10. ŽELEZO A JEHO ZLIATINY. ROVNOVÁŽNY FÁZOVÝ DIAGRAM ŽELEZO-UHLÍK (METASTABILNÁ SÚSTAVA). SPRIEVODNÉ A PRÍSADOVÉ PRVKY V OCELIACH A ICH VPLYV NA VLASTNOSTI OCELÍ.

ZLIATINY ŽELEZA

Technické zliatiny železa sú zvyčajne komplexnými zliatinami, v ktorých popri uhlíku sú prítomné vždy Mn, Si, P, S, Cu, As, príp. ďalšie nečistoty, ako sú kyslík, vodík a dusík. Zámerne sa pridávajú prvky, ktoré označujeme ako prísady ( B, N, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, W ).

SPRIEVODNÉ A PRÍSADOVÉ PRVKY V OCELIACH A ICH VPLYV NA VLASTNOSTI OCELÍ:

Okrem uhlíka, ktorý má rozhodujúci vplyv na vlastnosti ocelí uplatňujú sa významne aj ďalšie prvky, ktoré možno rozdeliť do dvoch skupín: SPRIEVODNÉ - škodlivé: S, O, P, N, H prospešné: Mn, Si, Al, (Cu) PRÍSADOVÉ – Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Al, Ti, Nb, Co, Cu. PRÍSADOVÉ (zliatinové) PRVKY A ICH VÝZNAM: Pridanie takýchto prvkov umožňuje dosiahnuť často veľmi špecifické fyzikálne, mechanické alebo chemické vlastnosti, ktoré sa nedajú dosiahnuť uhlíkovými oceľami. Hlavné dôvody ktoré sa pri legovaní uplatňujú sú:

1. zlepšenie mechanických vlastností, najmä pevnosti a tvrdosti bez zníženia húževnatosti ocelí (Mn, Ni, Mo, Si, V, Cr)

2. zvýšenie prekaliteľnosti, ktoré umožní pri rovnakom priereze súčiastky kaliť do menej intenzívneho kaliaceho prostredia, alebo kaliť väčšie priemery súčiastok (Cr, Mn, Mo, V)

3. vytvorenie tvrdých, opotrebovaniu odolných materiálov, stabilných aj pri vysokých teplotách (W, Cr, V, Mo)

4. zmenšenie sklonu k rastu austenitického zrna (Al, V, Ti) 5. zlepšenie elektrických a magnetických vlastností (Si, Co) 6. zvýšenie žiarupevnosti (Cr, Mo, V, W) 7. zvýšenie žiaruvzdornosti (Cr, Si, Al) 8. zvýšenie odolnosti ku korózii v agresívnych prostrediach (Cr, Ni,

Mo, Si, Cu) 9. získanie štruktúr nedosiahnuteľných v uhlíkových oceliach, napr.

austenitu pri izbových teplotách (Mn, Ni)

Podľa významu a najčastejšieho použitia možno zliatinové prvky zoradiť takto: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Co, Ti, Al, Cu, Nb, Zr, B, N. Najčastejšie sa používa prvých sedem, podľa nich sa potom ocele aj často nazývajú (chrómová, mangánová.....) VZŤAH PRÍSADOVÝCH PRVKOV K ŽELEZU: Vzájomné pôsobenie so železom určuje predovšetkým vzájomný pomer rozmerov atómov železa a zliatinových prvkov:

- prvky, ktorých priemery atómov sa nelíšia od priemeru atómu železa viac ako 15%, tvoria zo železom tuhé roztoky. Sú to prvky Ni, Co, Mn, Cr, W, Mo, Ti, Al, Nb, V, Zr. Ak je rozdiel menší ako 8%, je vzájomná rozpustnosť so železom veľká. Úplnú rozpustnosť so železom majú prvky Cr, Ni, Mn a Co.

- Prvky s veľmi malým priemerom atómov (pod 63% priemeru atómu železa) tvoria so železom intersticiálne tuhé roztoky. Sú to prvky C, N, O, B, H. Ich rozpustnosť v železe je malá.

