KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Fémek és ötvözetek egyensúlya

14. lecke: Fe-C ötvözetek egyensúlyi diagramja

|  | A vas-karbon diagram jellegzetességei (eltérések a szokásos diagrammokhoz képest Milyen formában jelenhet meg a vasötvözetekben a karbon Miért gyakoribb a vaskarbidos forma A vasötvözetek csoportosítása a töretük színe alapján Kristályosodás az Fe-Fe3C karbidos rendszer szerint Az eutektikum, a ledeburit képződése, fázisai Szilárd állapotban végbemenő átalakulások Az ausztenit oldóképességének csökkenése → szekunder cemetit kiválás γ → α allotróp átalakulás → ferrit eutektoidos átalakulás → perlit a vasötvözetek csoportosítása az Fe - Fe3C egyensúlyi diagram alapján acélok hipoeutektoidos acélok szövetszerkezete, tulajdonságai, a C tartalom hatása hipereutektoidos acélok öntöttvasak szövetszerkezete, tulajdonságai Fe - C grafitos vagy stabil rendszer jellegzetessége A grafitos eutektikum kristályosodása Grafitos eutektoid képződése Grafitos öntöttvasak szövete, tulajdonságai
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | definiálni az egyensúlyi diagram, perlit, ferrit, ledeburit, ausztenit, szilárd oldat fogalmakat értelmezni az Fe-Fe3C egyensúlyi diagram főbb pontjait meghatározni a karbon megjelenési formáit a vasötvözetekben, a megállási pontokat a színvas lehűlési görbéin, a szilárd oldatokat az az Fe-Fe3C rendszerben, a hipoeutektuidos acélok szövetszerkezetét szobahőmérsékleten, a vasötvözetek szilárd oldat fázisait
|  | Fe-C egyensúlyi diagram
|  | Vas- Karbon diagram
1. ábra. Vas - Karbon diagram
|  | Eltérések az eddig tárgyalt diagramokhoz képest
|  | a diagramot csak 6,67 C %-ig ábrázolják, bizonyos vonalak folyamatos, és szaggatott vonallal is fel vannak tüntetve
|  | Az eltérések oka
|  | a 6% C-nál nagyobb C tartalmú ötvözetekre semmilyen megbízható adatunk nincs, de ezeknek nincs is gyakorlati jelentősége. (A diagramban a 6.67 C %-nál látott függőleges a Fe3C interszticiós vegyületnek felel meg) A karbon a vasötvözetekben kétféle alakban jelenik meg, mint elemi karbon vagy grafit, és kötött formában, mint Fe3C, vaskarbid
|  | A vas-vaskarbid(folyamatos vonal) és a vas-grafit (szaggatott vonal) ötvözeteknek kétféle diagramjuk van. A két diagramnak egy koordináta rendszerben való ábrázolása Heyn-Charpy nevéhez fűződik, ezért nevezzük a diagramot Heyn-Charpy féle iker diagramnak.
|  | A két diagram közül természetesen csak az egyik felelhet meg az egyensúlyi állapotnak. A gyakorlatban legtöbbször a kötött vaskarbid formával találkozunk, így hajlamosak vagyunk azt hinni, ez a stabil forma. Azonban, ha egy nagyobb C tartalmú, ötvözetet hevítünk, már 700 C° felett megfigyelhető a Fe3C felbomlása Fe3C → 3 Fe + C. Ez mutatja, hogy a grafitos forma a stabil. Ugyancsak ezt bizonyítja az a tény, hogy a grafitos (szaggatott) vonalak a magasabb hőmérsékleteken haladnak.
|  | Melyik a stabil?
|  | már 700 C° felett megfigyelhető a Fe3C felbomlása Fe3C → 3 Fe + C a grafitos (szaggatott) vonalak a magasabb hőmérsékleteken haladnak.
|  | Tehát
|  | A vas-grafit (Fe - C) rendszer a stabil Az Fe - Fe3C rendszer a metastabil
|  | Miért gyakoribb a kötött, vaskarbidos forma?
|  | az elemi C metalloid elem, és mint ilyen, a kristályosodás megindulásához, igen nagy túlhűtést igényel, kristály csírái nagy késéssel képződnek, és a grafit kristályosodási sebessége is kicsi. Ezért a nagyobb C tartalmú Fe-C ötvözetek lehűlésekor többnyire az történik, hogy a grafit kristályosodása csirák hiányában még el sem kezdődik, mire az ötvözet annyira lehűl, hogy megkezdődik a karbidos kristályosodás. A grafit kristályosodása vagy végtelen lassú lehűtéssel, vagy a gyakorlatban a vaskarbid stabilitását csökkentő ötvözőkkel - elsősorban Si - érhető el. A gyakorlati grafitos ötvözetek (öntöttvasak) mindig tartalmaznak 1,5-3% Si-t!
