Wykres Fe-Fe3C. Stale, staliwa i żeliwa. - Instytut Inżynierii ...

Politechnika Łódzka
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM
NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenie nr 3
Temat: Wykres Fe-Fe 3 C. Stale, staliwa i żeliwa.
Łódź 2010

WYKRES ŻELAZO WĘGIEL/CEMENTYT
1. Cel ćwiczenia.
Zapoznanie się z charakterystycznymi stopami układu żelazo-węgiel.
2. Wiadomości teoretyczne
W zależności od stężenia węgla stale węglowe w stanie wyżarzonym charakteryzują się zróżnicowaną
strukturą.
Stale o bardzo małym stężeniu węgla – ok. 0,1% wykazują strukturę ferrytu (roztwór stały węgla
w żelazie), który po wytrawieniu uwidacznia się w postaci wielokątnych jasnych ziaren z ciemnymi
granicami.
Przy większym stężeniu węgla w strukturze stali pojawia się perlit (mieszanina ferrytu i cementytu
- Fe3 C), a stal ma strukturę ferrytyczno – perlityczną. Perlit jest widoczny jako naprzemianległe pasemka
przeciętych płytek cementytu i ferrytu.
Przy stężeniu ok. 0,4%C zawartości perlitu i ferrytu w strukturze stali są zbliżone.
W stali zawierającej 0,6÷0,7%C ferryt występuje w postaci jasno trawiącej się siatki wokół ziaren perlitu.
Struktur ę czysto perlityczną ma stal o stężeniu 0,77%C.
W miarę podwyższania stężenia węgla w strukturze stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego
i plastycznego ferrytu, a zwiększeniu – udział twardego i kruchego cementytu.
W stalach o stężeniu węgla powyżej 0,77% na granicach ziaren perlitu występuje siatka cementytu
o grubości zwiększającej się wraz ze wzrastającym stężeniem węgla.
Rodzaj struktury stali w zależności od stężenia węgla w niej występującego ilustruje wykres równowagi
fazowej żelazo – węgiel.
Wykres żelazo – węgiel odzwierciedlający równowagę fazową w stalach jest wykresem metastabilnym,
odnosi się on do układu Fe-Fe3C (rys.2 - linia ciągła na wykresie).
Rys. 1. Wykres równowagi układu żelazo - węgiel (wg Chipmana); linia ciągła – układ niestabilny
Fe- Fe3C, linia przerywana – układ stabilny Fe-C (grafit). (3)

Stale w zależności od zawartości węgla dzielimy na: podeutektoidalne – leżące na lewo od punktu S
(0,77%C) – mają strukturę ferrytyczno – perlityczną. Stale o składzie punktu S są czysto perlityczne
i są nazywane eutektoidalnymi. Natomiast struktura stali zawierających ponad 0,77%C (leżących na
prawo od punktu S) jest złożona z perlitu i cementytu wtórnego. Noszą one nazwę nadeutektoida-
-lnych.
Fazy i składniki strukturalne stali i ich własności
Ferryt – jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie alfa. Powstaje poprzez
wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych i tetraedrycznych.
Austenit – jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie o maksymalnej
rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem
oktaedrycznych luk. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A1 (727°C).
Perlit – jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej,
która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o
stosunku grubości 7:1.
Cementyt – jest węglikiem żelaza (Fe3 C) o strukturze rombowej. Zawiera 6,67 % mas. węgla.
Ferryt Austenit Perlit Cementyt
Max. rozp. C=2,11% Zawartość węgla C=0,77%
Rm=700-800MPa
Rm=700÷800MPa
Twardość: 200HB
Twardość:180-220HB
Wydłużenie: A=40-60% Wydłużenie: A=8%
KC=2000÷3000kJ/m2 KC=400kJ/m2
Max. rozp. C=0,022%
Rm=300MPa
Twardość: 80HB
Wydłużenie: A=10%
KC=1800kJ/m2
Struktury stali o różnych zawartościach węgla
Zawartość węgla C=6,67%
Rm=
Twardość:700HB
Wydłużenie: -
KC= -
0,38%C
1,4%C
0,77%C
1,0%C

