Stop żelaza z węglem

Stop żelaza z węglem – stopy, w których węgiel rozpuszczany jest w żelazie. Węgiel może występować w nich w postaci węgla czystego – grafitu, roztworu stałego w sieci krystalicznej ferrytu lub austenitu albo jako węglik żelaza, np. Fe₃C, zwanego cementytem.

Stopy zawierające poniżej 2,11% (według norm polskich, zaś europejskich 1,75%) węgla to stale lub staliwo, a powyżej tej zawartości to żeliwo.

Wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza z węglem przybiera odmienne formy:

• przy bardzo niewielkiej zawartości węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal czyste żelazo α zwane ferrytem,
• przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy podeutektoidalne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu,
• przy zawartości 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu i cementytu,
• stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu,
• stopy o zawartości węgla powyżej 2,11% (żeliwo), są mieszaninami ledeburytu przemienionego i perlitu (do 4,3% węgla) lub cementytu (powyżej 4,3% węgla). W przypadku stosunkowo wolnego chłodzenia w stopach tych może także wystąpić grafit,
• przy zawartości węgla 4,3%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, który w czasie dalszego chłodzenia w temperaturach poniżej 727 °C przekształca się w ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką.

Wykres równowagi układu żelazo-węgiel – jest to wykres fazowy węgla w stopie z żelazem. Pierwszą, najczęściej wykorzystywaną i omawianą część wykresu nazywa się także wykresem żelazo – cementyt. Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką strukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Przy, na przykład, szybkim chłodzeniu stop może zachowywać się w inny sposób (na przykład granica rozpuszczalności węgla w ferrycie wzrasta wraz z wielkością przechłodzenia).

Należy zaznaczyć, że jest to tylko fragment wykresu równowagi układu żelazo-węgiel (zwany wykresem żelazo-cementyt), zawarty pomiędzy 0% a 6,69% (czasem mówi się 6,67%) węgla. Nazwa pochodzi od nazwy faz na granicach wykresu – z lewej jest żelazo (Fe), a z prawej cementyt (Fe₃C). Jest on najbardziej istotny ze względów praktycznych, gdyż większe stężenie węgla powoduje zbyt dużą kruchość stopu.

Wykres równowagi stabilnego układu żelazo-węgiel i metastabilnego żelazo-cementyt

Charakterystyczne punkty wykresu.

Układ metastabilny	żelazo – cementyt		Układ stabilny	żelazo – węgiel
Punkt	stężenie węgla	przy temp.	Punkt	stężenie węgla	przy temp.
A	0% C	1538 °C	A	0% C	1538 °C
H	0,09% C	1495 °C	H	0,09% C	1495 °C
J	0,17% C	1495 °C	J	0,17% C	1495 °C
B	0,53% C	1495 °C	B	0,53% C	1495 °C
N	0% C	1394 °C	N	0% C	1394 °C
D	6,67% C	1227 °C	D′	∞(?)% C	∞(?) °C
C	4,3% C	1148 °C	C′	4,26% C	1154 °C
E	2,11% C	1148 °C	E′	2,08% C	1154 °C
F	6,67% C	1148 °C	F′	6,67% C	1154 °C
G	0% C	912 °C	G	0% C	912 °C
M	0,0168% C	770 °C	M	0,0168% C	770 °C
O	0,45% C	770 °C	O	0,45% C	770 °C
P	0,0218% C	727 °C	P′	0,0205% C	738 °C
S	0,77% C	727 °C	S′	0,68% C	738 °C
K	6,67% C	727 °C	K′	6,67% C	738 °C
Q	0,008% C	20 °C	Q	0,008% C	20 °C

Charakterystyczne linie wykresu.

linia	stan skupienia	przemiana	opis
AB	Likwidus	Początek wydzielania fazy α(δ)	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania fazy α(δ)
BC	Likwidus	Początek wydzielania fazy γ	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania fazy γ
CD	Likwidus	Początek wydzielania cementytu pierwotnego z roztworu ciekłego	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w fazie ciekłej w wyniku wydzielania cementytu
AH	Solidus	Koniec krzepnięcia fazy α(δ)	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w kryształach fazy α(δ)
HJB	Linia przemiany perytektycznej		ciecz (B) + roztwór α(δ)(H)CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór γ (J)
JE	Solidus	Koniec krzepnięcia fazy γ	Odpowiada stężeniu węgla w kryształach roztworu γ
ECF	Linia przemiany eutektycznej		ciecz (C) CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór γ (E) + cementyt (F)
HN		Początek przemiany alotropowej roztworu α(δ) w wyniku tworzenia się kryształów roztworu γ
JN		Koniec przemiany roztworu α(δ) w roztwór γ	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ w wyniku przemiany α(δ) w γ oraz γ w α(δ)
ES		Początek wydzielania cementytu wtórnego w roztworze stałym	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ
GOS		Początek przemiany alotropowej roztworu γ w roztwór α	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze γ w wyniku tworzenia się kryształów roztworu α
MO	Linia przemiany magnetycznej		roztwór paramagnetyczny CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór α ferromagnetyczny
GMP		Koniec przemiany alotropowej roztworu γ w roztwór α	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze α
PSK	Linia przemiany eutektoidalnej		roztwór γ (S) CHŁODZENIE/NAGRZEWANIE roztwór α (P) + cementyt (K)
PQ		Początek wydzielania cementytu trzeciorzędowego	Odpowiada zmiennemu stężeniu węgla w roztworze α

Zobacz też

• perytektyk
• przemiana fazowa
• reguła faz