Mašinstvo i
Informacione
Tehnologije



ŽELEZO I NJEGOVE LEGURE




Najveću primenu od svih tehničkih legura imaju legure na bazi železa (Fe) koje se dele na čelike, gvožđa i ferolegure. Široka primena ovih legura (90% ukupne svetske proizvodnje metalnih materijala), se zasniva uglavnom na sledećim činjenicama:

  • rude železa se u velikim količinama nalaze u zemljinoj kori,

  • legure železa se proizvode relativno jeftinim postupcima,

  • postiže se dobra kombinacija različitih svojstava.

Osnovni elementi u svim vrstama čelika i gvožđa su železo (osnovna komponenta) i ugljenik (legirajuća komponenta).



ŽELEZO




Železo je hemijski element oznake Fe. U Periodnom sistemu elemenata pripada grupi prelaznih metala. Njegov atomski broj je 26, atomska masa 56, temperatura topljenja 1539 °C, a gustina 7,8 g/cm3. Prema čistoći se razlikuje:

  • Hemijski čisto železo (99,999% Fe) koje se dobija u laboratorijskim uslovima i nema praktičnu primenu.

  • Tehnički čisto železo (99,8 – 99,9% Fe) koje pored železa sadrži i primese: C, Mn, Si, S i P.

Kao što je već istaknuto železo ima svojstvo polimorfije (alotropije) u čvrstom stanju se javlja u dve alotropske modifikacije: prostorno (α, δ) i površinski (γ) centrirane kubne rešetke.
  • α- modifikacija železa (α-Fe) je stabilna od sobne temperature do 906 °C. U ovom temperaturnom intervalu se menjaju samo fizičke osobine: feromagnetno α-Fe postaje na temperaturi ∼770 °C paramagnetno označeno kao β-Fe. Pošto pri tome ne dolazi do promene vrste kristalne rešetke železa, u daljem tekstu će se za prostorno centriranu kubnu rešetku u navedenom intervalu koristiti samo oznaka α (β-Fe se ne razmatra kao posebna modifikacija).

  • γ- modifikacija železa (γ-Fe) sa površinski centriranom kubnom rešetkom postojana je u temperaturnom intervalu 906 - 1401 °C.

  • Od 1401 °C pa do temperature topljenja železa (1539 °C) ponovo je stabilna prostorno centrirana kubna rešetka označena kao δ-Fe, koja nema veliki tehnički značaj, pa stoga neće biti posebno razmatrana.

Opisani magnetni (α-Fe → β-Fe) i strukturni (α-Fe → γ-Fe i γ-Fe → δ-Fe) preobražaji, koji se odvijaju na konstantnoj temperaturi, su prikazani na krivama zagrevanja, odnosno hlađenja čistog železa, slika 5.1., odgovarajućim temperaturnim zastojima. Ovi preobražaji imaju internacionalno usvojenu oznaku – A, kojoj se u indeksu dodaje slovo r pri hlađenju, odnosno c pri zagrevanju. S obzirom na to da postoji više kritičnih tačaka, da bi se znalo o kojem preobražaju se radi, stavlja se i broj uz navedeni indeks. Na primer, preobražaj δ-Fe → γ-Fe se označava sa Ar4, a obrnuto γ-Fe → δ-Fe sa Ac4 i tako redom.

Polimorfni preobražaji železa.

Slika 5.1. Polimorfni preobražaji železa.


Razlika između temperatura zagrevanja i hlađenja za isti preobražaj (na primer preobražaj Ar3 se odvija na 906 °C, a preobražaj Ac3 na 912 °C) se objašnjava sklonošću železa ka pothlađenju.



UGLJENIK




Ugljenik se nalazi u IV grupi Periodnog sistema elemenata. Redni broj mu je 6, atomska masa 12, temperatura topljenja 3500 °C, a gustina 2,58 g/cm3. Ugljenik u strukturi čelika i gvožđa može da bude:

  • vezan sa železom u vidu hemijskog jedinjenja – karbida železa, Fe3C, koji se naziva cementit;

  • u slobodnom obliku kao grafit;

  • intersticijski rastvoren u α-Fe i γ-Fe obrazujući čvrste rastvore.

