Wykres równowagi układu żelazo

Wykres równowagi układu żelazo-węgiel, to wykres , który odzwierciedla równowagę fazową w stopach żelaza z węglem. Jest przedstawiany w dwóch wersjach : jako stabilny żelazo-grafit i metastabilny żelazo-cementyt Fe3 C. Pierwszy jest stosowany do opisu żeliw /surówek/ szarych, a drugi do stali i surówek białych. Wykres metastabilny rysowany jest linią ciągłą, a stabilny linią przerywaną. Każdy punkt na wykresie jest krytyczny i oznacza się przyjętymi zgodnie z normą dużymi literami. Opisane są one w przedstawionej tabeli.

2. Fazy, składniki strukturalne występujące w układzie żelazo-cementyt.
Oprócz żelaza Fe i cementytu Fe3C występuje roztwór ciekły L, roztwór stały węgla w żelazie α, zwany ferrytem α ,roztwór stały węgla w żelazie γ, zwany austenitem i roztwór stały węgla w żelazie δ , zwany ferrytem δ. Oprócz tego występują też składniki strukturalne składające się z dwóch faz : ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu z cementytem , ledeburyt przemieniony-mieszanina perlitu z cementytem i perlit- mieszanina eutektoidalna ferrytu α z cementytem.

Układ żelazo-cementyt został opracowany do zawartości 6,67 % C , co odpowiada procentowej zawartości węgla w cementycie Fe3C.
Rozpatrując wykres widać ,że powyżej linii likwidusu-ABCD znajduje się jedynie faza ciekła( L) , będąca roztworem ciekłym węgla w żelazie. Między liniami likwidusu ABCD i solidusu AHJECF współistnieją dwie fazy, których jedna to faza ciekła , a druga faza stała, przy czym w polu ograniczonym liniami ABHA fazą stałą są kryształy roztworu stałego węgla w żelazie α ( δ ) , w polnu ograniczonym liniami JBCE-kryształy roztworu stałego węgla w żelazie γ i w polu ograniczonym liniami CDFC-kryształy pierwszorzędowego cementytu.
Poniżej linii solidus AHJECF stopy występują tylko w stanie stałym.
W polu ograniczonym liniami AHN istnieja kryształy roztworu stałego węgla żelazie α ( δ ).-ferryt wysokotemperaturowy . Punkt H-maksymalna rozpuszczalnośc węgla w żelazie α.
Pole HJN jest mieszaniną kryształów roztworu stałego węgla w żelazie α ( δ)-punkt H i kryształów węgla żelazie γ ( punkt J).
W obszarze GSEJNG wystepuje austenit –roztwór stały , międzywęzłowy atomów węgla w żelazie γ ( do 2,11 % C).Ma największa gęstość spośród wszystkich faz układu. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temp. 727oC.Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik jasny z charakterystycznymi , prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.


W obszarze QPG istnieje ferryt- roztwór stały międzywęzłowy atomów węgla w żelazie α o bardzo małej zawartości węgla ( ok. 0,02% ), dlatego jego własności mało różnią się od własności żelaza. Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik (barwa zbliżona do szarej).Istnieje do temp. 912oC-punkt G
Punkt P –zawartość 0,0218%C-maksymalna rozpuszczalność atomów węgla w żelazie α w temp. 727oC.
Punkt Q-zawartość 0,008%C-maksymalna rozpuszczalnośc atomów węgla w żelazie α w temp. pokojowej-0oC.

Pole ograniczone liniami ECFKS pod względem fazowym jest mieszaniną dwu faz stałych : austenitu( roztwór węgla w żelazie γ ) i cementytu.
Pod względem strukturalnym należy podzielić je na trzy części. Obszar ograniczony liniąES do zaw. 2,11%C zawiera głównie austenit oraz wydzielony z niego cementyt zwany drugorzędowym.
Pole między E i C o zaw. Od 2,11 %C do 4,30 %C w temp. powyżej 7270C do 1148oC to mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu zwana ledeburytem Jest składnikiem surówek ( żeliw) białych podeutektycznych,eutektycznych, nadeutektycznych. Cechuje go znaczna twardość i kruchość. Występuje w niektórych narzędziowych stalach stopowych.. Poniżej temp. eutektoidalnej 727˚C występuje jako ledeburyt przmieniony na skutek przemiany austenitu w perlit.
W układzie żelazo-cementyt rozróżniamy:
- ledeburyt przemieniony-składa się z ferrytu i cementytu . Występuje w zakresie temp. od 0 oC do 727OC w obszarze QPSK.
-ledeburyt nieprzemieniony –skłda się z cementytu i austenitu . Występuje w obszarze SEFKS w zakresie temp. od 727o C do 1148oC .