Az Fe - C iker egyensúlyi diagram pontjainak C tartalma és hőmérséklete
|  | Megjegyzés: a '-ős pontok a grafitos rendszerre vonatkoznak Az adatokat Hume-Rothery 1960-ban publikálta.
|  | A vasötvözetek csoportosítása
|  | töretük alapján a grafitos ötvözetek, mindig a kis szilárdságú grafit mentén törnek, így töretük a grafit hatására szürke. A vaskarbidot tartalmazó ötvözetek töret fémes, tehát fehér.
|  | A Fe-Fe3C ötvözetek diagramja
|  | A karbidos rendszer esetében olyan egyensúlyi diagramról van szó, ahol az egyik komponens a szín vas, a másik pedig a vaskarbid. A diagram koncentráció egyenesén megállapodás szerint a C %-át tüntetjük fel. A rendszer első függőlegese a szín vas lehűlési görbéjének pontjait mutatja, és a diagramot a Fe3C függőlegeséig ábrázoljuk.
2. ábra. Fe - Fe3C egyensúlyi diagram
|  | Eddig megismert egyensúlyi diagramok alapján a karbidos rendszerről megállapíthatjuk, hogy az alkotók folyékony állapotban minden arányban, szilárd állapotban pedig korlátozottan oldják egymást.
|  | Vasötvözetek kristályosodásának vizsgálata (Fe- Fe3C rendszer)
3. ábra. Kristályosodás a BC likvidusz görbe szerint
|  | Az AB likvidusz elhanyagolásával egészen 4,3% C-ig a kristályosodás a BC likvidusz és a JE szolidusz szerint γ szilárd oldat formájában történik. Ezt a szilárd oldatot Robert Austenről, ausztenitnek nevezik.
4. ábra. Ausztenit
Ausztenit ötvözött acélokban szobahőmérsékleten nem található, mert átalakul. Az ábra 800 C° fölött is vizsgálatra képes mikroszkóppal készült. |  | Az ausztenit - interszticiós szilárd oldat (A lapközepes köbös rácsú γ Fe-ban oldott C) .Korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége 2,06% (1147 C°-on), minimális 0,8% (723 C°-on)
5. ábra. Kristályosodása CD likvidusz görbe szerint
Megjegyzés: Az Fe3C vaskarbidot cementitnek is nevezik. |  | A nagy C tartalmú ötvözetek kristályosodása Fe3C kristályosodásával (szövetelemi neve cementit) kezdődik a CD likvidusz és a DF szolidusz szerint.
6. ábra. Az eutektikum kristályosodása
|  | A C pontban metszi egymást a két likvidusz, tehát eutektikus kristályosodás jön létre. Az eutektikum 1147 C° (ECF vonal) képződik: olvadékC(4,3%) ⇔ γ E(2,06%) + Fe3C(6,67%)
|  | Az eutektikum neve Ledebur angol tudós nyomán ledeburit
7. ábra. Ledeburit
|  | A ledeburit 1147 C°-on képződik 4,3 %C olvadékból. Fázisai: ausztenit és vaskarbid. Az ausztenit szekunder cemenetit kiválás után perlitté alakul Kemény, rideg, kopásálló
|  | Szilárd állapotban végbemenő átalakulások
8. ábra. Szekunder (másodlagos) cementit kiválás
|  | Az ausztenit - interszticiós szilárd oldat - korlátozottan oldja a karbont, maximális C oldó képessége 2,06% (E). Az ausztenit korlátozott karbonoldóképességének vonala az SE, az oldhatatlanná váló C e vonal mentén Fe3CII formájában válik ki.