VZŤAH PRÍSADOVÝCH PRVKOV K UHLÍKU: Podľa vzťahu k uhlíku ich možno rozdeliť do 2 skupín:

a) karbidotvorné prvky – Cr, W, V, Mo, Ti, Mn, Zr, Nb. b) Karbidy netvoria tieto prvky – Ni, Co, Al, Si, N – znižujú stabilitu

cementitu VPLYV PRÍSADOVÝCH PRVKOV NA POLOHU ČIAR V DIAGRAME ŽELEZO-UHLÍK: Prísadové prvky v diagrame ovplyvňujú teploty premien, ako aj kritické koncentrácie uhlíka. Ak sledujeme binárne systémy jednotlivých zliatinových prvkov so železom, môžeme ich podľa pôsobenia na tvar oblasti austenitu rozdeliť do 2 skupín:

a) AUSTENITOTVORNÉ – znižujú teplotu A3 a zároveň zvyšujú teplotu A4, teda rozširujú – otvárajú oblasť tuhého roztoku γ (gama). N, B – prvky ktoré zväčšujú oblasť austenitu, Ni, Mn, Co – prvky ktoré rozširujú oblasť austenitu neobmedzene.

b) FERITOTVORNÉ – zvyšujú teplotu A3 a zároveň znižujú teplotu A4, teda zužujú – uzatvárajú oblasť tuhého roztoku. Prvky Ta, Nb a Zr túto oblasť len zužujú, ale prvky Cr, Be, Al, Si, Ti, W, V, Mo oblasť austenitu úplne uzatvárajú.

C - uhlík – so zvyšujúcim obsahom uhlíka v oceliach stúpa množstvo cementitu. V podeutektoidných oceliach (do 0,76%C) pribúda len perlitický cementit, lebo ferit sa postupne nahrádza perlitom. So stúpajúcou koncentráciou uhlíka pri nadeutektoidných oceliach pribúda sekundárny cementit (menia sa mechanické vlastnosti).S obsahom uhlíka sa menia aj technologické vlastnosti ocelí Mäkké nízkouhlíkový ocele sú dobre tvárne za studena. Najlepšie zvariteľné sú nizkouhlíkové ocele do 0,22%C. Kaliteľné sú také ocele ktoré majú obsah uhlíka väčší ako 0,3%. Mn – mangán – v oceli sa rozpúšťa, vytvára tuhý roztok, je austenitotvorný. Odstraňuje škodlivú síru, v diagrame Fe-Fe3C znižuje prekryštalizačnú teplotu, posúva eutektoidný bod doľava. 2-12% je príčinou veľkého zníženia prekryštalizačnej teploty a spomalenia prekryštalizácie. V dôsledku toho sa už pri pomalom ochladzovaní zakalí – dostáva martenzitickú štruktúru. (samokaliteľné alebo martenzitická oceľ) Nad 12% zapríčiní pokles prekryštalizačnej teploty pod 0 a oceľ bude mať pri izbovej teplote austenitickú štruktúru. Austenitické ocele sú nemagnetické, majú vysokú húževnatosť a sú kaliteľné. Mn v oceliach zlepšuje tvárniteľnosť za studena a odolnosť voči opotrebovaniu, zväčšuje sklon ocelí k hrubnutiu austenitického zrna, zväčšuje teplotnú rozťažnosť a zmenšuje tepelnú vodivosť. V liatinách je Mn karbidotvorný prvok – podporuje vylučovanie karbidu a teda aj vznik bielej liatiny.

