Cementit i ferit u perlitnim čelicima. Perlitni čelici koji se sastoje od perlita i cementita
Perlitna struktura je dobio ime po tome što nakon jetkanja pod mikroskopom ima biserni sjaj.
U raspon transformacije perlita austenita formiran je perlitna struktura- mehanička mješavina feritnih i cementitnih ploča. Brzina stvaranja jezgri kristalizacije perlita ovisi o prekomjernom hlađenju austenita u odnosu na temperaturu ravnoteže stvaranja cementita. Ova hipotermija se povećava s padom temperature. Rast otočića perlitna struktura ovisi uglavnom o brzini difuzije atoma ugljika i željeza. Drugi odlučujući čimbenici su stupanj prehlađenja i dobitak slobodne energije tijekom stvaranja ferita.
Mehanizmi nastanka strukture perlita
Perlitni otoci rastu ne samo zbog stvaranja novih ploča, već i zbog rasta starih ploča u svim smjerovima. Karbidne ploče rastu brže od feritnih ploča. Proces, međutim, počinje stvaranjem feritnih jezgri. Mehanizam nastanka strukture perlita još uvijek nije u potpunosti razjašnjen. Klasični perlit je skup tzv. perlitnih kolonija, koje se sastoje od izmjeničnih paralelnih ploča ferita i cementita (slika 1).
Slika 1 - Eutektoidni perlit
Perlitne jezgre pojavljuju se uglavnom u oštećenim područjima na granicama zrna, na netopljivim karbidima ili nemetalnim inkluzijama.
Najvažnija karakteristika perlita je razmak između njegovih ploča – međupločni razmak (slika 2). Kako se ta udaljenost smanjuje, povećavaju se svojstva čvrstoće čelika.
; naziv je predložio Howe i odnosi se na sedefasti sjaj (perlit nalikuje sedefu). Perlit je eutektoidna smjesa dviju faza – ferita i cementita (kod legiranih čelika – karbida). Perlit– produkt eutektoidne razgradnje austenita tijekom sporog hlađenja Fe-C legura ispod 723°C. Austenit (γ-željezo) prelazi u α-željezo, koje sadrži oko 0,02% ugljika; višak ugljika oslobađa se u obliku cementita ili karbida.
Struktura perlita
Ovisno o obliku postoje lamelarni I granulirani perlit. Struktura lamelarnog perlita prikazana je na prvoj slici, struktura zrnastog perlita prikazana je na drugoj slici.
Raspršene vrste perlita ponekad se naziva sorbitol i troostit.
Tako, perlit, sorbitol i troostit su strukture iste prirode (ferit + cementit), produkti razgradnje austenita, koji se razlikuju u stupnju disperzije ferita i cementita.
Zrnati perlit i lamelirani perlit
Strukture perlita mogu biti dvije vrste: lamelarne i granularne. U granuliranom perlitu cementit se nalazi u obliku zrna. U lamelarnom perlitu cementit se nalazi u obliku ploča (vidi sliku).
ICM (www.site)
Homogeni (homogeni) austenit uvijek prelazi u lamelarni perlit. Zagrijavanje na visoku temperaturu, kada se stvore uvjeti za stvaranje jednoličnije strukture, pospješuje pojavu lamelarnih struktura. Nehomogen austenit pri svim stupnjevima prehlađenja daje granulirani perlit. Zagrijavanjem na nisku temperaturu dolazi do stvaranja granuliranog perlita (za hipereutektoidni čelik ispod A C3; kritična točka A C3 je kraj otapanja sekundarnog cementita u austenitu). Vjerojatno, stvaranje granuliranog cementita doprinose da čestice ostanu neotopljene u austenitu, a koje su dodatni centri kristalizacije.
Kada je čelik prvotno zagrijan na 900°C, dobiven je lamelarni perlit, s nižom temperaturom koja daje disperzniju strukturu. U istom čeliku pri istim temperaturama transformacije, ali nakon niskog zagrijavanja (780°), dobiven je zrnasti perlit.
Veličina zrna cementita u perlitu ovisi o temperaturi transformacije austenita, a oblik cementita u perlitu ovisi o temperaturi zagrijavanja (odn. temperature austenitizacije).
