Průvodní list Jméno autora: Ing. Miroslava Jeřichová Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT   Vzdělávací materiál: Prezentace Určen pro: 1. ročník oboru Strojírenství a 2. ročník oboru Ekonomika a podnikání Vzdělávací oblast: Strojírenská technologie – Nauka o materiálu Název učebního materiálu: Metastabilní diagram Fe – Fe3 C Jméno autora: Ing. Miroslava Jeřichová Datum vytvoření: 30. 7. 2013 Reg.č. projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.0627

Klíčová slova: metastabilní stav, fáze, složka, austenit, ferit, perlit, tavenina, ledeburit, cementit, karbid železa, krystalizace, segregace, křivky tuhnutí, eutektoid, eutektikum. Anotace: Prezentace je určena žákům 1. ročníku oboru Strojírenství pro výuku v předmětu Strojírenská technologie a žákům 2. ročníku oboru Ekonomika a podnikání v předmětu Strojírenská výroba. Inovuje výuku použitím multimediálních pomůcek – prezentace. Metodické pokyny: Tento materiál uplatní učitel při výkladu dané látky, použité obrázky zvýší názornost výkladu. Prezentaci mohou žáci použít i v rámci samostatné domácí přípravy na výuku.

Obsah: Termodynamika – základní pojmy Uhlík ve slitinách Fe Metastabilní diagram – soustava Fe-Fe3C

Termodynamika – základní pojmy Termodynamika – věda zabývající se přeměnami různých druhů energie Termodynamická soustava – část hmotného světa – předmět pozorování Otevřená TS – výměna hmoty a energie s okolím x uzavřená TS – pouze přenos energie Základní stavové veličiny – teplota, tlak, objem Soustava – určitý objem nebo množství látky Fáze – homogenní část soustavy ohraničená rozhraním, na kterém se vlastnosti mění skokem Složka – chemický prvek nebo chemická sloučenina, která se zúčastní fázových přeměn v dané soustavě a nikdy se nezmění a nezanikne

Termodynamika – základní pojmy A – stabilní rovnováha – stav, při kterém v soustavě nemůže probíhat žádný děj spojený s hmotnou nebo energetickou přeměnou B – metastabilní stav – od rovnovážného stavu jej odděluje energetická bariéra = h1 C – nestabilní stav – soustava tento stav samovolně opouští

Uhlík ve slitinách Fe Čisté Fe – měkké, tvárné, malá pevnost Nízký obsah C v Fe – změna vlastností Fe + C ( atom je malý) intersticiální tuhý roztok: Ferit = intersticiální tuhý roztok C v Feα Austenit = intersticiální tuhý roztok C v Feγ Ferit δ = intersticiální tuhý roztok C v Feδ Poměr velikosti atomů C a Fe není příznivý pro rozpustnost – nejmenší je ve feritu ( 0,018 při T 727°C) a největší rozpustnost C je v austenitu ( 2,14 při T 1148°C)

Uhlík ve slitinách Fe Soustava Fe-Fe3C - nejdůležitější pro technickou praxi, má význam především pro slitiny s menším obsahem uhlíku = oceli metastabilní diagram - znázorňuje se do 6,67 %C, což odpovídá 100 % Fe3C (karbidu železa), který označujeme jako cementit zpracován C.R. Austinem a postupně zpřesňován dalšími autory Soustava Fe-grafit – má význam pro slitiny s obsahem C nad 2,14% = šedá litina stabilní diagram - zobrazujeme rovnováhu mezi železem a grafitem v závislosti na teplotě

Uhlík ve slitinách Fe O tom, zda slitiny Fe s C budou krystalizovat ve shodě s metastabilním či stabilním diagramem rozhoduje: přítomnost dalších prvků – např. Mn podporuje krystalizaci ve shodě s metastabilním diagramem, Si naopak se stabilním rychlost ochlazování – rychlé ochlazování metastabilní diagram, pomalé stabilní

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Ocel = slitina Fe a C do 2,14% včetně doprovodných prvků ( Si, Mn – prospěšné a S, P – škodlivé) Podeutektoidní oceli – koncentrace C do 0,765% Eutektoidní – 0,765 % Nadeutektoidní – nad 0,765 do 2,14% Slitiny bohatší uhlíkem: Podeutektická bílá litina – nad 2,14 do 4,3% Eutektická bílá litina – 4,3% Nadeutektická litina – nad 4,3 do 6,68%

