J . V ř e š ť á l , P . B r o ž ú l o h a
/1/
1a-b
Metalografická analýza slitin Fe-C
Pravděpodobně nejdůležitějším binárním systémem je soustava Fe-C. Oceli a litiny jsou primárními
konstrukčními materiály ve všech technologicky pokročilých kulturách. Tato úloha je věnována
fázovému diagramu tohoto systému a vývoji možných mikrostruktur v podeutektoidních ocelích.
Fázový diagram Fe-C
Část fázového diagramu Fe-C je na obrázku 9.24. Čisté železo při ohřevu prodělává dvě změny
krystalické struktury, než dojde k jeho tání. Za pokojové teploty je stabilní ferit (α-Fe, s BCC
strukturou), měnící se na austenit (γ-Fe, s FCC strukturou) při 912 o
C. Austenit je stabilní
do 1394 o
C, kdy se mění na BCC fázi železa známou jako δ-ferit, který nakonec taje při 1538 o
C.
Osa složení v Obr.9.24 končí při 6.70 vah. % C; při této koncentraci uhlíku se tvoří sloučenina
cementit (Fe3C), která je representována svislou čarou ve fázovém diagramu.
Převzato z: Callister W.D., Rethwish D.G.: Materials Science and Engineering. An Introduction.
8 ed., Wiley, USA, pro účely výuky.
ú l o h a J . V ř e š ť á l , P . B r o ž
1a-c
Fázový diagram Fe-C je tak rozdělen na dvě části: část bohatou železem a druhou (není na obrázku)
pro složení 6.70 až 100 vah. % C (čistý grafit). Protože prakticky všechny ocele a litiny mají obsah
uhlíku menší než 6.70 vah. % C, budeme se zabývat pouze tímto systémem, Fe-Fe3C, kde Fe3C je
uvažován jako složka. Konvenčně je výhodnější vyjádřit složení slitin ve vah. % C než ve vah. %
Fe3C. Pak 6.70 vah. % C odpovídá 100 vah. % Fe3C.
Uhlík je intersticiální nečistota v železe a tvoří tuhý roztok jak v α-feritu tak v δ-feritu a také v
γ-austenitu, jak je vidět v jednofázových polích ve fázovém diagramu v Obr. 9.24. Maximální
rozpustnost v BCC α-feritu je pouze 0.022 vah. % C při 727 o
C. Tato malá rozpustnost uhlíku se
vysvětluje tvarem a velikostí intersticiálních BCC poloh, které jsou příliš malé pro atomy uhlíku.
Přesto, že je koncentrace uhlíku v α-feritu malá, uhlík významně ovlivňuje jeho mechanické
vlastnosti. Konkrétně, α-ferit je měkký, feromagnetický do 768 o
C a má hustotu 7.88 g/cm3
. (Fáze αferit
mezi teplotami 768 o
C a 912 o
C (nemagnetická) byla dříve chybně označována jako fáze β-ferit.)
Austenit (γ-austenit) není stabilní pod 727 o
C, jak je vidět v Obr.9.24. Maximální rozpustnost uhlíku
v FCC mřížce γ-austenitu je 2.14 vah. % C při 1147 o
C, což je přibližně 100-krát více než v BCC
mřížce α-feritu. (Austenit je paramagnetický.)
δ-ferit je prakticky stejný jako α-ferit, jen teplotní interval stability je jiný. Vzhledem k tomu, že je
δ-ferit stabilní pouze při relativně vysokých teplotách, nemá technologický význam a nebude dále
diskutován.
Cementit (Fe3C) se tvoří, když uhlík překročí mez rozpustnosti v α-feritu při teplotě pod 727 o
C (pro
složení v oblasti α + Fe3C). Jak je vidět v Obr.9.24, Fe3C tvoří roztok s γ-austenitem mezi 727 o
C
a 1147 o
C. Mechanicky je cementit velmi tvrdý a křehký, pevnost ocelí jeho přítomností roste.
Cementit je metastabilní strukturní složka. Je-li ohříván na teploty mezi 650 o
C a 700 o
C po dobu
několika let přemění se na α-ferit a uhlík ve formě grafitu, který zůstane stabilní i po následném
ochlazení na pokojovou teplotu. Proto Obr.9.24 není skutečný rovnovážný fázový diagram. Protože
je však rozpad cementitu extrémně pomalý, uhlík je v ocelích virtuálně ve formě Fe3C místo grafitu
a fázový diagram Fe-Fe3C je pro všechny praktické účely platný. (Přídavek Si ovlivňuje rozpad
cementitu s tvorbou grafitu a vznikají litiny.)
V soustavě Fe-Fe3C existuje eutektická (L ↔ γ + Fe3C) a eutektoidní (γ ↔ α + Fe3C) reakce,
z nichž zejména eutektoidní reakce je velmi důležitá pro tepelné zpracování ocelí. Podle obsahu
uhlíku rozeznáváme tři typy železných slitin: železo (do 0.008 vah. % C), ocel (0.008 – 2.14 vah. %
C, prakticky do 1.0 vah. % C) a litinu (2.14 – 6.70 vah. %C, prakticky do 4.5 vah. %C)
Vývoj mikrostruktury v ocelích
Mikrostruktura ocele závisí na obsahu uhlíku a na tepelném zpracování. Následující diskuse se
vztahuje k velmi pomalému ochlazování, při němž je stále zachovávána rovnováha.