Svojstva perlita
Svojstva perlita ovise o vrsti, veličini i obliku zrna cementita, razmaku između ploča, kao i drugim čimbenicima. Vlačna čvrstoća lamelarnog perlita je 80 kg/mm, relativno istezanje je 10-12%. Čvrstoća i tvrdoća zrnatog perlita je nešto manja, ali su njegova plastična svojstva veća. Zahvaljujući α-željezu, perlit ima magnetska svojstva.
Tvrdoća perlita
Vrijednosti perlitna tvrdoća, ovisno o strukturi i stupnju disperznosti, može varirati od Kada je struktura perlita disperznija, njegova se tvrdoća povećava. Ovisnost tvrdoće o međupločnoj udaljenosti (S) različitih struktura perlita prikazana je u tablici:
Vrijednosti tvrdoće perlita iz različitih izvora: tvrdoća lamelarnog perlita 180-230 HB, tvrdoća granuliranog perlita 160-190 HB.
Ekspandirani perlit
Perlit se naziva i kiselo vulkansko staklo s finom strukturom, po kojoj se cijepa u male kuglice, ponekad ima biserni sjaj. Sastav takvog ekspandiranog perlita,%: SiO 2 65-75; Al203 10-15; Fe2O3 1,5-2,5; CaO 1,5-2,5; MgO 1,5-2,0. Ekspandirani perlit sadrži do 3-6% konstitucionalne (vezane) vode. Kada se brzo zagrije, voda sadržana u ovom perlitu isparava, bubreći stijenu s povećanjem volumena do 10-20 puta. Temperatura bubrenja 850-1200°C. Ekspandirani perlit ima volumetrijsku masu od 70-600 kg/m 3, što mu omogućuje da se koristi kao lagano punilo u toplinsko-izolacijskim proizvodima.
Ekspandirani perlit se prvenstveno koristi u građevinarstvu: u proizvodnji učinkovite žbuke, opeke i blokova od umjetnog perlitnog kamena (čije su prednosti mala težina i laka obrada), kao zvučno izolirano punilo, izolacija itd. Osim toga, ekspandirani perlit se koristi u poljoprivredi i više.
Lit.:
Glavne komponente o kojima ovisi struktura i svojstva legura željeza i ugljika su željezo i ugljik. Čisto željezo je srebrnobijeli metal s talištem od 1539 °C. Željezo ima dva polimorfa: ) . Modifikacija postoji na temperaturama ispod 911 °C i iznad 1392 °C; gama željezo – na temperaturi od 911-1392 °C. Ovisno o temperaturi i koncentraciji ugljika u legurama željezo-ugljik (čelici i lijevano željezo) nastaju sljedeće čvrste faze: ferit, austenit, cementit, grafit.
1. Ferit(F) – čvrsta otopina interkalacije ugljika u alfa željezu.
Alfa željezo ima bcc strukturu koja je stabilna do 911 °C. Najveća topljivost ugljika u alfa željezu je 0,02% na 727 °C. Snižavanjem temperature smanjuje se i topljivost ugljika, koja na sobnoj temperaturi iznosi 0,005% mase. Zbog toga se ferit naziva tehnički čistim željezom; ima malu tvrdoću (HB = 80-100) i čvrstoću (vlačna čvrstoća = 250 MPa), ali veliku duktilnost (relativno istezanje do 50%, relativno skupljanje do 80%). .
Na temperaturama od 1392 °C do 1539 °C željezo također ima bcc strukturu – to je delta željezo. Čvrsta otopina interkalacije ugljika u delta željezu naziva se visokotemperaturni ferit.
2. Austenit(A) – čvrsta otopina intersticijalnog ugljika u gama željezu.
Austenit ima FCC strukturu. U legurama željeza i ugljika austenit može postojati samo pri visokim temperaturama. U gama željezu ugljik se otapa mnogo bolje nego u alfa željezu; maksimalna topljivost ugljika u gama željezu je 2,14% i opaža se na temperaturi od 1147 ° C. Kako se temperatura smanjuje, topljivost ugljika se smanjuje na 0,8% pri 727 °C. Austenit ima tvrdoću HB = 160-200 i vrlo je duktilan (relativno istezanje 40-50%), uočeno u čelicima na temperaturama od 727 °C.