Si – kremík – v oceli sa môže rozpúšťať, tvorí tuhý roztok, vylučuje sa aj vo forme nekovových vtrúsenín oxidu kremičitého. Je feritotvorný prvok, zvyšuje teplotu A3 a zároveň znižuje teplotu A4 , 1,8%Si uzatvára oblasť austenitu, eutektoidný bod posúva doľava. Zmenšuje elektrickú a tepelnú vodivosť, zhoršuje tvárnosť za studena a zvariteľnosť, mierne zvyšuje prekaliteľnosť, zmenšuje rýchlosť difúzie uhlíka v železe – je nežiadúci v oceliach na cementovanie, zmenšuje zatekavosť pri oceliach na odliatky. Pri liatinách podporuje vylučovanie grafitu. P – fosfor – v zliatinách železa je nečistotou – spôsobuje krehkosť za studena. Do obsahu 1% P sa v železe rozpúšťa, pri vyššom obsahu tvorí so železom kovovú zlúčeninu Fe3P ktorá je veľmi krehká. Výrazne znižuje húževnatosť a ťažnosť a tiež zvariteľnosť a lámavosť za studena. Najnepriaznivejší je jeho sklon k dendritickej segregácii (k odmiešavaniu). Zliatinové ocele majú obsahovať max. 0,025%P. Vo väčšom množstve sa pridáva aby sa (zriedkavo) a) zvýšila obrobiteľnosť b) zvýšila odolnosť voči atmosferickej korózii. Liatiny obsahujú viac P – až 2%. Potom je vylúčený ako ternárne eutektikum – steadit. Do sivých liatin sa pridáva pre zlepšenie zatekavosti. S – síra – je nečistota, spôsobuje lámavosť, v Fe sa nerozpúšťa. Vytvára kovovú zlúčeninu FeS. FeS zhoršuje tvárnosť ocelí za tepla. Úmyselne sa pridáva do mäkkých ocelí – 0,2%S čím sa zlepší obrobiteľnosť – lámavá trieska – automatová oceľ. O – kyslík – je nečistotou, je jednoznačne škodlivý. Max. rozpustnosť v Fe je 0,05%O. Do ocelí sa dostáva v priebehu oxidácie pri skujňovaní. Ocele obvyklých akostí obsahujú 0,1 – 0,01%O. N – dusík – je nežiadúca primiešanina, spôsobuje starnutie ocelí. V Fe sa rozpúšťa čiastočne. Spôsobuje pokles deformačných vlastností, zvyšuje náchylnosť ku krehkému lomu pri čiastočnom vzraste pevnosti. Starnutiu možno zabrániť znížením obsahu N alebo jeho viazaním na nitridy stále pri vyšších teplotách (Al, Ti, V) Akostné ocele majú max. 0,006 – 0,008%N. H – vodík – je nežiaducou primiešaninou, zapríčiňuje vznik vločiek. Zvyšuje krehkosť ocele, bez zvýšenia pevnosti, množstvo vodíka sa dá znížiť odlievaním vo vákuu. V oceliach sa nachádza 0,001 – 0,002%H. Ni – nikel – používa sa ako legúra na zlepšenie vlastností ocele, je však drahý. So železom sa rozpúšťa vo všetkých pomeroch a pôsobí ako Mn. Do 7% Ni zjemňuje kryštalizáciu – zvyšuje húževnatosť, zlepšuje prekaliteľnosť. Čiaru A1 posúva nadol a eutektoidný bod doľava. 7-25%Ni – samokaliteľné ocele – martenzitické. Nad 25% Ni- je čiara A1 pod O oC – austenitické ocele ktoré sú húževnaté, tvárne, nemagnetické, nekaliteľné, majú veľký elektrický odpor, zväčšenú odolnosť ku korózii a žiarupevnosť. V liatinách pôsobí grafitizačne, podporuje vznik sivej liatiny. Co – kobalt – ako prísada do ocelí ma len špecifický význam. Pridáva sa do najhodnotnejších rýchlorezných ocelí lebo zvyšuje rezivosť nástroja. 3-35% sa pridáva do ocelí na magnety. Ocele s obsahom Co sa nemenia, zostávajú

perlitické. Co pomaly zvyšuje pevnosť a súčastne znižuje vrubovú húževnatosť. Pri liatinách podporuje kryštalizáciu sivej liatiny. Cr – chróm – najpoužívanejšia prísada, zlepšuje vlastnosti ocelí takmer vo všetkých smeroch. Spôsobuje zvýšenie pevnosti, tvrdosti a odolnosti proti opotrebeniu, zlepšenie žiarupevnosti. 4-8% Cr sú ocele dobre prekaliteľné, vznikajú ocele samokaliteľné – martenzitické. Nad 12% Cr sú ocele koróziivzdorné, kyselinovzdorné a žiarupevné. Pri obsahu 15-30% vznikajú ocele feritické. V liatinách je karbidotvorným prvkom, podporuje vznik bielych liatin. W – volfrám – zvyšuje teplotu A3 rýchlejšie ako pri Cr a už pri 2,5%W sa stáva oceľ feritickou. Mechanické vlastnosti zlepšuje menej ako Cr, podporuje jemnozrnnosť ocelí, ocele sú pri vyšších teplotách stále – žiarupevné, s uhlíkom tvorí karbidy – zvýšená odolnosť proti opotrebeniu. Ako prísada sa používa najmä do nástrojových ocelí v rozsahu 1 až 20%. V – vanád – feritotvorný prvok, zmenšuje oblasť austenitu a posúva čiaru A1 nahor. Do 0,3% sa používa na dezoxidáciu a odsírenie ocelí. Do 0,5% zväčšuje prekaliteľnosť, do 1% zabezpečuje jemnozrnnosť ocelí, zvyšuje húževnatosť. Pridáva sa do ocelí na nitridovanie, lebo tvorí tvrdé nitridy. Do 4% zlepšuje žiarupevnosť, zvyšuje medzu tečenia a únavy. Do 5% sa pridáva do rýchlorezných nástrojových ocelí lebo je karbidotvorným prvkom. Mo – molybdén – pridáva sa v rozmedzí 0,2 až 1%. Zlepšuje prekaliteľnosť a obrobiteľnosť, odstraňuje náchylnosť k zhrubnutiu austenitického zrna, odstraňuje popúšťaciu krehkosť a zlepšuje medzu tečenia. Zlepšuje žiarupevnosť. Al – hliník – je dezoxidačnou prísadou a používa sa na výrobu ukľudnených ocelí. Je feritotvorným prvkom, zmenšuje oblasť austenitu a už pri 1% Al je oceľ feritická bez prekryštalizácie. Zabraňuje starnutiu ocelí lebo viaže dusík, zjemňuje zrnitosť ocelí. 0,9 až 2,9% - žiarupevné ocele, 1 až 6% - žiaruvzdorné ocele, 1 – 3% do ocelí na nitridovanie lebo uľahčuje difúziu dusíka a vytvára najtvrdšie povrchové vrstvy po nitridácii. Ti – titan – feritotvorný prvok, zmenšuje oblasť austenitu. Zlučuje sa s kyslíkom a dusíkom čo pôsobí na ich odstránenie z materiálu. 0,2 – 0,7Ti koróziiodolné, žiaruvzdorné a žiarupevné ocele: zvyšuje u nich pevnosť, húževnatosť a zjemňuje zrno, zabraňuje medzikryštálovej korózii, je drahý, karbidotvorný prvok. Nb – niób, Ta – tantal – pridávajú sa len v desatinách a stotinách percenta, stabilizujú chrómniklové ocele podobne ako Titan, zvyšujú medzu tečenia, zvyšujú žiarupevnosť ocelí, tvoria veľmi tvrdé a stále karbidy. B – bór – zvyšuje prekaliteľnosť a pridáva sa do žiarupevných ocelí. Je mikrolegúrou. V množstve 0,001 – 0,005% sa pridáva do ocelí na zušľachťovanie kde nahrádza deficitné prvky Ni, Mo, Cr. Cu – meď – v železe sa rozpúšťa maximálne 1,4%. Do 0,3% sa pridáva za