A képen a sötét területek az ausztenit átalakulásából származó perlitet jelentik. |  |
9. ábra. Szekunder cementit
|  | Allotróp átalakulás
10. ábra. Allotróp átalakulás
|  | a lapközepes köbös γ ausztenit a szín vas A3 pontjából kiinduló GS kezdő és GP befejező görbék által meghatározott hőmérséklet közben térközepes köbös α szilárd oldattá, szövetelemi nevén ferritté alakul
11. ábra. Alfa szilárd oldat, ferrit
Tisztán ferrit csak az egészen kis C tartalmú vasötvözetekben található |  | A ferrit α szilárd oldat, térközepes köbös rácsú α -Fe-ban intersztíciósan oldott C. Maximális C oldóképessége 723 C°-on 0,025% (P pont) minimális szobahőmérsékleten 0,006% (Q pont)
|  | Eutektoidos folyamat
|  | Az S pontban metszi egymást az allotróp átalakulás kezdő (GS) és a korlátozott oldóképesség (ES) vonala. F =3, ezek a l.k.k. rácsú γ , a keletkező t.k.k. rácsú α és a Fe3C. F = 3 esetén Sz = 0, tehát a folyamatnak állandó hőmérsékleten kell lejátszódni.
|  | Az eutektoidos folyamat 723 C°-on a PSK vonalon játszódik le az alábbi módon:
γ S ( 0,8 % ) ⇔ α P ( 0,025 % ) + Fe 3 C
A perlit elnevezés a "perle" gyöngy szóból származik, mert a perlites ötvözet vizsgálatra előkészített felülete (csiszolt, polírozott és alkoholos salétromsav más néven Nital marószerrel maratott) olyan, mint a gyöngyház. |  | A keletkező kétfázisú szövetelemet, eutektoidot perlitnek nevezzük.
12. ábra. Eutektoidos folyamat
|  | Figyelje meg, hogy a vasötvözetekben, ha a C tartalom nagyobb, mint a P pontnak megfelelő (0,025 % C) mindenhol megjelenik az eutektoid, a perlit.
Fémmikroszkópos felvétel, jól megfigyelhető a lemezes szerkezet. (Nagyítás 500 x) |  |
13. ábra. A perlit mikroszkópos képe
Elektronmikroszkópos felvétel |  |
14. ábra. Perlit elektronmikroszkópos képe
|  | A keletkező perlit kétfázisú szövetelem, eutektoid 723 C°-on képződik
γ S ( 0,8 % ) ⇔ α P ( 0,025 % ) + Fe 3 C
|  | Tercier (harmadlagos) cementit kiválás
|  | Az allotróp átalakulással képződő t.k.k. rácsú α szilárd oldat is korlátozottan oldja a karbont. A korlátozott oldékonyság vonala a PQ, ami az oldhatatlanná váló C-nak Fe3CIII, formában való kiválását mutatja. A Fe3CIII olyan kis mennyiségű, hogy általában elhanyagoljuk.
15. ábra. Tercier cementit
|  | A vasötvözetek csoportosítása a Fe-Fe3C diagram alapján
|  | 2,06% karbon tartalomig acélokról, az annál nagyobb karbon tartalom esetén nyersvasakról, vagy öntöttvasakról beszélünk.
|  | Az ötvözeteket tovább az eutektikus és az eutektoidos ponthoz képesti helyzetük szerint osztályozzuk. A C<0,8%-nál acélok hipoeutektoidos, ha C>0,8% hipereutektoidos acélok, C < 4,3%-nál öntöttvasakat hipoeutektikus, a C>4,3% hipereutektikus öntöttvasaknak.
16. ábra. Az Fe-Fe3C ötvözetek egyensúlyi szövetszerkezete
|  | Az ábrán megfigyelhető az ausztenit, a ferrit és a különböző, jellegzetes ötvözetek szövetszerkezete. A diagram alá megrajzoltuk a szobahőmérsékleten előforduló szövetelemeket mutató szövetdiagramot és a fázisdiagramot is. A szövetdiagram szerkesztését nem ismertetjük.
|  | Acélok
|  | 2,06% karbon tartalomig acélok
|  | Hipoeutektoidos acélok
|  | Ezek az acélok az ún. szerkezeti acélok pl. hidak, gépek, épületek stb. anyagai.
A ferrit lágy, jól alakítható, míg a perlit lágy ferrit és kemény cementit lemezekből álló eutektoid. |  | Szobahőmérsékleten ferrit és perlit szövetelemekből állnak.