3. Cementit(C) je kemijski spoj željeza i ugljika (željezov karbid Fe 3 C). Cementit sadrži 6,67% ugljika. Talište cementita je oko 1600 °C. Vrlo je tvrd (HB oko 800 jedinica), krt i praktički nema duktilnosti. Razlikuju se primarni, sekundarni i tercijarni cementit. Njihove razlike leže u njihovom podrijetlu:
- primarni cementit nastaje iz tekuće taline tijekom kristalizacije legura željeza i ugljika (linija CD),
- sekundarni cementit ispada iz austenita (zbog smanjenja topljivosti ugljika u austenitu s padom temperature - SE linija)
- tercijarni cementit pada iz ferita s padom temperature (zbog smanjenja topljivosti ugljika u feritu s padom temperature - linija PQ)
Cementit je nestabilna metastabilna faza. Pri zagrijavanju i dužem držanju cementit se raspada na ferit (alfa željezo) i grafit (Fe 3 C -> 3Fe + C).
4. Grafit– čisti ugljik s heksagonalnom slojevitom strukturom. Grafit je vrlo mekan (HB = 3) i ima malu čvrstoću. U lijevanom željezu i grafitiziranom čeliku nalazi se u obliku uključaka različitih oblika (pločasti, pahuljičasti, kuglasti). Promjenom oblika grafitnih uključaka mijenjaju se mehanička i tehnološka svojstva legure.
Osim četiri navedene faze, struktura željezo-ugljičnih legura sadrži još dvije neovisne strukturne komponente: perlit i ledeburit.
5. Perlit(P) – mehanička smjesa ferita i cementita koja sadrži 0,8% ugljika.
Perlit nastaje iz austenita kada se ohladi na temperaturu ispod 727 °C. Dakle, perlit je eutektoidni. Perlit može biti lameliran i zrnast (globularan), što ovisi o obliku cementita i određuje mehanička svojstva perlita. Na sobnoj temperaturi granulirani perlit ima vlačnu čvrstoću od 800 MPa, relativno istezanje od 15%, i tvrdoću od HB = 160.
6. Ledeburit(L) – mehanička mješavina austenita i cementita (L = A + C), koja sadrži 4,3% ugljika.
Ledeburit nastaje iz tekuće taline na temperaturi od 1147 °C. Dakle, ledeburit je inherentno eutektik. Ledeburit nastaje kada se tekuća talina skrutne na 1147 °C. Ledeburit ima tvrdoću HB = 600-700 HB i veliku krtost. Ledeburit se uočava u strukturi lijevanog željeza, u čeliku se formira samo s velikim brojem legirajućih elemenata i sadržajem ugljika većim od 0,7%.
Kada se ledeburit ohladi na temperaturu od 727 ° C, austenit koji je uključen u njegov sastav postaje nestabilan i raspada se, pretvarajući se u perlit. Tako je na temperaturama ispod 727 °C i do 20 °C ledeburit mehanička smjesa perlita i cementita.
| Ferit | Austenit | Cementit | Grafit | Perlit | Ledeburit | |
| Esencija | ugljična intersticijska čvrsta otopina u alfa željezu | ugljikov intersticijska čvrsta otopina u gama željezu | kemijski spoj željeza i ugljika | čisti ugljik | mehanička mješavina ferita i cementita | mehanička mješavina austenita i cementita |
| Oznaka | F ili -Fe(C) | A ili -Fe(C) | C ili Fe 3 C | G | P = F + C = Fe? (C) + Fe 3 C |
L = A + C = Fe? (C) + Fe 3 C |
| Tvrdoća HB | 80-100 | 160-200 | 800 | 3 | 160 | 600-700 |
| Sadržaj ugljika | do 0,02% | do 2,14% | 6,67% | 100% | 0,8% | 4,3% |
Faze i strukturne komponente legura željezo-ugljik
Osim navedenih strukturnih komponenti, legure željeza i ugljika mogu sadržavati nepoželjne nemetalne inkluzije: okside, nitride, sulfide, fosfide - spojeve s kisikom, dušikom, sumporom i fosforom.
PERLIT– strukturna komponenta u ugljičnim i legiranim čelicima i lijevanom željezu, koja nastaje tijekom eutektoidne transformacije ( cm METAL SCIENCE PHYSICAL) prema faznom dijagramu željezo-ugljik. Perlit se sastoji od dvije faze - ferita i cementita, ferit je željezo s vrlo malim udjelom ugljika (do 0,03%), a cementit je kemijski spoj Fe 3 C koji sadrži 6,67% C po težini. Prosječni sadržaj ugljika u perlitu je 0,8% C, a čelik s potpuno perlitnom strukturom koji sadrži 0,8% ugljika naziva se eutektoid. Kada je sadržaj ugljika manji od 0,8%, čelik se sastoji od perlita i ferita, ako je sadržaj ugljika veći od 0,8%, sastoji se od perlita i, u skladu s faznim dijagramom željezo-ugljik.