STAL
Stal węglowa jest to stop żelaza z węglem po odlaniu przerobiony plastycznie, gdzie węgiel jest
najważniejszym pierwiastkiem stopowym (poniżej ok. 2%C).
Węgiel bardzo korzystnie wpływa na własności żelaza. W miarę podwyższania stężenia tego
pierwiastka w stali zwiększa się twardość, wytrzymałość na rozciąganie R m i granica
plastyczności Re (rys.1).
Wzrost węgla
w stali może
powodować
Wzrost twardości Wzrost Rm Wzrost Re Zmniejszenie
własności
plastycznych
Pogarsza obróbkę plastyczną stali na zimno
i gorąco
Zmniejszenie
ciągliwości
Zmniejszenie
wydłużenia,
przewężenia,
udarności
Pogorszenie własności spawalniczych
Rys. 2. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali węglowych (HBW- twardość Brinella
z penetratorem z węglików spiekanych, Rm- wytrzymałość na rozciąganie, Re-granica plastyczności,
A-wydłużenie, Z-przewężenie).(3)
Stale niestopowe (węglowe) dzielimy na:
-niskowęglowe (0,25% C), np. 10(PN-93/H-84019), St3S(PN-88/H-84020)
-średniowęglowe (0,25-0,60%C), np. C40(PN/EN10083-2Pr), 40(PN-93/H-84019)
-wysokowęglowe (>0,6%C), np. N11(PN-84/H-85020), C120(PN-EN ISO4957:2002)
Stale niestopowe (węglowe) ze względu na zastosowanie dzielimy na:
-konstrukcyjne- zawierające do ok. 0,7%C te zaś dzielą się na:
-stale zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia (PN-88/H-84020).
Oznaczenia: St (liczba porządkowa od 0 do 7 jednak bez 1 i 2). Liczby odpowiadają
za informacje o zakresie wytrzymałości lub składu chemicznego.
-stale niestopowe do utwardzania powierzchniowego i cieplnego (PN-93/H-84019).
Oznaczenia: liczba dwucyfrowa np. 45
Zastosowanie: stosowane do wyrobu części i urządzeń oraz elementów
konstrukcji, na części maszyn i konstrukcji poddawanych obróbce cieplnej
przez normalizowanie i ulepszanie cieplne, a w przypadku stali
niskowęglowych- również przez nawęglanie.

-narzędziowe (PN-84/H-85020) zawierające 0,65%-1,4%C dzielące się na:
-stale płytko hartujące się (symbol E na końcu znaku)
-stale głęboko hartujące się
Oznaczenia: N (liczba podająca średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach
procenta).
Zastosowanie: do wytwarzania różnego rodzaju narzędzi oraz odpowiedzialnych
części przyrządów pomiarowych, Stale płytko hartujące się są stosowane do
wykonywania narzędzi, których średnica lub grubość nie przekracza 20mm, a
głęboko hartujące się – do wytwarzania narzędzi o średnicy lub grubości ponad
20mm.
Stale stosuje się w stanach:
• znormalizowanym,
• po hartowaniu powierzchniowym,
• po ulepszaniu cieplnym,
• zmiękczonym.
Najczęściej stosowaną obróbką cieplną jest normalizowanie, czyli wyżarzanie normalizujące. Polega
ono na nagrzaniu stali do stanu austenitycznego, tzn. 30-50 o C powyżej linii GSE na wykresie żelazowęgiel
i następnie studzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziarna i ujednolicenia
struktury.
Rys. 3. Zakresy temperatur różnych operacji wyżarzania stali. (3)
ŻELIWA
Żeliwami nazywamy stop żelaza z węglem o zawartości węgla powyżej 2%.
Żeliwa dzielimy na:
-białe gdzie węgiel występuje w postaci cementytu
-szare gdzie węgiel występuje w postaci grafitu
-połowiczne gdzie węgiel występuje w postaci grafitu jak i cementytu
Duży wpływ na rodzaj powstającego żeliwa ma szybkość chłodzenia. Podczas bardzo wolnego
chłodzenia proces grafityzacji jest zaawansowany i powstaje żeliwo szare. Dodatkowo stosując
dodatki stopowe możemy wpływać na grafityzację. Dodając C, Si bądź F sprzyjamy grafityzacji
natomiast dodatki Mn i S przeciwdziałają temu procesowi.