účelom zvýšenia odolnosti proti atmosferickej korózii do ocelí tr. 10. Pri obsahu nad 0,5% sa zvyšuje tvrdosť a pevnosť, ale znižuje ťažnosť a húževnatosť. Pri vyšších teplotách je príčinou praskavosti.

ČISTÉ Fe - dve kryštalografické modifikácie α a γ. Modifikácia α je stabilná v

dvoch teplotných oblastiach (do 911oC a nad 1392oC), pričom vysokoteplotná modifikácia sa označuje ako δ. Železo α je feromagnetické a pri teplote 760oC (Curieho bod) sa stáva paramagnetickým. Niekedy sa toto železo označuje ako β.

ΔΤΚ8Κ12Κ8δ

γ

α 760

911

1392

1538 Ttav

T[°C]

Čas

760°C = Curieho

teplota

ΔΤ = teplotná

hysterézia

Alotropické premeny a alotropické modifikácie železa

20 911 1392 15382,86

2,90

3,63

a [ x

10-1

0 m]

T [°C]

α

γδ

Teplotná závislosť od mriežkového parametra

V zliatinách železa sa môže uhlík nachádzať: a) v intersticiálnom tuhom roztoku - rozpustnosť Feγ je väčšia ako

Feα b) ako intermediárna fáza - karbid železa Fe3C (cementit) -

metastabilná sústava c) ako grafit - stabilná sústava UHLÍK V TECHNICKOM ŽELEZE Rozpustnosť uhlíka závisí na modifikácii a na teplote. V modifikácii α

sa uhlík rozpúšťa nepatrne - približne pri teplote 727°C je to 0,018 %C, ale v modifikácii γ sa môže rozpustiť až 2,11 %C. S klesajúcou teplotou rozpustnosť uhlíka sa prudko zmenšuje a pri modifikácii α pri teplote ≈500°C klesá na 0,004% a pri 20°C je rádovo asi 10-7%C.

Príčinou značne rozdielnej rozpustnosti uhlíka v modifikáciách α a γ je rôzny typ kryštálovej mriežky. V mriežke železa γ je tesnejšie usporiadanie atómov, ale sú v nej väčšie voľné priestory, takže sa v nej môže umiestniť atóm uhlíka s atómovým polomerom 0,77.10-10 m, kým do voľných priestorov mriežky α-železa alebo δ-železa sa atóm uhlíka nevojde.

veľkosť voľnýchpriestorov

Schéma umiestnenia atómov uhlíka a veľkosti voľných priestorov v mriežkach K8 a K12