U metalografskim istraživanjima proučava se dio metalne površine (metalografski presjek), koji se podvrgava brušenju, poliranju i kemijskom jetkanju s posebno odabranim reagensima. Kemijska aktivnost cementita veća je od one ferita, pa pod mikroskopom jako urezana područja cementita izgledaju crna, dok područja ferita ostaju svijetle boje.
Perlit obično ima lamelarnu strukturu, svako zrno perlita sastoji se od paralelnih ploča ferita i cementita širine desetinki mikrona. Duljina ploča odgovara veličini metalnih zrna, a ploče idu od jedne granice zrna do druge. Ako se takva volumetrijska lamelarna struktura presječe tankom plohom presjeka i podvrgne jetkanju, tada se na njezinoj površini pojavljuje trakasta struktura svijetlih traka ferita i tankih traka cementita. Kod različitih toplinskih obrada širina traka (međupločni razmak) može biti različita, širina cementitnih traka je 7 puta manja od širine feritnih traka. Duljim izlaganjem visokim temperaturama zrna ferita i cementita mogu se transformirati iz lamelarnog oblika u zaobljeni, a mala, tamna, zaobljena zrna cementita uočavaju se na metalografskom presjeku na pozadini velikih zrna ferita.
Perlit je proizvod eutektoidne transformacije visokotemperaturne faze - austenita tijekom toplinske obrade legura. Austenit se, kada se ohladi na temperaturu od 723° C, raspada na ferit i cementit. Transformacija perlita uvijek počinje na granicama zrna austenita. Da bi nastale čestice nove faze, potrebno je stvoriti zone niske i visoke koncentracije ugljika. Izvorni austenit sadrži 0,8% ugljika, a kao rezultat pretvorbe nastaje ferit koji praktički ne sadrži ugljik i cementit sa 6,67% ugljika. Kako bi se objasnili ti procesi, predložen je mehanizam fluktuacije, prema kojem atomi ugljika s visokom difuzijskom pokretljivošću pri visokim temperaturama mogu stvoriti zone s povećanom koncentracijom ugljika. Ovaj proces je energetski povoljan, a jezgra cementita raste do kritične veličine.
Ferit(od latinskog ferrum - željezo), strukturna komponenta željeznih legura, koja je čvrsta otopina ugljika i legirajućih elemenata u a-željezu. Kristalna rešetka je tjelesno centrirana kocka (BCC). Topivost ugljika u feritu je 0,02-0,03% (maseni) na 723 °C, a na sobnoj temperaturi 10-6-10-7%. Topljivost legirajućih elemenata može biti vrlo značajna ili neograničena. Legiranje ferita u većini slučajeva dovodi do njegovog jačanja. Nelegirani ferit je relativno mekan, duktilan i vrlo feromagnetičan do 768–770 °C. Mikrostruktura, veličina zrna i substruktura ferita ovise o uvjetima njegovog nastanka tijekom polimorfne g ® a transformacije. S blagim prehlađenjem nastaju približno jednakoosna poliedarska zrna; pri visokom prehlađenju i prisutnosti legirajućih elemenata (Cr, Mn, Ni), ferit se pojavljuje prema martenzitnom mehanizmu i, kao rezultat, ojačava. Grubljenje zrna austenita često dovodi do stvaranja Widmanstätten ferita tijekom hlađenja (vidi Widmanstätten strukturu), posebno u lijevanim i pregrijanim čelicima. Taloženje hipoeutektoidnog ferita događa se pretežno na granicama austenitnih zrna. Pri temperaturama iznad 1390 °C u legurama željezo-ugljik nastaje čvrsta otopina ugljika u d-željezu, koja također ima kristalnu rešetku (bcc); topljivost ugljika u d-željezu je 0,1%. Ova se faza može smatrati visokotemperaturnim feritom Vidi također željezo-ugljične legure.
