KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Fémek és ötvözetek egyensúlya
14. lecke: Fe-C ötvözetek egyensúlyi diagramja
| |||||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | |||||||
| |||||||
![]() | Fe-C egyensúlyi diagram | ||||||
Vas- Karbon diagram | |||||||
| |||||||
Eltérések az eddig tárgyalt diagramokhoz képest | |||||||
| |||||||
Az eltérések oka | |||||||
| |||||||
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? | |||||||
| |||||||
Tehát | |||||||
| |||||||
Miért gyakoribb a kötött, vaskarbidos forma? | |||||||
| |||||||
| |||||||
Megjegyzés: a '-ős pontok a grafitos rendszerre vonatkoznak Az adatokat Hume-Rothery 1960-ban publikálta. | |||||||
A vasötvözetek csoportosítása | |||||||
| |||||||
![]() | 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. | |||||||
| |||||||
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) | |||||||
| |||||||
Az AB likvidusz elhanyagolásával egészen 4,3% C-ig a kristályosodás a BC likvidusz és a JE szolidusz szerint szilárd oldat formájában történik. Ezt a szilárd oldatot Robert Austenről, ausztenitnek nevezik. | |||||||
| |||||||
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 Fe-ban oldott C) .Korlátozottan oldja a karbont, | ||||||
| |||||||
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. | ||||||
| |||||||
A C pontban metszi egymást a két likvidusz, tehát eutektikus kristályosodás jön létre. | |||||||
Az eutektikum neve Ledebur angol tudós nyomán ledeburit | |||||||
| |||||||
A ledeburit 1147 C°-on képződik 4,3 %C olvadékból. | |||||||
Szilárd állapotban végbemenő átalakulások | |||||||
| |||||||
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. |
| ||||||
Allotróp átalakulás | |||||||
| |||||||
a lapközepes köbös ausztenit a szín vas A3 pontjából kiinduló GS kezdő és GP befejező görbék által meghatározott hőmérséklet közben térközepes köbös szilárd oldattá, szövetelemi nevén ferritté alakul | |||||||
| |||||||
Tisztán ferrit csak az egészen kis C tartalmú vasötvözetekben található | A ferrit szilárd oldat, térközepes köbös rácsú -Fe-ban intersztíciósan oldott C. | ||||||
Eutektoidos folyamat | |||||||
Az S pontban metszi egymást az allotróp átalakulás kezdő (GS) és a korlátozott oldóképesség (ES) vonala. | |||||||
Az eutektoidos folyamat 723 C°-on a PSK vonalon játszódik le az alábbi módon: | |||||||
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. | ||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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) |
| ||||||
Elektronmikroszkópos felvétel |
| ||||||
A keletkező perlit kétfázisú szövetelem, eutektoid 723 C°-on képződik | |||||||
Tercier (harmadlagos) cementit kiválás | |||||||
Az allotróp átalakulással képződő t.k.k. rácsú 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. | |||||||
| |||||||
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. | |||||||
| |||||||
![]() | ![]() Az ábrán megfigyelhető az ausztenit, a ferrit és a különböző, jellegzetes ötvözetek szövetszerkezete. | ||||||
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 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. |
| ||||||
Öntöttvasak | |||||||
| |||||||
Hipoeutektikus öntöttvas | |||||||
| |||||||
Hipereutektikus öntöttvas | |||||||
Megjegyzés: A tulajdonságai annyira kedvezőtlenek (rideg, kemény), hogy 4,5 % C fölött sohasem használjuk. |
| ||||||
![]() | Vas -C (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 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: | |||||||
A szövetelem neve grafitos eutektikum | |||||||
| |||||||
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. |
| ||||||
Eutektoidos folyamat | |||||||
Az ausztenit átalakulása a grafitos rendszer szerint is végbemegy, mégpedig 738 C°-on a P'S'K' vonalon. | |||||||
Ez a grafitos eutektoid. | |||||||
Hipoeutektoidos öntöttvas (egyensúlyi helyzet) | |||||||
| |||||||
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 | |||||||
|
Ellenőrző kérdések | |||||||||
Jelölje meg az egy helyes megoldást! | |||||||||
1. Miért a 6,67 % C -nál ér véget az Fe - Fe3C egyensúlyi diagram?
![]() | |||||||||
2. Milyen formában jelenhet meg a karbon a vasötvözetekben?
![]() | |||||||||
3. Hogyan érhetjük el a stabil grafitos rendszer szerinti állapotot?
![]() | |||||||||
4. Milyen fázisai vannak a ledeburitnak a képződés hőmérsékletén?
![]() | |||||||||
5. Hol vannak megállási pontok a színvas lehűlési görbéjén?
![]() | |||||||||
6. Mennyi a szabadsági fokok száma az eutektikum kristályosodása során?
![]() | |||||||||
7. Milyen szilárd oldatok vannak az Fe - Fe3C rendszerben?
![]() | |||||||||
8. Mit nevezünk perlitnek?
![]() | |||||||||
9. Milyen szövetszerkezete van a hipoeutektoidos (szerkezeti) acéloknak szobahőmérsékleten egyensúlyi hűtés hatására?
![]() | |||||||||
10. Válassza ki az egy helyes állítást!
![]() | |||||||||
11. Melyek a vasötvözetek szilárd oldat fázisai?
![]() | |||||||||
12. Hogyan befolyásolja a C tartalom a hipoeutektoidos (szerkezeti) acélok szövetszerkezetét és mechanikai tulajdonságait?
![]() |