Metastabilní diagram Fe-Fe3C

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Základní pojmy: Větve likvidu – AB, BC, CD Větve solidu – AH, HN, JE, ECF Eutektikála = ECF T = 1147°C (1148°C) Eutektoida = PSK T = 727°C Peritektikála = HJB T = 1499°C Eutektikum – bod E = ledeburit Eutektoid – bod S = perlit Peritektikum – bod J Segregační čáry – ES, PQ – vyjadřují změnu rozpustnosti C v závislosti na klesající teplotě

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Základní pojmy: Složky: Fe, Fe3 C Fáze: tavenina, austenit, ferit, ferit δ, cementit Směs fází: ledeburit (cementit + austenit), transformovaný ledeburit ( cementit + perlit), perlit ( ferit + cementit), tavenina + austenit, perlit + ferit, ledeburit + austenit + cementit ……… Primární cementit – vzniká přímo z taveniny Sekundární cementit – segreguje po hranicích zrn austenitu Terciární cementit - segreguje po hranicích zrn feritu

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Základní pojmy: Rovnovážný diagram je složen na straně železa z diagramu s omezenou rozpustností v tuhém stavu, na straně cementitu s úplnou nerozpustností v tuhém stavu Vysokoteplotní omezenou rozpustnost s peritektickou přeměnou můžeme zanedbat V soustavě se vyskytují ještě další překrystalizace (eutektoidní)

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Základní pojmy: Austenit – intersticiální tuhý roztok C v Feγ, maximální rozpustnost C v austenitu, jak vyplývá z diagramu, je 2,14 % při teplotě 1148°C Je tvárný, plastický, nemagnetický V oblasti austenitu tváříme oceli za tepla Cementit – je stabilní složkou této soustavy, jakmile někde vznikne, už se dále nemění Je nejtvrdší, u ocelí se vyskytuje jako sekundární a terciární Vytvoří-li síťoví kolem perlitických zrn, způsobuje křehkost oceli

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Základní pojmy: Perlit – eutektoid = směs feritu a cementitu Lamelární charakter – tvrdost 190 až 350 HB Žíháním na měkko se vytvoří globulární perlit – je měkčí, lépe tvárný Ferit – intersticiální tuhý roztok C v Feα Je měkký – tvrdost 75 HB, malá pevnost Rm 250 MPa, tvárný, feromagnetický Ledeburit – eutektikum = směs austenitu a primárního cementitu, tvrdý a křehký Transformovaný ledeburit – směs perlitu a primárního cementitu

Metastabilní diagram Fe-Fe3C

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Popis krystalizace slitiny I – podeutektoidní ocel nad křivkou likvidu je podeutektoidní ocel taveninou bod a1 - z taveniny se začnou vylučovat první krystaly feritu δ, za teploty dané a2 je krystali- zace ukončena a3 - ferit δ je přesycen C a překrystalizací se z něho vylučuje austenit, při dalším ochlazování přibývá austenitu a mění se složení obou fází pod a4 - pouze austenit a5 z austenitu se začíná vylučovat ferit, zbytek austenitu se při teplotě 727°C rozpadá na ferit a cementit = perlit, výsledná struktura je feritickoperlitická

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Popis krystalizace podeutektoidní oceli III c1 – z taveniny se vylučují krystaly Fδ až do teploty peritektikály, kde je přebytek taveniny, která se zachová i pod teplotou c2, mezi c2 – c3 se ze zbylé taveniny vylučuje austenit, jehož složení se mění dle JE a taveniny dle BC c4 - z austenitu se začnou vylučovat krystaly feritu a zbytek austenitu při teplotě Ac1 se rozpadá na perlit, výsledná struktura feritickoperlitická

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Popis krystalizace eutektoidní oceli IV d1 – z taveniny se vylučují první krystaly auste- nitu, krystalizace je ukončena při teplotě na so- lidu – bod d2 , ochlazujeme a až při teplotě d3 se austenit rozpadá na perlit, výsledná struktura je perlitická