Cementit, željezni karbid Fe3C, fazne i strukturne komponente legura željezo-ugljik. Cementit ima ortorombsku kristalnu rešetku, vrlo je tvrd i krt, te slabo magnetičan do 210 °C. Cementit je metastabilna faza; stvaranje stabilne faze - grafita - je u mnogim slučajevima teško. Cementit se odvaja od taline, od austenita i ferita. Ovisno o uvjetima kristalizacije i naknadne obrade, Cementit može imati različite oblike - jednakoosna zrna, mrežu duž granica zrna, ploče, kao i Widmanstätt strukturu. Cementit je sastavni dio strukturnih komponenti čelika i lijevanog željeza - ledeburita, perlita, bainita, kaljenog sorbitola.
Austenit, jedna od strukturnih komponenti slitina željeza i ugljika, čvrsta otopina ugljika (do 2%) i legirajućih elemenata u željezu (v. Željezo). Austenit je dobio ime po engleskom znanstveniku W. Roberts-Austenu (1843.-1902.). Kristalna rešetka je kocka sa centriranim rubovima. Austenit je nemagnetičan, njegova gustoća je veća od gustoće ostalih strukturnih komponenti čelika. U ugljičnim čelicima i lijevanom željezu austenit je stabilan iznad 723°C. Tijekom procesa hlađenja čelika, austenit prelazi u druge strukturne komponente. U legurama željeza i ugljika koje sadrže nikal, mangan i krom u značajnim količinama, austenit se može potpuno sačuvati nakon hlađenja na sobnu temperaturu (na primjer, nehrđajući čelici krom-nikal). Ovisno o sastavu čelika i uvjetima hlađenja, austenit može biti djelomično zadržan u ugljičnim ili legiranim čelicima (tzv. zadržani austenit).
martenzit, struktura kristalnih krutina koja proizlazi iz smične difuzijske polimorfne transformacije nakon hlađenja (vidi Martenzitna transformacija). Ime je dobio po njemačkom metalurgu A. Martensu (1850.-1914.). Kao rezultat deformacije rešetke tijekom ove transformacije (tzv. kooperativnog smicanja), na površini metala pojavljuje se reljef; U volumenu nastaju unutarnja naprezanja i plastične deformacije koje ograničavaju rast kristala. Brzina rasta doseže 103 m/s i ne ovisi o temperaturi, tako da brzina stvaranja martenzita obično ograničava nukleaciju kristala. Protudjelovanje unutarnjih naprezanja pomiče nukleaciju kristala znatno ispod točke termodinamičke ravnoteže faza i može zaustaviti transformaciju pri konstantnoj temperaturi; U tom smislu, količina stvorenog martenzita obično raste s povećanjem superhlađenja. Budući da bi elastična energija trebala biti minimalna, kristali martenzita poprimaju oblik ploča (na tankom dijelu - iglice), pravilno orijentiranih u odnosu na izvornu rešetku. Unutarnja naprezanja također se oslobađaju plastičnom deformacijom, pa kristal sadrži mnogo dislokacija (do 1012 cm-2) ili je razbijen u dvojnike debljine 10-100 nm (100-1000). Unutarzrnate granice i dislokacije ojačavaju martenzit. Martenzit je tipičan proizvod niskotemperaturnih polimorfnih transformacija u čistim metalima (Fe, Co, Ti, Zr, Li itd.), u čvrstim otopinama na njihovoj osnovi, u intermetalnim spojevima (na primjer, CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si , AuCd).
Martenzit u čeliku je prezasićena otopina Fe-C dobivena kaljenjem iz austenita. Uređeni raspored atoma ugljika (kao rezultat martenzitnog smicanja) transformira rešetku a-željeza u središtu tijela iz kubične u tetragonalnu. Njegova izobličenja oko ugrađenih atoma uzrokuju otvrdnjavanje. Tetragonalnost i otvrdnuće rastu s koncentracijom ugljika (tvrdoća do 1000 HV). Ugljični martenzit glavna je strukturna komponenta većine čelika visoke čvrstoće. Koncentracija ugljika u čvrstoj otopini i podzrnasta struktura martenzita mijenjaju se tijekom kaljenja, što se koristi za povećanje duktilnosti čelika. Ugljik je najvažniji faktor u čvrstoći martenzita u čeliku; čvrstoća maraging čelika bez ugljika je zbog taloženja intermetalnih spojeva tijekom starenja (vidi Starenje metala). Fizičku prirodu Fe-C martenzita kao intersticijske otopine, podrijetlo njegove visoke čvrstoće, suštinu mehanizma i kinetiku stvaranja martenzita utvrdio je G.V.Kurdyumov.