Cementit ima složenu rombičnu kristalnu rešetku, slika Cementit, koja se obrazuje pri sadržaju ugljenika od 6,67% C (ostatak do 100% je železo). Veze između atoma železa i ugljenika su prevashodno metalnog karaktera, zbog čega se cementit odlikuje i metalnim svojstvima, kao što su električna provodljivost i metalni sjaj. Mehanička svojstva su mu posledica kristalne strukture i metalne veze, zbog čega je veoma tvrd (800 HV) i krt. Temperatura topljenja cementita nije definitivno utvrđena (smatra se da je ∼1250 °C) zato što se on razlaže pre nego što dođe do njegovog topljenja, na osnovne komponente, železo i ugljenik, prema jednačini:

Fe3C → 3Fe + C (grafit)

Pojedini atomi železa u rešetki cementita mogu da budu zamenjeni atomima nekih drugih metala (Mn, Cr, Mo, W), pri čemu nastaje legirani cementit, na primer,

(FeMn)3 ili (FeMnMo)3C, koji ima veću tvrdoću od običnog cementita (do 1000 HV).

Grafit je jedna od alotropskih modifikacija ugljenika i ima prostu heksagonalnu rešetku, slika 5.3., koja se odlikuje slojevitim rasporedom atoma. Zbog različitih parametara rešetke (0,142 i 0,342 nm), sllika 5.2., i slojevitog rasporeda atoma ugljenika, grafit ima malu tvrdoću i malu žilavost.

Kristalne rešetke

Slika 5.2. Kristalna rešetka: Cementit.


Kristalne rešetke

Slika 5.3. Kristalna rešetka: Grafit.


Čvrsti rastvori. Pošto su atomi ugljenika dovoljno mali, oni mogu intersticijski da se smeste u međuprostore α-Fe i γ-Fe i na taj način obrazuju sledeće čvrste rastvore:
  • Ferit, koji predstavlja intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u α-Fe i obeležava se sa α. Rastvorljivost ugljenika u α-Fe zavisi od temperature: najmanja je na sobnoj temperaturi i iznosi 0,006 %C, a najveća na sobnoj na 727 °C i iznosi 0,025 %C. Na osobine ferita presudno utiče sadržaj C. Ako su u feritu, pored C, rastvoreni i atomi drugih legirajućih elemenata, onda se takav ferit naziva legirani ferit. Ferit je mek i plastičan (tvrdoća 80 HB, zatezna čvrstoća Rm=250 MPa, izduženje A=50%). Dobar je provodnik toplote i električne struje. Magnetičan je do približno 770 °C. Mikrostruktura ferita je prikazana na slici 5.4. .

  • Austenit, koji predstavlja intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u γ-železu, obeležava se sa γ i postojan je na temperaturama iznad 727 °C. Najmanja rastvorljivost ugljenika u površinski centriranoj kubnoj rešetki železa iznosi 0,8% na 727 °C a najveća 2,0% C na 1148 °C. Austenit je plastičan, ima veću zateznu čvrstoću i tvrdoću od ferita (170 – 200 HB, zavisno od sadržaja C). Kada se na mestu atoma železa u površinski centriranoj kubnoj rešetki austenita nalaze atomi drugih legirajućih elemenata (na primer Cr, Ni) onda se takav austenit naziva legirani austenit. Oblast stabilnosti legiranog austenita je različita od oblasti stabilnosti običnog austenita, pa on može da postoji i na temperaturama nižim od 727 °C. Mikrostruktura austenita je prikazana na slici 5.5. .

Mikrostruktura

Slika 5.4. Mikrostruktura: Ferit. Uvećanje 500x


Mikrostruktura

Slika 5.5. Mikrostruktura: Austenit. Uvećanje 500x



DIJAGRAM STANJA Fe-Fe3C (METASTABILNI)




Pošto ugljenik može da se nađe u vezanom obliku sa železom kao cementit i u slobodnom obliku kao grafit, postoje dva dijagrama stanja:
  • metastabilni dijagram stanja sistema železo – cementit (Fe-Fe3C), i

  • stabilni dijagram stanja sistema železo – grafit (Fe-CGr).

Metastabilni dijagram stanja je značajan za izučavanje čelika i livenih gvožđa kod kojih je ugljenik izdvojen u vidu cementita, dok je stabilni dijagram stanja bitan za livena gvožđa kod kojih je ugljenik izdvojen u vidu grafita. Dijagram stanja železo – cementit (prikazan je na slici 5.6.) u koordinatnom sistemu temperatura – sadržaj ugljenika do 6,67%, odnosno 100% cementita. Legure koje sadrže do 2,0% C (ugljenika ) se nazivaju čelici, a legure sa više od 2,0% C - livena gvožđa.

