions (marked by green colour) Jednofázové oblasti (vyznačené zeleně) NM I - Lecture 09 There are five phases in this system: Above line ABCD liquid = liquid solution of carbon in iron AHN δ-ferrite = solid solution of carbon in δ-iron GSEJN austenite = solid solution of carbon in γ-iron GPQ ferrite = solid solution of carbon in α-iron DFKL fat vertical line, cementite = Fe 3 C, intermediary phase with constant composition, 6.69 wt.% C V tomto systému existuje pět fází: Nad čarou ABCD tavenina = kapalný roztok uhlíku v železe AHN δ-ferit = tuhý roztok uhlíku v δ-železe GSEJN austenit = tuhý roztok uhlíku v γ-železe GPQ ferit = tuhý roztok uhlíku v α-železe DFKL tučná svislá čára, cementite = Fe 3 C, intermediární fáze s konstantním složením 6.69 % C 12

79 Two phase regions (marked by yellow colour) Dvoufázové oblasti (žlutě označené) NM I - Lecture 09 AHJB δ-ferrite + liquid HNJ austenite + δ-ferrite JECB liquid + austenite CFD liquid + cementite GPS ferrite + austenite SKFCE austenite + cementite PQLKS ferrite + cementite 13

80 Three phase regions (points marked by red circles) Třífázové oblasti (body s červenými kroužky) NM I - Lecture 09 Point J peritectic point (14945 ºC, 0.16 wt.% C), peritectic reaction occurs δ-ferrite H + liquid B austenite J Point C eutectic point (1147 ºC, 4.3 wt.% C), eutectic reaction occurs (liquid with eutectic composition is giving mixture of austenite and cementite, i.e. eutectic named ledeburite) liquid C austenite E + cementite F Point S eutectoid point (727 ºC, 0.77 wt.% C), eutectoid reaction occurs (austenite with eutectoid composition is giving mixture of ferrite and cementite, i.e. eutectoid named pearlite) austenite S ferrite P + cementite K Bod J peritektický bod (1494 ºC, 0.16 % C), probíhá peritektická reakce δ-ferit H + tavenina B austenit J Bod C eutektický bod (1147 ºC, 4.3 % C), probíhá eutektická reakce (tavenina s eutektickým složením dává směs austenitu a cementitu, tj. eutektikum zvané ledeburit ) tavenina C austenit E + cementit F Bod S eutektoidní bod (727 ºC, 0.77 % C), probíhá eutektoidní reakce (austenit s eutektoidním složením dává směs feritu a cementitu, tj. eutektoid zvaný perlit) austenit S ferit P + cementit K 14

81 Cooling curves Křivky chladnutí NM I - Lecture 09 Curve 1 hypoeutectoid composition, left from peritectic point Křivka 1 podeutektoidní složení, nalevo od peritektického bodu Curve 2 hypoeutectoid composition, right from peritectic point Křivka 2 podeutektoidní složení, napravo od peritektického bodu Curve 3 hypereutectoid composition Křivka 3 nadeutektoidní složení Used symbols (Použité symboly): L=liquid (tavenina), δf= δ-ferrite (δ-ferit), A=austenite (austenit), F=ferrite (ferit), C=cementite (cementit) 15

82 Cooling curves Křivky chladnutí NM I - Lecture 09 Curve 1 hypoeutectic composition Křivka 1 podeutektické složení Curve 2 eutectic composition Křivka 2 eutektické složení Curve 3 hypereutectic composition Křivka 3 nadeutektické složení Used symbols (Použité symboly): L=liquid(tavenina), A=austenite(austenit), F=ferrite(ferit), C=cementite(cementit) 16

83 Decomposition schemas and level rule application for calculation of relative amounts of constituents NM I - Lecture 09 Rozpadová schémata a aplikace pákového pravidla pro výpočet relativních množství strukturních složek 100% L x => 100% A X %F P /XS = %A S /PX = %A x /PS %F P /( )= %A S /( ) = 100/( ) %F P /KS = %C K /PS = %P/PK %F P /( ) = %C K /( ) = %P/( ) %F Q /PL = %C L /PQ = %F P /QL %F Q /( ) = %C L /( ) = %F P /(6.69-0) 17

84 Decomposition schemas and level rule application for calculation of relative amounts of constituents NM I - Lecture 09 Rozpadová schémata a aplikace pákového pravidla pro výpočet relativních množství strukturních složek 100% L s => 100% A s => 100% P %F P /SK = %C K /PS = %P/PK %F P /( ) = %C K /( ) = %P/( ) %F Q /PL = %C L /QP = %F P /QL %F Q /( ) = %C L /( ) = %F P /(6.69-0) 18

85 Decomposition schemas and level rule application for calculation of relative amounts of constituents NM I - Lecture 09 Rozpadová schémata a aplikace pákového pravidla pro výpočet relativních množství strukturních složek 100% L X => 100% A X %A S /XK = %C II /SX = %A X /SK %A S /( ) = %C II /( ) = %A X /( ) %F P /SK = %C K /PS = %P/PK %F P /( ) = %C K / ) = %P X /( ) %F Q /PL = %C L /QP = %F P /QL %F Q /( ) = %C L /( ) = %F P /(

86 Decomposition schemas and level rule application for calculation of relative amounts of constituents NM I - Lecture 09 Rozpadová schémata a aplikace pákového pravidla pro výpočet relativních množství strukturních složek 100% L x %A E /XC = %L C /EX = %L X /EC %L C = %Led %A E /CF = %C F /EC = %Led/EF %A S /EK = %C II /SE = %A E /SK %FP/SK = %C K /PS = %P/PK %F Q /PK = %C III /QP = %F P /QL 20

87 Decomposition schemas and level rule application for calculation of relative amounts of constituents NM I - Lecture 09 Rozpadová schémata a aplikace pákového pravidla pro výpočet relativních množství strukturních složek 100% L C %L C = %Led %A E /CF = %C F /EC = %Led/EF %A S /EK = %C II /SE = %A E /SK %FP/SK = %C K /PS = %P/PK %F Q /PK = %C III /QP = %F P /QL 21

88 Decomposition schemas and level rule application for calculation of relative amounts of constituents NM I - Lecture 09 Rozpadová schémata a aplikace pákového pravidla pro výpočet relativních množství strukturních složek 100% L x %L C /XK = %C I /CX = %L X /CK %L C = %Led %A E /CF = %C F /EC = %Led/EF %A S /EK = %C II /SE = %A E /SK %FP/SK = %C K /PS = %P/PK %F Q /PK = %C III /QP = %F P /QL 22

89 MATERIAL SCIENCE I Lecture No. 10: Equilibrium binary stable diagram Fe-C Rovnovážný binární stabilní diagram Fe-C Autor přednášky: Ing. Vladimír NOSEK Pracoviště: TUL FS, Katedra materiálu

90 Types of stable equilibrium diagrams iron carbon NM I - Lecture 10 Druhy stabilního rovnovážného diagramu železo-uhlík We can distinguish two types of stable equilibrium diagrams iron carbon Rozlišujeme dva druhy stabilního diagramu železo-uhlík a) Phase diagram with phase regions and b) Structure diagram with constituents a) Fázový diagram s fázovými oblastmi a b) Strukturní diagram se strukturními složkami 2

91 Binary isobaric stable equilibrium diagram iron carbon (phase diagram) NM I - Lecture 10 Binární isobarický rovnovážný diagram železo uhlík (fázový diagram) 3

92 Binary isobaric stable equilibrium diagram iron carbon (structure diagram) Binární izobarický stabilní diagram železo uhlík (strukturní) NM I - Lecture 10 4