Mikrostruktura eutektoidní oceli pomalu chladnoucí v okolí eutektoidní teploty se skládá ze střídání
vrstev (lamel) dvou fází (α + Fe3C), které se tvoří současně v průběhu transformace. Relativní
tloušťka lamel je v tomto případě 8 : 1. Tato mikrostruktura se nazývá perlit.
Perlit tvoří zrna (kolonie) v nichž světlé vrstvy jsou ferit a tmavé cementit. Mechanické vlastnosti
perlitu jsou mezi měkkým, tvárným feritem a tvrdým, křehkým cementitem. Následné chlazení perlitu
není spojeno s významnými mikrostrukturními změnami.
J . V ř e š ť á l , P . B r o ž ú l o h a
/3/
1a-b
Podoeutektoidní oceli
Podeutektoidní (méně uhlíku než eutektoidní) oceli jsou oceli s obsahem uhlíku mezi 0,022 vah.% C
a 0.76 vah. % C. Ochlazování slitiny uvedeného složení je representováno pohybem podle vertikální
linie yy´ v Obr. 9.29.
´
Převzato z: Callister W.D., Rethwish D.G.: Materials Science and Engineering. An Introduction.
8 ed., Wiley, USA, pro účely výuky.
Okolo teploty 875 o
C (bod c) mikrostruktura obsahuje pouze zrna γ-fáze, jak je zřejmé ze schématu
na Obr. 9.29. Při ochlazování k bodu d, (okolo 775 o
C), který je v dvoufázové oblasti (α + γ), většina
malých částic α – fáze se bude tvořit podél původních hranic zrn γ – fáze. Složení obou fází lze určit
pomocí příslušné tie-line; uvedená složení odpovídají 0.020 a 0.40 vah. % C.
V průběhu ochlazování slitiny ve dvoufázové oblasti (α + γ) se složení α – fáze mění s teplotou podle
linie MN (Obr.9.29) a mírně se obohacuje uhlíkem, Na druhé straně, změna složení austenitu je
významnější. Mění se podle linie MO (Obr.9.29) s klesající teplotou.
Ochlazování z bodu d do bodu e, těsně nad eutektoidní teplotou ale stále ve dvoufázové oblasti
(α + γ), se v mikrostruktuře tvoří rostoucí podíl α – částic a mikrostruktura je podobná předchozí:
částice α – fáze se budou zvětšovat. Složení fází α a γ lze určit z tie-line při teplotě Te (Obr.9.29);
α-fáze bude obsahovat 0.022 vah. %C a γ-fáze bude mít 0.76 vah. %C.
Při dalším snižování teploty pod eutektoidní teplotu do bodu f všechna γ-fáze přítomná při teplotě Te
(mající eutektoidní složení) se bude transformovat na perlit. Nebude ve skutečnosti žádná změna
v α – fázi existující v bodě e.
ú l o h a J . V ř e š ť á l , P . B r o ž
1a-c
Při překročení eutektoidní teploty bude normálně přítomna α-fáze jako spojitá matrice
obklopující perlitické kolonie. Mikrostruktura v bodě f je na Obr.9.29. Feritická fáze bude
přítomna jak v perlitu, tak také jako fáze vytvořená během chladnutí ve dvoufázové oblasti (α + γ).
Ferit přítomný v perlitu se nazývá eutektoidní ferit, zatímco ferit vytvořený nad Te se nazývá
proeutektoidní (což značí před eutektoidní) ferit (Obr. 9.29). Množství obou feritů a cementitu lze
určit podle pákového pravidla z tie-line vytyčené napříč celou (α + Fe3C) - fázovou oblastí (0.022 až
6.70 vah. % C).
Podeutektoidní ocele jsou v technické praxi označovány jako ocele k zušlechťování, jsou normovány
ČSN 41 2010 – ČSN 41 2060 a označovány jako 12010 - 12060. Chemické složení těchto ocelí je
obsaženo v materiálových listech, a je uvedeno v následující příloze.
Hodnoty tvrdosti podle Brinella jsou rovněž v materiálových listech: 12 040: HB = 208
12 050: HB = 225
12 060: HB = 253
ÚKOL: Cílem práce bude připravit mikrofotografie struktur ocelí s obsahem 0.1, 0.4, 0.5 a 0.6
vah. % C pro metalografickou analýzu podeutektoidních ocelí.
POTŘEBY A CHEMIKÁLIE: vzorky ocelí, metalografická bruska, brusné papíry, diamantová lešticí
pasta, leptadlo Nital (5%HNO3 v etanolu), metalografický mikroskop s výstupem na digitální
fotoaparát.
POSTUP: Bude provedena metalografická analýza (broušení, leštění, leptání, pozorování struktur) a
vytvořeny metalografické obrazy struktur ocele 12010 a ocelí s vyšším obsahem uhlíku (12040,
12050 a 12060).
ZPŮSOB VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ: Stav ocele 12010 dokumentujeme metalograficky, stejně
jako ocele 12040, 12050 a 12060.
PROTOKOL: V protokolu popíšeme postup metalografické analýzy, popíšeme zobrazené struktury
a doložíme je snímky struktur podeutektoidních ocelí.
Příloha.
CHEMICKÉ SLOŽENÍ OCELÍ PODLE ČSN.
?
J . V ř e š ť á l , P . B r o ž ú l o h a
/5/
1a-b