Żeliwo szare dzielimy na 3 rodzaje (PN-EN 1561:2000):
-zwykłe, które dzielimy dodatkowo na:
-ferrytyczne(wysoka wytrzymałość, duże twardości, wysoka odporność na ścieranie,
wysoka skrawalność)
-ferrytyczno-perlityczne
-perlityczne
-modyfikowane (PN – EN 1561: 2000):
o niskich własnościach plastycznych. Podczas krystalizacji stosowane są dodatki Fe-
Al., FeCa, Fe-Si, które odgrywają rolę zarodków krystalizacji, powodują modyfikacje
oraz są odpowiedzialne za powstawanie tlenków. Dodatkowo ułatwiają krystalizację i
wymuszają heterogeniczne zarodkowanie, dzięki czemu żeliwo krzepnie jako szare a
nie jako połowiczne lub białe. Dodatkowo modyfikatory odpowiedzialne są za
równomierne rozłożenie składników i odgazowanie kąpieli.
Cechą charakterystyczną jest występowanie z żeliwie modyfikowanym steatytu, czyli
potrójnej eutektyki fosforowej o najniższej temperaturze topnienia ze wszystkich
żeliw. Steatyt daje odporność na ścieranie jednak przeszkadza przy tłumieniu drgań
przez żeliwo.
Oznaczenia: np. EN – GJS – 300, 350
-sferoidalne (najwyższe gatunkowo) które dzieli na (PN-EN 1563:2000):
-ferrytyczne
-ferrytyczno-perlityczne
-perlityczne
Rys. 4. Żeliwo sferoidalne
Struktura: podłoże ferrytyczne
+ grafit sferoidalny
Trawiono: Mi1Fe.
Powiększenie: 200x
W stosunku do dwóch pierwszych żeliw z rodziny żeliw szarych posiadają możliwość
większego wydłużenia, wyższą wytrzymałość i skoagulowany grafit. Jako jedyne
posiadają granicę plastyczności a co za tym idzie wyższe własności mechaniczne i
plastyczne.
Żeliwo sferoidalne zawsze powstaje z szarego po sferoidyzacji przy pomocy Mg lub
Ce. Dodatki te wprowadza się do ciekłej kąpieli, w której dochodzi do wydzielania się
niebezpiecznie dużej ilości ciepła. Dodatkowo w kąpieli musi być ograniczona
zawartość S gdyż w przeciwnym wypadku nie dojdzie do sferoidyzacji. Odsiarczanie
przeprowadza się za pomocą wprowadzenia do kąpieli Mn.
Należy pamiętać, że w przypadku nieodsiarczenia kąpieli przed dodaniem Mg i Ce
pierwiastki te zamiast działać sferoidyzująco zostaną zmarnowane na odsiarczenie
i nie dojdzie do uzyskania 100% żeliwa sferoidalnego.
Po obróbce cieplnej występuje martenzyt odpuszczony lub sorbit.
Oznaczenia żeliw sferoidalnych wygląda następująco:
np. żeliwo sferoidalne zapisujemy EN-GJS i trzycyfrowej liczby od 100 do
350 oznaczającej wytrzymałość na rozciąganie w MPa.

Zastosowanie żeliw szarych: powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle
maszynowym, kolejowym, samochodowym (np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe,
pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatura, części silników
samochodowych jak wały korbowe, rozrządu, cylindry i pierścienie tłokowe, budowie obrabiarek
żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.)
Żeliwo białe dzielimy na żeliwo ciągliwe (PN – EN 1562 : 2000) :
w którym węgiel jest w postaci cementytu. Natomiast żeliwo ciągliwe w wyniku wyżarzania
grafityzującego dzielimy na żeliwo:
-białe (odwęglone): powstaje w piecu w atmosferze odwęglającej
-czarne (nieodwęglone): powstaje w piecu w atmosferze obojętnej
Reakcja powstawania żeliwa ciągliwego:
Fe3C=3Fe+C gdzie C to węgiel żarzenia
-żeliwo białe (PN – EN 1562 : 2000):
Oznaczenia: np. EN – GJMW – 360 – 12
-żeliwo czarne (PN – EN 1562 : 2000):
Oznaczenia: np. EN – GJMB – 300 – 6
Zastosowanie żeliw białych: części maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa
domowego, żeliwo ciągliwe perlityczne ma zastosowanie na części silniej obciążone itp.