Rovnovážny binárny diagram Fe - Fe3C

Základné pojmy k rovnovážnym binárnym diagramom: likvidus - čiara vyznačujúca začiatok primárnej kryštalizácie zliatin

sústavy solidus - čiara vyznačujúca koniec procesu primárnej kryštalizácie zliatin peritektikála - čiara, ktorá je rovnobežná s osou koncentrácie zložiek

sústavy, vyznačujúca teplotu peritektickej premeny zliatin sústavy

eutektikála - čiara rovnobežná s osou koncentrácie zložiek sústavy, vyznačujúca teplotu eutektickej premeny zliatin sústavy

eutektoidála - čiara rovnobežná s osou koncentrácie zložiek sústavy, vyznačujúca teplotu eutektoidnej premeny zliatin sústavy

Gibbsov fázový zákon - podáva kvantitatívnu závislosť stupňov voľnosti v sústavy od počtu zložiek n, počtu fáz f a termodynamických premenných veličín v = n - f + 1

pákové pravidlo - umožňuje kvantitatívne vyhodnotenie fáz koexistujúcich (súčasne sa nachádzajúcich) v štruktúre kovu za daných rovnovážnych podmienok; [pákové pravidlo je možné použiť iba v oblastiach, ktoré nie sú monofázové (α, γ, δ, T)!!!]

Základné fázy a štruktúrne zložky v systéme Fe-C: Ferit - intersticiálny tuhý roztok C v Fe α alebo Fe δ Austenit - intersticiárny tuhý roztok C v Fe γ Cementit - karbid Fe - Fe3C (intersticiárna zlúčenina)

- primárny, sekundárny, terciárny, eutektický, perlitický Grafit - kryštalický uhlík s hexagonálnou mriežkou Ledeburit - eutektická zmes austenitu a cementitu Transformovaný ledeburit - eutektoidná zmes perlitu a cementitu Perlit - eutektoidná zmes feritu a cementitu Grafitové eutektikum - eutektická zmes austenitu a grafitu Grafitový eutektoid - eutektoidná zmes feritu a grafitu

fázy

ruktúrne

ložky

Metastabilná sústava Fe - Fe3C

A+F

Tδ

(γ)

α

Τ+ΑA

F

F

F+PP

P+CII

II

IT+C

L+C

L* +CL*+P+C

L+A+CA+C

L

L*

II

II

I

I

0,018 0,77 2,11 4,3 6,668

1360°C

723°C

911

1392

1538

1148°C

Fe C3

F+C III

T

Τ+δδ

Α

Τ+Αδ+Α

0,1 0,16 0,53

1499°C

T[°C]

hmot.%C

!!! Medzi fázy je možné zaradiť iba tuhé roztoky ako sú: ferit, cementit, austenit (tavenina)!!! V prípade ak je potrebné zakresliť diagram Fe - Fe3C, pričom sa uvedú

iba fázy, potom tento diagram bude vyzerať nasledovne:

T+Fe3CI

Tavenina

(γ)

Τ+ΑAustenit

δ Ferit

FeritA+Fe3C

0,018 0,77 2,11 4,3 6,668

1360°C

724°C

911

1392

1538

1148°C

Fe3C

T[°C]

hmot.%C

F + Fe3C

1153°C

738°C2,08

4,26

0,69

ocele liatiny

Metastabilná sústava (železo-karbid železa)Stabilná sústava (železo-grafit)

1499°C

A+F

podeutek-toidné

nadeutek-toidné podeutektické nadeutektické

Zliatiny metastabilnej sústavy Fe - Fe3C sa rozdeľujú do dvoch hlavných

skupín: 1) ocele - sú to zliatiny železa s uhlíkom do 2,14 %C 2) liatiny - sú to zliatiny železa s uhlíkom od 2,14 %c do 6,67 %C

Ocele sa rozdeľujú podľa obsahu uhlíka do týchto skupín: a) podeutektoidné ocele - do 0,8 %C b) eutektoidná oceľ - obsah uhlíka je 0,8 %C c) nadeutektoidné ocele - obsah uhlíka je od 0,8 %C do 2,14 %C

Liatiny sa rozdeľujú podľa obsahu uhlíka na: a) podeutektické liatiny - obsah uhlíka je od 2,14 do 4,3 %C b) eutektické liatiny - obsah uhlíka je 4,3 %C

c) nadeutektické liatiny - obsah uhlíka je od 4,3 do 6,67 %C O tom, či zliatiny železa s uhlíkom budú kryštalizovať v zhode s

metastabilnou alebo stabilnou sústavou rozhoduje celý rad okolností, ale predovšetkým to sú:

- prítomnosť ďalších prvkov - napr. Mn podporuje kryštalizáciu v meta- stabilnej sústave, ale Si v stabilnej sústave

- rýchlosť ochladzovania - rýchle ochladzovanie podporuje kryštalizáciu v zhode s metastabilným diagramom, pomalé so stabilným diagramom

