Układ żelazo-węgiel

Układ żelazo-węgiel – wykres równowagi fazowej od podstaw

Jak prawidłowo interpretować układ żelazo-węgiel

Na układy nie ma rady – z takim stwierdzeniem spotkał się zapewne każdy z nas. Nie będziemy jednak zagłębiać się w tematykę, której ono dotyczy. Zamiast tego zaś skupimy się na innym układzie, który w mniejszym lub większym stopniu dotyczy każdego z nas. Mimo, że sporo osób właściwie nie zdaje sobie sprawy z jego istnienia.

Wykres równowagi fazowej układu żelazo-węgiel, bo o nim mowa jest jednym z podstawowych elementów, który wprowadza nas w świat materiałoznawstwa. W tym artykule nauczymy się go nie tyle rysować co prawidłowo interpretować. Nie sztuką jest bowiem nauczyć się czegoś na pamięć, jeśli nie będziemy w stanie tego w przyszłości wykorzystać. Aby lepiej przyswoić materiał zaczniemy od podstaw, czyli od charakterystyki samego żelaza oraz jego odmian alotropowych. Przyjrzymy się również krok po kroku dwóm układom: stabilnemu i metastabilnemu. Sprawdzimy także co oznacza każdy punkt i o czym nam mówią poszczególne linie układu. Miłej lektury!

W skrócie

Czytając ten artykuł dowiesz się:

  • Jakie są odmiany alotropowe żelaza oraz czy każda z nich zależy wyłącznie od temperatury.
  • Co jest niezbędne, aby powstała stal.
  • Czym różni się układ żelazo-grafit od układu żelazo-cementyt.
  • Jakie są składniki strukturalne występujące w stali oraz żeliwie.
  • Jakie przemiany zachodzą w układzie żelazo-cementyt.

Żelazo – ogólna charakterystyka

Zanim omówimy układ żelazo-węgiel przyglądnijmy się jeszcze pewnym podstawom takim jak budowa atomu. Składa się on z jądra atomowego oraz krążących wokół niego elektronów, czyli cząstek naładowanych ujemnie. To jednak nie wszystko, bowiem samo jądro składa się z protonów, czyli cząstek o ładunku dodatnim oraz cząstek, które nie posiadają ładunku zwanych neutronami.

Kolejnym ważnym pojęciem jest liczba atomowa Z, która definiuje liczbę protonów znajdujących się w jądrze danego atomu. Określa ona również miejsce danego pierwiastka w układzie okresowym. Ponieważ atom jest elektrycznie obojętny liczba protonów równa jest liczbie elektronów.

Żelazo jest metalem o liczbie atomowej 26, czyli posiada 26 protonów i analogiczną ilość elektronów. W przyrodzie występuje w postaci związków między innymi tlenków tworząc:
– magnetyt – Fe3O4
– hematyt – Fe2O3
– limonit – 2Fe2O3 • nH2O

Żelazo analogicznie jak inne metale cechuje się dobrą plastycznością dzięki czemu może być kute lub przykładowo walcowane, ale i słabą wytrzymałością dlatego w praktyce wykorzystywane jest jako stop z innymi pierwiastkami. Temperatura topnienia żelaza wynosi 1538°C. Posiada ono również różne odmiany alotropowe, które zależą od temperatury a w jednym przypadku także od ciśnienia.



Kolejne artykuły w każdy poniedziałek!
Polub moją stronę na Facebooku i dowiedz się o nich jako pierwszy!


Odmiany alotropowe żelaza

Rozróżnia się cztery różne odmiany alotropowe żelaza. Trzy z nich są stabilne w ciśnieniu atmosferycznym, zaś jedna odmiana występuje wyłącznie jako forma wysokociśnieniowa. Przyjrzymy się zatem szczegółowo każdej z nich i sprawdźmy czym się różnią.