Metastabilni dijagram stanja Fe-Fe3C

Slika 5.6. Metastabilni dijagram stanja Fe-Fe3C


Slovni simboli kojima se označavaju karakteristične tačke, linije i faze u dijagramu, internacionalno su usvojeni i olakšavaju mnoga tumačenja i dogovore. Oznake karakterističnih tačaka dijagrama stanja su date u tabeli 5.1. Navedeni podaci o temperaturama i sadržaju ugljenika nisu definitivno određeni, pa se u literaturi mogu da nađu različite vrednosti.

Oznaka tačke
Temperatura, °C
Sadržaj ugljenika, %
Oznaka tačke
Temperatura, °C
Sadržaj ugljenika, %
A
1539
0.00
G
906
0.000
B
1499
0.50
P
727
0.025
E
1148
2.00
S
727
0.800
C
1148
4.30
K
727
6.670
F
1148
6.67
Q
20
0.006
D
∼1250
6.67
L
20
6.670

Tabela 5.1. Karakteristične tačke dijagrama stanja



Karakteristične linije na dijagramu stanja Fe-Fe3C




Linija koja nastaje spajanjem tačaka A, B, C i D se naziva likvidus linija (označava se sa A5), iznad koje su sve legure ovog sistema u tečnom stanju - rastopu, označenom R.
Linija koja se dobija spajanjem tačaka A, H, J, E, C i F se naziva solidus linija (označava se sa A4) i predstavlja završetak procesa kristalizacije. Ispod nje sve legure ovog sistema su u čvrstom stanju.
Između likvidus i solidus linije legure se sastoje iz rastopa i čvrste faze koja se izdvaja. Količina čvrste faze se povećava sa sniženjem temperature. Po liniji AB se izdvaja δ-ferit, po liniji BC austenit (γ), a po liniji CD primarni cementit (Fe3C′). Kristalizacija čvrste faze iz rastopa je označena kao primarna kristalizacija.

Linije SE i PQ predstavljaju solvus linije – linije rastvorljivosti ugljenika u austenitu (SE linija), odnosno rastvorljivosti ugljenika u feritu (PQ linija). Pošto se sa sniženjem temperature smanjuje rastvorljivost ugljenika u kristalnoj rešetki čvrstog rastvora α i γ, to se on izdvaja iz rešetke i sa atomima železa obrazuje cementit. Cementit koji se izdvaja iz austenita po SE liniji se naziva sekundarni cementit (Fe3C′′), da bi se razlikovao od primarnog cementita, koji nastaje iz rastopa. Cementit koji nastaje iz ferita po PQ liniji se označava kao tercijarni cementit (Fe3C′′′).

Vertikalna osa sa leve strane dijagrama stanja (100% Fe, 0% C) predstavlja liniju čistog železa i na nju su nanete tačke A, N i G koje odgovaraju temperaturama njegovih alotropskih preobražaja, slika 5.1. Vertikalna osa sa desne strane dijagrama stanja je linija čistog cementita (6,67% C) a položaj tačke D odgovara približno njegovoj temperaturi topljenja.

Po liniji ECF se odvija eutektička reakcija na eutektičkoj temperaturi (1148 °C). Eutektičkom reakcijom se obrazuje mehanička smeša koja se sastoji od austenita sa 2,0% C i primarnog cementita sa 6,67% C. Eutektička smeša se naziva ledeburit I (sa oznakom LI). Eutektička reakcija se prikazuje na sledeći način:

R4,3%C → LI (γ2,0%C + Fe3C′6,67%C)

Ova reakcija se odvija kod svih legura sistema Fe-Fe3C koji sadrže više od 2,0% C.

Linija PSK (727 °C) je eutektoidna linija - A1, po kojoj se odvija eutektoidni preobražaj austenita sa 0,8% C u mehaničku smešu ferita sa 0,025% C i sekundarnog cementita (Fe3C′′) sa 6,67% C. Eutektoidna smeša se naziva perlit (oznake P), a reakcija njegovog dobijanja se prikazuje kao:

γ0,8% C → P (α0,025% C + Fe3C′′6,67% C)

Legura sastava 0,8% C se naziva eutektoidni čelik, a eutektoidna reakcija predstavlja reakciju u čvrstom stanju (sekundarna kristalizacija). Naziv eutektoidni ukazuje na analogiju ove reakcije sa već opisanom eutektičkom reakcijom, pri čemu ulogu rastopa preuzima austenit, ulogu austenita ferit, a ulogu primarnog cementita sekundarni cementit.

Struktura perlita sastoji se iz feritne osnove i cementitne faze u vidu lamela (pločica) – lamelarni perlit, slika 5.7. Osim lamelarnog perlita, može da se formira zrnasti perlit, slika 5.8 , ako se izvede odgovarajuća termička obrada. Zrnasti perlit ima veću plastičnost, a manju tvrdoću od lamelarnog perlita.