- obsah uhlíka - zliatiny železa s obsahom uhlíka do 2,11 %C kryštalizujú prevažne v metastabilnom diagrame, nad 2,11 %C prebieha kryštalizácia podľa okolností uvedených v predchádzajúcich dvoch bodoch

Popis kryštalizácie v metastabilnej sústave

Primárna kryštalizácia v oblasti ocelí Pod pojmom primárna kryštalizácia sa rozumie premena taveniny na

kryštalické fázy. Primárna kryštalizácia prebieha rôznymi spôsobmi v závislosti od obsahu uhlíka. Pri podeutektických zliatinách železa s uhlíkom (okrem podperitektických zliatin - do 0,16%C - z taveniny vzniká δ-ferit) z taveniny vzniká austenit. Pri nadeutektických zliatinách železa s uhlíkom je celkom odlišný spôsob primárnej kryštalizácie.

Popis kryštalizácie zliatin s veľmi nízkym obsahom uhlíka pod 0,1 %

Nad teplotou likvidu je prítomná

iba jedná fáza - tavenina. Pri teplote označenej bodom 1 začína kryštalizácia δ-feritu z taveniny. Pri teplote označenej bodom 2 všetka tavenina sa premení na kryštály δ-feritu. Zloženie týchto kryštálov sa pri ďalšom ochladzovaní nemení až do teploty označenej bodom 3, kedy začne fázová premena homogénneho δ-feritu na austenit. Táto premena prebieha postupne v intervale teplôt onačených bodmi 3 a 4. Pod teplotou

4 je fázová premena ukončená a štruktúru tvoria iba kryštály austenitu.

0,4 0,8 1,21300

1400

1500Tavenina

T + γ

T+

γ

δ+γ

δ δ

1

2

4

5

obsah uhlíka [hm.%]

teplota [°C]

3

Tav.

δ1-2. δ

δδ 2-3. 3-4.δ

δ

δ

Popis kryštalizácie zliatin s obsahom uhlíka 0,1 ÷ 0,16 %

Pri kryštalizácii sa vylučujú primár- ne kryštály δ-feritu (bod 1). Ich množstvo s klesajúcou teplotou rastie a ich zloženie sa mení v zhode s čiarou rozpustnosti uhlíka v δ-ferite (medzi bodmi 1 a 2). Pri teplote 1499°C (bod 2) prebehne izotermická peritektická premena, pri ktorej kryštály δ-feritu reagujú s taveninou za vzniku austenitu. Táto reakcia prebieha pri konštantnej teplote, pretože sústava nemá podľa Gibbsovho fázového pravidla žiadny

stupeň voľnosti.

0,4 0,8 1,21300

1400

1500Tavenina

T + γ

γ

δ+γ

δ

T+δ

obsah uhlíka [hm.%]

teplota [°C]

1

2

3

4

Τ

δ1-2. 2-3. 3-4.

A

AA

A

δ

Podľa koncentrácie uhlíka v zliatine vznikajú pri peritektickej

reakcii iba kryštály austenitu (v prípade koncentrácie prechádzajúcej bodom peritektickej reakcie - 0,16 %C), prípadne sa pri peritektickej premene spotrebuje iba časť kryštálov δ-feritu na premenu na austenit a zvyšková tavenina sa premení na austenit. V oblasti teplôt vyznačených bodmi 2 a 3 sa zvyšná časť kryštálov δ-feritu postupne mení na austenit. Pod teplotou 3 je štruktúra tvorená iba kryštálmi austenitu.

Popis kryštalizácie zliatin s obsahom uhlíka 0,16 ÷ 0,53 %

Podobne ako v predchádzajúcom

prípade prebieha primárna kryštalizácia taveniny. Primárne kryštalizuje δ-ferit (bod 1) z taveniny. Počet kryštálov δ-feritu sa zvyšuje až po teplotu 1499°C (bod 2 - čiara peritektickej reakcie), pri ktorej tieto kryštály reagujú s taveninou za vzniku kryštálov austenitu, čiže na čiare peritektickej premeny sa kryštály δ-feritu izotermicky menia na austenit. Keďže je prebytok taveniny, pri peritektickej premene

sa všetka nespotrebuje, potom pod teplotou peritektickej reakcie je štruktúra tvorená taveninou a kryštálmi austenitu.

0,4 0,8 1,21300

1400

1500Tavenina

T + γ

γ

δ+γ

δ

T+δ

obsah uhlíka [hm.%]

teplota [°C]

1

2

3

4

V oblasti teplôt vyznačených bodmi 2 a 3 dochádza k postupnej premene taveniny na kryštály austenitu. V bode 3 je ukončená primárna kryštalizácia a štruktúra je pod týmto bodom tvorená iba kryštálmi austenitu.