Rys. 4. Schemat struktur żeliwa. I-białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytycznoperlityczne,
III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciągliwe. (3)
STALIWA
Staliwa to materiał konstrukcyjny stopu żelaza z węglem o zawartości do 2%C otrzymywany w
wyniku odlewania do form, w których krzepnie. Klasyfikacje i podział staliw można odszukać w
normie PN-EN 10020:2003 które ustalane są ustalane na podstawie zasad identycznych jak dla stali.
Staliwo pod względem chemicznym i sposobu wytwarzania nie różni się od stali. Może zawierać do
1,5% węgla i dodatki jak w stalach.
Ze względu na podział staliwa dzielimy na stopowe (PN-87/H-83156) i węglowe (PN-ISO
3755:1994).
Budowa strukturalna staliw składa się z dendrytów, porowatości gazowej i skurczowej, obecności
skoagulowanych wtrąceń niemetalicznych i innych faz. Cechy te nasilają się wraz ze wzrostem
temperatury odlewania stopu.
Cechą charakterystyczną staliwa węglowego (podeutektoidalnego) jest struktura Widmanstattena
z płytkowymi wydzieleniami ferrytu ułożonymi pod kątem 60 o i 120 o tworząca się w wyniku
uprzywilejowanego wzrostu płytek ferrytu w płaszczyznach {111} austenitu.
Podział staliw:
Staliwa konstrukcyjne niestopowe ( węglowe).
Struktura: ferryt + perlit.
Przykłady oznaczenia: wg PN – ISO 3755: 1994:
200 - 400, 200 - 400 W.
Przykłady zastosowania:
maszyny energetyczne , maszyny górnicze , maszyny :rolnicze , tabor kolejowy , obudowy
łożysk ślizgowych .
Rys. 5. Struktura Widmanstättena

Własności mechaniczne staliwa zależą przede wszystkim od zawartości węgla. Własności te są niższe
niż dla stali o analogicznym składzie chemicznym.
Podobnie jak stale, staliwa można poddawać obróbce cieplnej polepszając ich własności mechaniczne.
Zastosowanie staliw:
Staliwa niskowęglowe (0,10‐0,25% C) stosuje się na części przenoszące niewielkie obciążenia,
jak korpusy silników elektrycznych, części kolejowe i samochodowe np. zderzaki, stery,
kotwice.
Staliwa średniowęglowe (0,2‐0,4% C) na części bardziej obciążone np. koła bose,
łańcuchowe, zębate, podstawy maszyn, korpusy pras i młotów.
Staliwa wysokowęglowe (0,4‐0,6% C) na części maszyn bardzo silnie obciążonych i
narażonych na ścieranie np. koła zębate napędów walcowniczych.
3. Zadania do wykonania.
1. Dokonać obserwacji mikroskopowych próbek.
2. Wykonać rysunki struktur.
4. Sprawozdanie:
1. Cel ćwiczenia.
2. Wstęp teoretyczny
3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu:
- Materiał
- Stan materiału
- Struktura
- Powiększenie
- Trawienie
4. Wnioski i uwagi
Przykład sposobu przygotowywania opisów oglądanych struktur:
Rys. 1. Żeliwo sferoidalne
Struktura: podłoże perlit + grafit sferoidalny
Trawiono: Mi1Fe
Powiększenie: 200x
Literatura.
1. Wykład NoM I i NoM II.
2. K. Przybyłowicz „Metaloznawstwo”, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1992
3. L. Dobrzański „Metaloznawstwo i obróbka cieplna”, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne,
Warszawa 1997
UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z
przepisami BHP