Żelazo α

Występuje poniżej temperatury 912°C. Przy czym w temperaturze niższej od 770°C żelazo alfa jest ferromagnetyczne, zaś powyżej niej jest paramagnetyczne. Żelazo alfa krystalizuje w sieci przestrzennie centrowanej układu regularnego – A2. Jak wygląda ta sieć możecie zobaczyć na poniższej grafice. W niektórych opracowaniach możemy się spotkać z nazwą: żelazo niskotemperaturowe α.

Żelazo γ

W temperaturze począwszy od 912°C zachodzi przemiana alotropowa żelaza alfa w żelazo gamma, co wiąże się z przebudową sieci krystalicznej na typ A1 – ściennie centrowany układu regularnego. Żelazo gamma jest stabilne do temperatury 1394°C.

Żelazo δ lub α(δ)

Występuje od 1394°C do temperatury topnienia żelaza wynoszącej 1538°C. Sień krystaliczna jest analogiczna jak w żelazie alfa dlatego często spotkamy się z podziałem na:
– żelazo niskotemperaturowe α – odpowiadające żelazu alfa
– żelazo wysokotemperaturowe α(δ) – będące żelazem delta

Jedyna różnica w przypadku krystalografii dotyczy parametru sieci a, który rośnie wraz z temperaturą. Dla żelaza alfa wynosi on 0,286 nm w temperaturze pokojowej, zaś dla żelaza delta 0,293 nm w 1394°C.

Żelazo ε

Nazywane również żelazem wysokociśnieniowym. Przykładowo dla temperatury otoczenia przemiana żelaza alfa w żelazo epsilon występuje powyżej ciśnienia wynoszącego około 130 kbar. Przemiana ta wiąże się między innymi z przebudową sieci krystalicznej na układ heksagonalny.

Układ żelazo-węgiel - Odmiany alotropowe żelaza

Jak z rudy żelaza powstaje stal?

Proces produkcji stali jest kilkuetapowy i rozpoczyna się od wysokotemperaturowego (600-1000°C) odgazowania węgla kamiennego w wyniku czego powstaje koks. Jest on jednym z elementów niezbędnych podczas wytapiania surówki. Pozostałymi są między innymi wapień i ruda żelaza. Wapień pełni rolę topnika. Ma on na celu obniżenie temperatury topnienia żelaza. Przy okazji wiąże również uwalniane z rudy żelaza zanieczyszczenia. Proces ten odbywa się w temperaturze około 1600°C, czyli powyżej temperatury topnienia żelaza. W efekcie otrzymujemy płynną surówkę oraz żużel będący produktem ubocznym.

Otrzymana surówka to stop żelaza z węglem o jego stężeniu wynoszącym około 3-4%. W dalszym ciągu znajdują się w niej liczne zanieczyszczenia chociażby w postaci siarki, która odpowiada za kruchość stali. Dlatego ważnym procesem jest odsiarczanie.

Kolejnym etapem jest zredukowanie stężenia węgla. Do podgrzanej do wysokich temperatur surówki wrzuca się złom stalowy pokryty rdzą. W efekcie węgiel z surówki łączy się z rdzą znacząco obniżając stężenie węgla. Jeśli zajdzie taka potrzeba do płynnego stopu dodawane są także różne pierwiastki zwane stopowymi. Zaliczyć do nich możemy: chrom, nikiel, mangan, aluminium, wanad, wolfram czy też molibden. Mają one zasadniczy wpływ na właściwości finalnego produktu takie jak wytrzymałość czy odporność korozyjną. Ułatwiają również proces hartowania poprzez obniżenie krytycznej prędkości chłodzenia.

Na koniec pozostało jeszcze odlanie gotowych półproduktów zwanych wlewkami. Po ich walcowaniu otrzymujemy kęsiska a później także kęsy stalowe.

Excel Raport 8D Raport A3 5 Why 5W2H, Diagram żółwia, Plan Kontroli - Darmowe narzędzia jakościowe do pobrania

Układ żelazo-grafit i żelazo-cementyt

Układ żelazo-węgiel to tak po prawdzie dwa wykresy w jednym. Prezentuje on przemiany zachodzące w układzie stabilnym, w przypadku którego z roztworu ciekłego powstaje grafit jak i układ metastabilny, gdzie otrzymujemy cementyt.