Τ

δ1-2. 2-3. 3-4.

A

AA

Τ

A

Popis kryštalizácie zliatiny s obsahom uhlíka 0,53 ÷ 2,11 %

Ak pri ochladzovaní taveniny dosiahneme teplotu vyznačenej bodom 1, začínajú sa z taveniny vylučovať prvé kryštály austenitu. Ich množstvo s klesajúcou teplotou rastie na úkor taveniny (oblasť medzi bodmi 1 a 2). Pri teplote označenej bodom 2 sa všetka tavenina premenila na austenit, ktorý zostáva pod touto teplotou ako jediný štruktúrny útvar.

0,4 0,8 1,21300

1400

1500Tavenina

T + γ

γ

δ+γ

δ

T+δ

obsah uhlíka [hm.%]

teplota [°C]

1

2

3

T

A1-2. 2-3.A

AA

Sekundárna kryštalizácia v oblasti ocelí Pod pojmom sekundárna kryštalizácia sa rozumie premena jednej

kryštálovej mriežky na druhú - prekryštalizácia. V oblasti ocelí prebieha v dvoch hlavných oblastiach koncentrácií.

Prvou oblasťou je kryštalizácia podeutektoidných ocelí, kde sú možné dva spôsoby kryštalizácie (oblasť do 0,018 %C a oblasť od 0,018 do ≈0,8 %C) a druhou oblasťou je kryštalizácia nadeutektoidných ocelí. Oblasti sú charakteristické tým, že dochádza k obohacovaniu (oblasť podeutektoidných ocelí) alebo ochudobňovaniu (oblasť nadeutektoidných ocelí) austenitu o uhlík.

Popis kryštalizácie zliatiny s obsahom uhlíka do 0,018 %

Pri ochladzovaní z oblasti

homogénneho austenitu sa pri teplote označenej bodom 1 začínajú tvoriť zárodky α-feritu na hraniciach austenitických zŕn. V oblasti medzi bodmi 1 a 2 postupne sa austenit v miestach zárodku α-feritu ochudobňuje o uhlík, čím sú vytvorené vhodné podmienky na rast týchto feritických zárodkov. Pri teplote vyznačenej bodom 2 sa ukončí premena austenitu na α-ferit a pod touto teplotou existujú iba kryštály α-feritu až do bodu 3, kedy sa v dôsledku zníženia rozpustnosti uhlíka v α-ferite vylučuje

prebytočný uhlík vo forme zŕn, prípadne nespojitých obálok po hraniciach zŕn feritu ako terciárny cementit.

0,018 0,05 0,1

700

900

500

Austenit

A+F

F

F + P

F+Fe C3 III

1

2

3

4teplota [°C]

obsah uhlíka [hm.%]

Vylučovanie terciárneho cementitu z α-feritu je jednou z príčin vzniku krehkosti nízkouhlíkových ocelí, ktorú označujeme ako starnutie ocelí.

1. 1-2. 2-3.A

AA

A

AA

FF

FFF

F

Fe C3 III

3-4.F

Popis kryštalizácie zliatiny s obsahom uhlíka 0,018 ÷ ≈0,8 %

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4

700

900

1100

723°C

1148°C

obsah uhlíka [hm.%C]

teplota [°C]

1

2

3

Austenit

A+CII

A+F

P+CF+P II

Pri ochladzovaní austenitu na

teplotu označenú bodom 1 sa austenit stáva nestabilným a začínajú vznikať na hraniciach austenitických zŕn zárodky feritu. V intervale teplôt označených bodmi 1 a 2 zárodky rastú v smere do austenitických zŕn, pričom dochádza k obohacovaniu austenitu o uhlík až na eutektoidnú koncentráciu (≈0,8 %C - koncentrácia sa určí podľa pákového pravidla). Pri teplote eutektoidnej premeny (bod 2) je prebytok kryštálov

austenitu, ktoré sa ešte nestihli pretransformovať.

Tieto kryštály sa pri konštantnej (izotermickej) teplote premenia

(vzhľadom na koncentráciu uhlíka v austenite 0,8 %C) na perlit. Pod teplotou označenou bodom 2 budú existovať v štruktúre iba zrná feritu a perlitu.

1. 1-2. 2-3.A

AA

AA

AF

PP

PF

Popis kryštalizácie zliatiny s obsahom uhlíka ≈0,8 %

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4

700

900

1100

723°C

1148°C

obsah uhlíka [hm.%C]

teplota [°C] Austenit

A+CII

A+F

P+CF+P II

Pri tuhnutí zliatiny s eutektoidnou

koncentráciou uhlíka sa z austenitu po dosiahnutí eutektoidnej teploty (723°C) izotermicky premení austenit na zmes dvoch fáz ferit a eutektoidný cementit, ktorý sa nazýva perlit.

