KURZUS: Mérnöki 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 % C1/5
visszaelőre
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