A különböző C tartalmú acélok szövetszerkezete
0,15 % C | 1/5
22. ábra. A C tartalom hatása az acélok szövetszerkezetére
|  | A C tartalom növekedésével csökken a ferrit és nő a perlit mennyisége, ami a szilárdság, a keménység növekedését, az alakváltozóképesség csökkenését eredményezi
|  | Hipereutektoidos acélok
|  | Ezeket az acélokat elsősorban szerszámok készítésére használják pl. reszelő, véső stb.
A hálós szerkezetű szekunder cementit kedvezőtlen, hőkezeléssel meg kell szüntetni. |  |
23. ábra. 1,3 % C hipereutektoidos acél szövetszerkezet
|  | Öntöttvasak
|  | A karbidos rendszer szerint kristályosodó öntöttvasakat önálló szerkezeti anyagként nem használják, mivel nagyon kemények, nem alakíthatóak, a megmunkálásuk is nehézségeket okoz A karbidos rendszer szerinti kristályosodás elsősorban azokra az ötvözetekre jellemző, amelyeket a továbbiakban az acélgyártás alapanyagaként használnak.
|  | Hipoeutektikus öntöttvas
24. ábra. Hipoeutektoidos öntöttavs
|  | Hipereutektikus öntöttvas
Megjegyzés: A tulajdonságai annyira kedvezőtlenek (rideg, kemény), hogy 4,5 % C fölött sohasem használjuk. |  |
25. ábra. Hipereutektikus öntöttvas
|  | Vas -C (grafit) egyensúlyi diagram
26. ábra. Vas - grafit egyensúlyi diagram
|  | Grafitos vagy stabil rendszer
|  | A grafitos vagy stabil rendszer egyensúlyi diagramjának alakja a karbidos rendszer diagramjához nagyon hasonlít, sőt a két diagram vonalainak jelentős része pontosan egybeesik. Azok a vonalak ugyanis, amelyek a vas módosulatainak és azok szilárd oldatainak képződésére vonatkoznak az ikerdiagram mindkét tagjában közösek. Különböző helyzetűek azok a vonalak, amelyek a cementitnek vagy a karbidos szövetelemeknek, lédeburitnak vagy perlitnek a képződésére vonatkoznak.
|  | Fontos megjegyezni, hogy itt a 6,67 % C tartalmú Fe3C nem létezik, a diagram a 100 % C-ig tart. A grafitos rendszer fázisaira vonatkozó pontokat '-vel jelöljük.
|  | A pontok magasabb hőmérsékleteken vannak, ezért a hozzájuk tartozó C tartalom kisebb.
|  | Az eutektikum kristályosodása
|  | A grafitos rendszer szerint a γ ausztenit kristályosodásának kezdetét jelentő BC' likvidusz és a grafit kristályosodásának kezdetét jelentő C'D' likvidusz a C' pontban metszi egymást. Ez a grafitos rendszer eutektikus pontja. Hőmérséklete 1153 C°.
|  | Az eutektikus reakció 1153 C°-on:
olvadék C " ( 4,25 % ) ⇔ γ E " + C ( grafit )
|  | A szövetelem neve grafitos eutektikum
27. ábra. A grafitos rendszer eutektikus pontja
A felvétel maratlan csiszolatot mutat. A grafitot mindig maratlan csiszolaton vizsgáljuk, hogy a mátrix (ebben helyezkedik el a grafit a hőmérséklettől függően egyensúlyi esetben lehet ausztenit, vagy ferrit) szövetszerkezete ne zavarja a vizsgálatot. |  |
28. ábra. Eutektikus grafit
|  | Eutektoidos folyamat
|  | Az ausztenit átalakulása a grafitos rendszer szerint is végbemegy, mégpedig 738 C°-on a P'S'K' vonalon.
γ S " ⇔ α P " ( 0,025 % ) + grafit
|  | Ez a grafitos eutektoid.
|  | Hipoeutektoidos öntöttvas (egyensúlyi helyzet)
29. ábra. 3% C tartalmú (hipoeutektoidos) öntöttvas szövetszerkezete egyensúlyi helyzetben
|  | A hipoeutektoidos öntöttvasak szövetszerkezete szobahőmérsékleten grafitos eutektikum, szekunder grafit és grafitos eutektoid. Mikroszkópon megfigyelve csak grafitot és ferritet látunk.
|  | Megjegyzés: Az egyensúlyi kristályosodás és átalakulás csak "végtelen" lassú lehűtés során jön létre. A kialakuló öntöttvas szilárdsága igen kicsi. Rm= 100 - 150 N/mm2.