W obszarze od punktu C -4,30%C do 6,67%C w tem. pomiędzy 727 oC a 1148 OC istnieje pierwszorzędowy cementyt i ledeburyt(składa się z austenitu z cementytem drugorzędowym i cementytu pierwszorzędowego).
Cementyt-struktura złożona żelaza z węglem o zaw. 6,67%C. Cementyt zwany jest też węglikiem żelaza o strukturze rombowej.Jego gęstośc jest mniejsza od żelaza . Jest bardzo twardy i zarazem kruchy.W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych ( perlit, ledeburyt ) lub w postaci oddzielnych wydzieleń( pierwotny, wtórny, trzeciorzędowy).
Cementyt pierwszorzędowy-wydzielony z fazy ciekłej podczas krzepniecia surówek lub żeliw, czy też jako składnik eutektyki ledeburytowej. Występuje poniżej linii CD.
Cementyt drugorzędowy -wydzielony z austenitu podczas obniżania temp. od 1148 do 727oC lub jako składnik perlitu.Występuje poniżej linii ES.
Cementyt trzeciorzędowy –wydzielony z roztworu stałego węgla w żelazie α podczas obniżania temp. od 727oC do temp. otoczenia .Występuje poniżej QP do perlitu.

Pole poniżej linii QPSK pod względem fazowym jest mieszaniną dwu faz stałych: jedna to roztwór stały węgla w żelazie α (ferryt), druga cementyt.
Pod względem strukturalnym należy podzielić je na pięć części.
Poniżej temp. eutektoidalnej ,727˚C dla stopów o zawartości od 0,02 do 2,11%C istnieją tylko mieszaniny. Mieszanina eutektoidalna powstała w tem. 727˚C na skutek rozpadu austenitu ,nazywa się perlitem.
Perlit jest eutektoidem złożonym z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1 . Dyspersja perlitu tzn. odległość między płytkami jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temp. Wytrzymałość i twardość perlitu rosną w miarę rozdrabniania struktury , własności plastyczne maleją . Pod mikroskopem , przy małych powiększeniach przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów.Przy dużych powiększeniach widoczna jest wyrażnie jego budowa płytkowa.

Poniżej linii QP ( zaw. 0,0218%C) znajduje sią ferryt i cementyt trzeciorzędowy.
Pole w zakresie 0,02 do 2,11%C istnieje ferryt z cementytem trzeciorzędowym i cementyt drugorzędowy.
Obszar o zawartości od 2,11 do 4,30%C zawiera perlit z cementytem drugorzędowym i ledebutyt przemieniony .Powyżej zawartości 4,30 do 6,67%C istnieje cementyt pierwszorzędowy i ledeburyt przemieniony.


Przemiany występujące w układzie żelazo-cemetyt.

Zaczynając od wysokich temperatur, pierwszą jest przemiana perytektyczna.Występuje na linii HJB i przebiega ona zgodnie ze wzorem:
L0,53+Fδ 0,09 1495 A0,17

Co oznacza, że przy chłodzeniu ferryt δ o składzie punktu H reaguje z roztworem ciekłym L
o składzie punktu B, dając w wyniku austenit o składzie punktu J. Przemiana ta zachodzi w warunkach równowagi tylko w stopach o zawartości węgla w zakresie między punktami H (0,09%) i B (0,53%) w temperaturze 1495˚C.
Następna przemiana eutektyczna,-linia ECF, zachodzi przy temperaturze 1148˚C w stopach zawartych między punktami E (2,11%C) i F (6,67%C). Polega ona na tym, że przy chłodzeniu roztwór ciekły o składzie C (4,3%) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektyczną złożoną z austenitu o składzie punktu E i cementytu, zwaną ledeburytem. Możemy zapisać to za pomocą wzoru;
L4,3 1148 A2,11+Fe3C6,67

Rozróżniamy przemiany eutektyczne:
Podeutektyczna- na linii EC .Zachodzi wg. wzoru:

A 2,11 + L 4,3 1148 A2,11 + L 4,3

P0,77 Fe3C6,67

F 0,22 Fe3C6,67
Eutektyczna-punkt C. Zachodzi wg wzoru:

L4,3 1148 L4,3 + Fe3C6,67 .