Rozróżnienie polega na zastosowaniu dwóch rodzajów linii:
– ciągłej – dla układu żelazo-cementyt (Fe-Fe3-C)
– przerywanej – dla układu żelazo-grafit (Fe-C).

Układ opracowany został wyłącznie do stężenia węgla wynoszącego 6,67%, przy którym tworzy się cementyt. Warto również pamiętać, że bazuje on wyłącznie na dwóch pierwiastkach: żelazie i węglu. Brakuje w nim natomiast innych składników wchodzących w skład danego stopu. Dodatkowo układ żelazo-węgiel stworzony został przy założeniu maksymalnie wolnego nagrzewania i chłodzenia, co jak wiemy mało ma wspólnego z rzeczywistością. Stanowi on jednak pewien punkt odniesienia podczas analizy przemian jakie zachodzą w stali.

Układ żelazo-węgiel - wykres żelazo-cementyt i żelazo-grafit

Składniki strukturalne w stali, żeliwie białym oraz żeliwie szarym

Jedną z zasadniczych różnic pomiędzy stalą a żeliwem jest stężenie masowe węgla w stopie. O stali mówimy jeśli zawartość węgla nie przekracza 2,11%, zaś z żeliwem mamy do czynienia jeśli stężenie węgla jest powyżej 2,11%, lecz nie większe niż 6,67%. Pozostałe czynniki na tym etapie pominiemy, bowiem nie będą one na tyle istotne z punktu widzenia analizy jakiej poddamy układ żelazo-węgiel.

Ze względu na stężenie węgla w stali stosuje się następujący podział:
– stal podeutektoidalna – jest to stop, który zawiera mniej niż 0,77% węgla w stopie
– stal eutektoidalna – zawiera 0,77% węgla
– stal nadeutektoidalna – zawartość węgla w stopie jest większa niż 0,77%.

Natomiast w przypadku żeliw mamy podział na żeliwo szare i białe, które odróżnia występowanie grafitu w tym pierwszym. Jest to związane z obecnością krzemu w żeliwie szarym, który ułatwia wydzielanie się grafitu. Jego przeciwieństwem jest mangan obecny w żeliwie białym, którego rolą jest utrudnianie zachodzenia tego procesu.

Składnikami strukturalnymi stopu mogą być zarówno fazy jak i mieszaniny faz. Układ żelazo-węgiel wyróżnia siedem różnych składników strukturalnych. Omówimy jest podczas procesu chłodzenia. Począwszy od temperatury przekraczającej temperaturę topnienia żelaza, aż do osiągnięcia temperatury otoczenia. Małym wyjątkiem będzie jedynie ferryt, gdzie na chwilę przeskoczymy pewien zakres temperatur. Zatem do składników strukturalnych jakie obejmuje układ żelazo-węgiel zaliczamy:

Roztwór ciekły

Jak sama nazwa wskazuje jest to płynny roztwór węgla w żelazie. Układ żelazo-węgiel określa ten składnik jako ciecz. Występuje powyżej 1538°C. Oddzielony jest liniami zwanymi likwidusem:
– AB – rozpoczyna się wydzielanie ferrytu – fazy α(δ)
– BC – w roztworze ciekłych krystalizuje austenit – faza γ
– CD – początek wydzielania się cementytu

Roztwór ciekły na wykresie oznaczony jest cyfrą I.

Ferryt

Międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α lub żelazie α(δ) występuje w zakresie temperatur, który jest analogiczny dla stabilności obu odmian alotropowych. Koniec krzepnięcia ferrytu α(δ) oznaczony jest linią AH, określaną jako solidus.

Przemiana alotropowa austenitu w ferryt α rozpoczyna się zgodnie z linią GOS, zaś kończy zgodnie z linią GMP.

Ferryt α(δ) na wykresie żelazo-węgiel oznaczony jest cyfrą V, zaś ferryt α liczbą X.