Mikrostruktura lamelarnog perlita.

Slika 5.7. Mikrostruktura lamelarnog perlita. Uvećanje 500×


Mikrostruktura lamelarnog perlita.

Slika 5.8. Mikrostruktura zrnastog perlita. Uvećanje 500×


Ispod eutektoidne linije u strukturi čelika i gvožđa ne može da se nađe austenit, već perlit koji je nastao njegovim preobražajem. To znači da se, na eutektoidnoj temperaturi, austenit koji je prisutan u ledeburitu I (LI) transformiše u perlit, a novonastali ledeburit se naziva ledeburit II (LII).
U odnosu na eutektoidnu tačku, čelici se dele na:
  • podeutektoidne čelike sa sadržajem ugljenika od 0,025 do 0,8%, čija se struktura sastoji iz ferita i perlita;

  • eutektoidni čelik sa sadržajem ugljenika od 0,8%, čija se struktura sastoji od 100% perlita;

  • nadeutektoidne čelike sa sadržajem ugljenika od 0,8 do 2,0%, čija se struktura sastoji od perlita i sekundarnog cementita.

Struktura podeutektoidnog čelika bilo kog sastava (na primer 0,4% C) može da se analizira ako se posmatra hlađenje austenita od tačke a do tačke d, slika 5.9. Hlađenjem od tačke a do tačke b formira se ferit na granicama austenitnih zrna. Daljim hlađenjem, od tačke b do tačke c količina ferita se povećava. Na eutektoidnoj temperaturi preostali austenit sa 0,8% C se transformiše u perlit, tako da je struktura podeutektoidnog čelika odmah ispod eutektoidne temperature (tačka d) perlitno-feritna, i ostaje stabilna do sobne temperature, slika 5.10. .

Šematski prikaz obrazovanja strukture podeutektoidnog čelika.

Slika 5.9. Šematski prikaz obrazovanja strukture podeutektoidnog čelika. Uvećanje 500×


Mikrostruktura: svetlo - ferit, tamno - perlit.

Slika 5.10. Mikrostruktura: svetlo - ferit, tamno - perlit. Uvećanje 500x


Struktura nadeutektoidnog čelika bilo kog sastava (na primer 1,2% C) može da se analizira ako se posmatra hlađenje austenita od tačke a do tačke d, slika 5.11. Hlađenjem od tačke a do tačke b formira se cementit na granicama austenitnih zrna. Daljim hlađenjem od tačke b do c, količina cementita na granicama austenitnih zrna raste. Na temperaturi nešto ispod eutektoidne, tačka d, preostali austenit se transformiše u perlit prema eutektoidnoj reakciji. Na slici 5.12 prikazana je mikrostruktura nadeutektoidnog čelika sa 1,2% C.

Šematski prikaz obrazovanja strukture nadeutektoidnog čelika.

Slika 5.11. Šematski prikaz obrazovanja strukture nadeutektoidnog čelika. Uvećanje 1000×


Mikrostruktura: svetlo - cementit, tamno - lamelarni perlit.

Slika 5.12. Mikrostruktura: svetlo - cementit, tamno - lamelarni perlit. Uvećanje 1000x


U odnosu na eutektičku tačku, gvožđa se dele na:
  • podeutektička gvožđa sa sadržajem ugljenika od 2,0 do 4,3%, čija se struktura sastoji od perlita, sekundarnog cementita i ledeburita II;

  • eutektičko gvožđe sa sadržajem ugljenika od 4,3% čija se struktura sastoji od 100% ledeburita II;

  • nadeutektička gvožđa sa sadržajem ugljenika od 4,3 do 6,67%, čija se struktura sastoji od ledeburita II i primarnog cementita.

Mikrostrukture podeutektičkog i nadeutektičkog gvožđa su prikazane na slici 5.13. i 5.14.

. Mikrostruktura gvožđa podeutektičkog.

Slika 5.13. Mikrostruktura gvožđa podeutektičkog. Uvećanje 200x


Mikrostruktura gvožđa nadeutektičkog.

Slika 5.14. Mikrostruktura gvožđa nadeutektičkog. Uvećanje 200x


Pošto se kod livenih gvožđa sa porastom sadržaja ugljenika povećava količina cementita kao krte faze, ona nisu pogodna za plastičnu deformaciju. Ova gvožđa su pogodna za livenje jer imaju relativno nisku temperaturu topljenja i malu temperaturnu razliku između likvidus i solidus linije.

Vrh strane