Nadeutektyczna-linia CF. Zachodzi wg wzoru:


L4,3 + Fe3C6,67 1148 L4,3 + Fe3C6,67

P0,77 Fe3C6,67


Trzecią z kolei jest przemiana eutektoidalna-występuje na linii PSK w temp.727 oC. Opisujemy ją wzorem:
L0,77 727 F0,022 + Fe3C6,67

Perlit

Oznacza to,że przy chłodzeniu austenit o składzie punktu S( 0,77 ) ulega rozkładowi na mieszaninę eutektoidalną ferrytu α o składzie punktu P ( 0,0218 ) i cementytu zwaną perlitem.
Także austenit w ledeburycie przemienia się w perlit i powstaje ledeburyt przemieniony.

3. Krzywa chłodzenia dla stopu o zawartości 0,5%C.

Stop ten jest stałą podeutektoidalną .Po osiągnięciu linii AB wydzielają się z cieczy L kryształy ferrytu δ ,których ilość wzrasta aż do osiągnięcia temperatury przemiany perytektycznej 1495˚C.Po osiągnięciu tej temperatury następuje reakcja L + δ — γ. Ponieważ w stopie tym jest nadmiar cieczy, wiec po zakończeniu przemiany perytektycznej stop będzie się składał z L + γ . Podczas chłodzenia ilośc kryształów γ będzie wzrastać do 100% ,aż do linii JE. Poniżej JE występuje wyłącznie austenit.Austenit jest trwały do linii GS ,na której zaczynają wydzielać się kryształy ferrytu α , jednocześnie w miarę chłodzenia skład austenitu zmienia się w kierunku punktu S. W temp. tego punktu (eutektoidalnej-727˚C )oznaczanej symbolem A1 następuje przemiana austenitu w perlit. Poniżej temp. A1 z przesyconego węglem ferrytu wydziela się cementyt trzeciorzędowy , tak więc struktura tego stopu po ochłodzeniu do temp.pokojowej będzie się składać z ferrytu , perlitu i cementytu trzeciorzędowego

Zastosowanie reguły faz Gibbsa dla analizy krzywej chłodzenia.
Reguła faz Gibbsa wyraża zależność między liczbą stopni swobody , liczbą składników i liczbą faz.
∆F = k – f + 1
gdzie: ∆F- liczba stopni swobody
k- liczba składników
f- liczba faz



Dla punktu 1 zapiszemy : ∆F1 = 2-1+1 = 2

Występują : 2 składniki : węgiel i żelazo
1 faza – roztwór stały węgla w żelazie γ
W punkcie 1 istnieje 2 stopnie swobody ,tzn. aby zachować równowagę układu można zmienić dwa parametry : temperaturę lub zawartość procentową fazy , bez zmiany ilości faz w obszarze.

Dla punktu 2 ∆F2 = 3- 2 + 1 = 2

Występują : 2 fazy : -roztwór stały węgla w żelazie α ( ferryt)
- cementyt
3składniki:- ferryt
- cementyt trzeciorzędowy
- perlit
W punkie 2 istnieje dwa stopnie swobody , tzn,że można zmienić 2 parametry , aby nie zakłócić równowagi, temperaturę lub zawartośc fazy.

4. Reguła dźwigni
Skład fazowy stopu w określonym obszarze i temperaturze obliczamy za
pomocą reguły dźwigni ( reguły odcinków).
Skład fazowy dla stopu 0,5%C w temp. 1510˚C w obszarze ABH.

Pkt.7 – 100% ferrytu δ ( roztwór węgla w żelazie α ) m Fδ= 100%

Pkt. 9 – 100% fazy ciekłej L m L = 100%

Stosunek masy ferrytu δ do masy fazy ciekłej L przedstawiamy:
mFδ 8- 9
mL 7- 8

Skład fazowy stopu 0,5%C w temp. 800˚C w obszarze GSP

Pkt.4 – 100% ferrytu α mFα 100%

Pkt 6 – 100% austenitu mA 100%

Stosunek masy ferrytu α do masy austenitu przedstawiamy
mFα 5 – 6
mA 4 – 5

5. Reguła Kurnakowa
Zgodnie z regułą Kurnakowa w mieszaninach (perlit, austenit) zmiana własności fizycznych i chemicznych następuje prostoliniowo,a kiedy istnieje ograniczona rozpuszczalnośc to zmiana krzywoliniowa .