Austenit

Międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie γ. Zakres temperaturowy jest również zbieżny z występowaniem żelaza γ.

Początek przemiany alotropowej ferrytu α(δ) w austenit oznaczono linią HN, zaś jej koniec linią JN.
W przypadku krystalizacji bezpośrednio z cieczy mamy dwie linie:
– BC – wspomnianą przed chwilą linię zwaną likwidusem, gdy rozpoczyna się proces krystalizacji
– JE – określana jako solidus oznacza zakończenie procesu krystalizacji.

Austenit oznaczony jest cyfrą VII.

Cementyt

Węglik żelaza oznaczany wzorem Fe3C. Jak już wspominaliśmy występuje on wyłącznie w układzie żelazo-cementyt i dzieli się na:
– cementyt pierwszorzędowy lub pierwotny – rozpoczyna wydzielać się z roztworu ciekłego wzdłuż linii CD
– cementyt drugorzędowy lub wtórny – wydzielający się z austenitu wzdłuż linii ES
– cementyt trzeciorzędowy – wydzielający się a ferrytu wzdłuż linii PQ

Perlit

Mieszanina faz – ferrytu i cementytu zawierająca 0,77% stężenia masowego węgla. Powstaje z austenitu w wyniku przemiany eutektoidalnej (linia PSK) w temperaturze poniżej 727°C. W przypadku stali podeutektoidalnych, czyli o zawartości węgla poniżej 0,77%, ale nie mniejszej niż 0,0218% dla układu żelazo-cementyt strukturę stopu stanowią ferryt, perlit oraz cementyt trzeciorzędowy. W stalach nadeutektoidalnych występuje wraz z cementytem. W przypadku żeliw o stężeniu węgla do 4,3% stanowi strukturę stopu wraz ledeburytem przemienionym oraz wydzielonym z niego cementytem trzeciorzędowym. Zawartość perlitu w stopie rośnie wraz z rosnącym stężeniem węgla.

Ledeburyt

Mieszanina faz – austenitu i cementytu. Składnik strukturalny żeliwa białego o stężeniu 4,3% węgla wydzielający się bezpośrednio z roztworu ciekłego w wyniku przemiany eutektycznej. Stabilny w temperaturze od 727°C do 1148°C.

Ledeburyt przemieniony

Mieszanina faz – perlitu i cementytu. Występuje w żeliwach białych poniżej temperatury 727°C w wyniku przemiany austenitu w perlit.

Przemiany w układzie żelazo-cementyt

Podczas analizy składników strukturalnych występujących na wykresie żelazo-cementyt wspomnieliśmy o dwóch przemianach. Jest ich jednak więcej. Dlatego przyjrzyjmy się każdej z nich.

– Linia PSK – Przemiana eutektoidalna – zachodzi w stopach o zawartości węgla wynoszącej co najmniej 0,0218% (Punkt P na wykresie żelazo-cementyt). W jej wyniku austenit o stężeniu węgla 0,77% rozpada się na Perlit. Od nazwy tej przemiany perlit nazywany jest również mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu wtórnego. Przemiana eutektoidalna oznaczana jest symbolem A1. Spotkać się będziemy również mogli z oznaczeniami Ac1, która oznacza grzanie i Ar1 mające zastosowanie podczas chłodzenia. W zależności od stopu Ac1 jest przeważnie wyższe od A1, zaś Ar1 niższe.

– Linia MO – Przemiana magnetyczna ferrytu – w temperaturze Curie wynoszącej 770°C ferryt traci swoje właściwości magnetyczne stając się paramagnetykiem. Po ochłodzeniu poniżej tej temperatury, czyli również w temperaturze otoczenia jest ferromagnetykiem. Przemiana magnetyczna ferrytu jest oznaczana symbolem A2.

Warto również wiedzieć, że w temperaturze 230°C zachodzi jeszcze jedna przemiana, która nie została oznaczona na wykresie żelazo-węgiel.  Jest to przemiana magnetyczna cementytu, która jest analogiczna do tej, która zachodzi w ferrycie. Zatem w temperaturze 230°C i wyższej cementyt jest paramagnetykiem, zaś poniżej, wliczając w to temperaturę otoczenia jest ferromagnetyczny. Przemianę tą oznaczamy jako A0.