Perlit má zväčša lamelárny charakter (doštičky feritu sú uložené rovnobežne s doštičkami cementitu). Hrúbka lamiel závisí najviac od rýchlosti ochladzovania.

1. 1-2.AA

A PP

P

Popis kryštalizácie zliatiny s obsahom uhlíka 0,8 ÷ 2,11 % Pri ochladzovaní ocele nadeutektoidnej koncentrácie dochádza k presýteniu austenitu uhlíkom. Pri teplote označenej bodom 1 sa z presýteného austenitu začínajú vylučovať zárodky sekundárneho cementitu na hraniciach zŕn. V intervale teplôt označenom bodmi 1 a 2 sa podľa čiary rozpustnosti uhlíka v austenite mení chemické zloženie austenitu (pákové pravidlo) a cementitická fáza rastie. Môže vytvoriť tzv. cementitické sieťovie = súvislá obálka na hraniciach pôvodných austenitických zŕn.

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4

700

900

1100

727°C

obsah uhlíka [hm.%C]

teplota [°C]

Austenit

A+CII

A+F

P+CF+P II

1148°C

1

2

3

Pri teplote označenej bodom 2 sa zvyšný austenit s eutektoidnou koncentráciou izotermicky premení na perlit a pod touto teplotou je štruktúra tvorená zrnami perlitu, na hraniciach ktorého je vylúčený sekundárny cementit.

1. 1-2. 2-3.AA

AAA

AC

PP

PC

II

Popis kryštalizácie podeutektickej liatiny (2,11 ÷ 4,3 %C)

Kryštalizácia týchto zliatin začína vznikom kryštálov austenitu z taveniny. Zloženie vznikajúcich kryštálov sa plynulo mení v zhode s čiarou solidus a taveniny v zhode s čiarou likvidus. Tavenina sa postupne obohacuje uhlíkom, až pri teplote 1148°C má obsah uhlíka 4,3 % a začne kryštalizovať izotermicky (pretože sústava nemá žiadny stupeň voľnosti) na eutektikum, čo je zmes kryštálov austenitu a cementitu, ktorá sa nazýva ledeburit. Pri poklese teploty sa z primárneho i eutektického austenitu vylučuje uhlík v zhode s čiarou rozpustnosti sekundárneho cementitu v austenite vo forme sekundárneho cementitu.

Pri eutektoidnej teplote (723°C) má austenit už iba 0,8 % uhlíka a mení sa eutektoidnou reakciou na perlit. Tým končia v podstate štruktúrne zmeny. Zliatiny obsahujú potom tieto štruktúrne zložky: cementit ledeburitický, cementit sekundárny vzniknutý segregáciou z austenitu a perlit.

A

A

T

L

A A

CIIL

AP

CII

P

L T

Popis kryštalizácie eutektickej zliatiny s obsahom uhlíka 4,3 %C

Pri teplote 1148°C vzniká izotermickou premenou eutektikum - ledeburit. Pod touto teplotou segreguje z kryštálov austenitu sekundárny cementit. Keď teplota dosiahne 723°C, prebehne eutektoidná premena ledeburitického austenitu. V štruktúre je prítomný: ledeburitický cementit, sekundárny cementit a perlit.

L

CII

L

CII

L*L

L L

L

Popis kryštalizácie nadeutektickej liatiny (4,3 ÷ 6,67 %C) Z taveniny primárne kryštalizujú zárodky cementitu akonáhle pretne

koncentrácia čiaru likvidusu. Zloženie kryštálov cementitu sa počas kryštalizácie nemení a zloženie taveniny sa mení v zhode s čiarou likvidusu - tavenina sa ochudobňuje o uhlík. Pri teplote 1148°C má tavenina 4,3 % uhlíka (eutektické zloženie). Pri tejto teplote prebehne eutektická kryštalizácia, pri ktorej vznikajú súčasne kryštály austenitu a cementitu (ledeburit). Po skončení premeny sú v štruktúre prítomné kryštály cementitu uložené v matrici ledeburitu. Pri ochladzovaní pod 1148°C dochádza k segregácii sekundárneho cementitu a pri 723°C prebehne eutektoidná premena austenitu na perlit. V zliatine sú potom prítomné tieto štruktúrne zložky: primárny cementit, ledeburitický cementit, sekundárny cementit a perlit.

T

L CIIL CIIL*CI

CICI CICI CI

CI