|  | Gyakorlati öntöttvasak
|  | A gyakorlati öntöttvasak mindig tartalmaznak 1,5-2 % szilíciumot. Ellenkező esetben ugyanis az öntöttvas a karbidos rendszer szerint fog kristályosodni, ha
|  | a lehűlési sebesség túl nagy (vékony az öntvény fala) vagy túl kevés a Si

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje meg az egy helyes megoldást!
| 1. Miért a 6,67 % C -nál ér véget az Fe - Fe3C egyensúlyi diagram?
| Ennél nagyobb C tartalmú ötvözeteket nem használunk
| Ennél nagyobb C tartalmú ötvözetet nem lehet előállítani
| Ennyi az Fe3C C tartalma, itt képződik a vegyület
| A korábbiakban itt húzták be a függőlegest és ezen nem akarunk változtatni
| 2. Milyen formában jelenhet meg a karbon a vasötvözetekben?
| Grafit vagy Fe3C szubsztitúciós vegyület
| Grafit vagy Fe3C intersztitúciós vegyület
| Grafit vagy Fe3C szubsztitúciós szilárd oldat
| Grafit vagy Fe3C intersztitúciós szilárd oldat
| 3. Hogyan érhetjük el a stabil grafitos rendszer szerinti állapotot?
| gyors hűtéssel és 1,5-3% Si ötvözéssel
| lassú hűtéssel 1,5 - 3 % Mn ötvözéssel
| lassú hűtéssel és 1,5 - 3 % Si ötvözéssel
| normál levegőn való hűtéssel
| 4. Milyen fázisai vannak a ledeburitnak a képződés hőmérsékletén?
| Ferrit, cementit
| Ausztenit, ferrit
| Ausztenit, vaskarbid
| Ausztenit, grafit
| 5. Hol vannak megállási pontok a színvas lehűlési görbéjén?
| 1536 C°, 1392 C°, 911 C°
| 1536 C°, 1492 C°, 911 C°
| 1536 C°, 1493 C°, 723 C°
| 1536 C°, 911 C°, 723 C°
| 6. Mennyi a szabadsági fokok száma az eutektikum kristályosodása során?
| 1
| 2
| 0
| 3
| 7. Milyen szilárd oldatok vannak az Fe - Fe3C rendszerben?
| Ferrit, vaskarbid
| Ausztenit, ferrit
| Cementit, ausztenit
| Ausztenit, ledeburit
| 8. Mit nevezünk perlitnek?
| Eutektoid. Lemezes szerkezetű, fázisai az ausztenit és a ferrit
| Eutektikum, szemcsés szerkezetű, fázisai a ferrit és a vaskarbid
| Eutektoid. Lemezes szerkezetű, fázisai a ferrit és a vaskarbid
| Eutektoid. Lemezes szerkezetű, fázisai ledeburit és a ferrit
| 9. Milyen szövetszerkezete van a hipoeutektoidos (szerkezeti) acéloknak szobahőmérsékleten egyensúlyi hűtés hatására?
| perlit és szekunder cementit
| ferrit és bainit
| ferrit és lemezes perlit
| ferrit, ledeburit
| 10. Válassza ki az egy helyes állítást!
| a ledeburit a Fe-C rendszer eutektikuma, fázisai a ferrit és az ausztenit
| grafitos eutektikum 1153 C°-on keletkezik, fázisai a γ és a vaskarbid
| a Si elősegíti a grafitos kristályosodást
| az ausztenit vegyület
| 11. Melyek a vasötvözetek szilárd oldat fázisai?
| ferrit, ausztenit
| ferrit, perlit
| perlit, cementit
| perlit, ledeburit
| 12. Hogyan befolyásolja a C tartalom a hipoeutektoidos (szerkezeti) acélok szövetszerkezetét és mechanikai tulajdonságait?
| A C tartalom növekedésével nő a ferrit, csökken a perlit mennyisége, nő a szilárdság és az alakíthatóság
| A C tartalom növekedésével nő a perlit, csökken a ferrit mennyisége csökken a szilárdság, nő az alakíthatóság
| A C tartalom növekedésével csökken a ferrit, nő a perlit mennyisége, nő a szilárdság és csökken az alakíthatóság
| A C tartalom növekedésével csökken a ferrit, nő a perlit mennyisége, csökken a szilárdság és az alakíthatóság