– Linia GOS – Przemiana alotropowa ferrytu α w austenit oraz austenitu w ferryt α – w temperaturze 912°C dla czystego żelaza oraz wzdłuż linii GOS dla stopu żelaza z węglem rozpoczyna się przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ. W jej przypadku stosujemy oznaczenia A3, Ac3 oraz Ar3.

– Linia ECF – Przemiana eutektyczna – roztwór ciekły o stężeniu węgla wynoszącym 4,3% (Punkt C) rozpada się na ledeburyt, zwany również mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Przemiana eutektyczna jest odwracalna.

– Linia ES – Początek wydzielania się cementytu drugorzędowego z austenitu. Stosujemy oznaczenia Acm, Accm, oraz Arcm.

– Linie NJ – Przemiana alotropowa austenitu w ferryt α(δ) oraz ferrytu α(δ) w austenit – zachodząca w stopach o stężeniu masowym węgla wynoszącym do 0,17%. Oznaczamy ją A4, Ac4 oraz Ar4.

– Linia HJB – Przemiana perytektyczna – w wyniku chłodzenia ferrytu α(δ) oraz roztworu ciekłego wydziela się austenit. Przemiana ta jest odwracalna.

Układ żelazo-węgiel – punkty

Zarówno wykres żelazo-cementyt jak i żelazo-grafit oparty jest o 16 różnych punktów oznaczonych literami alfabetu. Dla każdego punktu przyporządkowana jest temperatura i stężenie masowe węgla. W poniższych tabelach znajdziecie szczegółowe dane dotyczące każdego z nich. Spora część punktów dla obu układów jest analogiczna. Różnice natomiast oznaczone zostały pogrubioną czcionką w tabeli dla układu żelazo-grafit.

Układ żelazo-cementyt:

Punkt na wykresieStężenie węgla [%]Temperatura [°C]
A01538
H0,091495
J0,171495
B0,531495
N01394
D6,671227
E2,111148
C4,31148
F6,671148
G0912
M0,0168770
O0,45770
P0,0218727
S0,77727
K6,67727
Q0,00820

Układ żelazo-grafit:

Punkt na wykresieStężenie węgla [%]Temperatura [°C]
A01538
H0,091495
J0,171495
B0,531495
N01394
D’nie wyznaczononie wyznaczono
E’2,081154
C’4,261154
F’6,671154
G0912
M0,0168770
O0,45770
P’0,0205738
S’0,68738
K’6,67738
Q0,00820

Układ żelazo-węgiel – podsumowanie

Układ żelazo-węgiel jest jednym z podstawowych zagadnień podczas nauki materiałoznawstwa. Pozwala na zrozumienie przemian zachodzących w stopach żelaza z węglem podczas ich nagrzewania i chłodzenia. Warto jednak pamiętać, że oparty jest on o warunki wzorcowe podczas, których zastosowano bardzo powolne nagrzewanie i analogiczne chłodzenia. Dlatego nie znajdziemy na nim chociażby martenzytu, czy bainitu – struktur powstających podczas hartowania, a więc i szybkiego chłodzenia. Na wykresie wyróżniamy dwa układy: stabilny dla grafitu i metastabilny dla cementytu. Poza składnikami strukturalnymi różnią się one również temperaturami oraz stężeniem węgla, dla którego zachodzą określone przemiany fazowe. Mam nadzieję, że ten materiał pozwolił Wam na pełne zrozumienie tematu jakim jest układ żelazo-węgiel. Do zobaczenia w następny poniedziałek!

Ten artykuł ma 2 komentarze
  1. Tomek Reply

    Świetnie wytłumaczone. Strona dodana do ulubionych i czekam na kolejne tematy.

    • Marcin Reply

      Dzięki Tomasz! Zapraszam w każdy kolejny poniedziałek.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

scroll to the top of the site