Metastabilní diagram Fe-Fe3C Popis krystalizace nadeutektoidní oceli V e1 - počátek krystalizace, vznik prvních krystalů austenitu e2 – konec krystalizace, veškerá tavenina ztuhla – austenit e3 - při teplotě Acm je austenit přesycen C a přebytečný C se vylučuje jako sekundární cementit na hranicích zrn, při teplotě Ac1 se zbytek austenitu rozpadá na perlit 727°C

Krystalizace bílé litiny

Krystalizace bílé litiny Krystalizace podeutektické bílé litiny Bod a1 - z taveniny se začnou vylučovat první krystaly austenitu, při teplotě 1147°C se zbytek taveniny přemění na eutektickou směs (drobné krystaly austenitu a cementitu = ledeburit), při této teplotě jsou v rovnováze 3 fáze: austenit (o složení dané bodem E), tavenina (C) a cementit (F), mezi teplotami a2 - a3 klesá rozpustnost C v austenitu (ES)

Krystalizace bílé litiny Krystalizace podeutektické bílé litiny austenit se stává přesycený uhlíkem vylučuje se z něho sekundární cementit po hranicích zrn, při eutektoidní teplotě – bod a3 nastává eutektoidní přeměna austenitu v perlit, při teplotě Ac1 se transformuje i ledeburit (perlit a cementit) Výsledná struktura – transformovaný ledeburit, perlit a sekundární cementit

Krystalizace bílé litiny Krystalizace eutektické bílé litiny Krystalizuje za nejnižší teploty = 1147°C, kdy z veškeré taveniny vzniká jemná eutektická směs = ledeburit, při dosažení eutektoidní teploty se ledeburit transformuje 727°C

Krystalizace bílé litiny Krystalizace nadeutektické bílé litiny b1 - počátek tuhnutí – z taveniny se vylučují hrubé krystaly primárního cementitu, za eutektické teploty zbytek taveniny se přemění v ledeburit, v intervalu teplot b2 - b3 se zmenšuje rozpustnost uhlíku v ledeburitickém austenitu (ES) sekundární cementit, překrystalizace je ukončena za eutektoidní teploty výsledná struktura = trans. ledeburit + primární cementit 727°C

Shrnutí V oblasti teplot nižších než 727 °C se vyskytují různé strukturní složky U ocelí s malým obsahem uhlíku (do 0,765 %) jsou to krystaly feritu a perlitu podeutektoidní oceli, krystaly feritu a perlitu jsou měkké mají přirozenou měkkost i tyto oceli, jsou to oceli konstrukční, jejich významnou vlastností je houževnatost eutektoidní Oceli s 0,765 % uhlíku jsou složeny jen z jemných krystalů perlitu (eutektoidu) oceli eutektoidní neboli perlitické podeutektoidní lamelární perlit ferit (světlé krystaly) + perlit

Shrnutí Oceli s obsahem C nad 0,765 % do 2,14 % oceli nadeutektoidní, jsou složeny z jemných krystalů perlitu a z tvrdých krystalů sekundárního cementitu, mají přirozenou tvrdost a jsou dobře kalitelné nástrojové nadeutektoidní ocel perlit + síťoví cementitu Slitina obsahující 4,3 % uhlíku je v pevném stavu složena pouze z krystalů ledeburitu = eutektická bílá litina Slitiny s větším obsahem uhlíku než 4,3 % jsou složeny z krystalů ledeburitu a hrubého primárního cementitu = nadeutektická bílá litina Eutektická bílá litina ledeburit

Shrnutí Slitiny s obsahem uhlíku od 2,14% do 4,3 % jsou složeny z krystalů ledeburitu, perlitu a sekundárního cementitu = podeutektická bílá litina Litiny jsou poměrně velmi křehké a málo pevné, protože mají velký obsah uhlíku, buď v podobě grafitu (šedá litina), nebo cementitu (bílá litina) podeutektická bílá litina nadeutektická bílá litina

Použité zdroje: Použitá literatura: DORAZIL, Eduard a kol. Nauka o materiálu 1 - Přednášky. Vysoké učení technické v Brně: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN 05-030-86. MACEK, K.; ZUNA, P.; BARTOŠ, J.. Nauka o materiálu II. Praha 1: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN 04-231-86. PTÁČEK, L. a kol. Nauka o materiálu 1. Brno: CERM, 2002. Použité obrázky jsou součástí uvedené literatury