Binární diagram železo-uhlík

náhled| Schéma rovnovážného binárního diagramu metastabilní soustavy Fe-Fe3C A – austenit, F – ferit, P – perlit, L – ledeburit, C – cementit, ℓ – tavenina (likvidus)

Binární diagram železo-uhlík popisuje rovnovážný binární systém, ve kterém lze v závislosti na obsahu uhlíku a teplotě odečíst fázové a strukturní přeměny ve slitině železo-uhlík, tj. technickém železe. Kromě železa v převažující koncentraci a uhlíku jsou v technickém železe obsaženy ještě další žádoucí prvky, jako jsou např. mangan, křemík atd., ale i nežádoucí, zejména fosfor a síra. Nejdůležitější prvek – kromě železa – obsažený ve slitině je uhlík, jehož i malé změny koncentrace mají zásadní dopad na vlastnosti materiálu. Jako oceli se označují slitiny do obsahu 2,14 % uhlíku,Procentní podíl se v tomto článku uvažuje jako hmotnostní, tj. hm. % nad tuto koncentraci se slitiny železo-uhlík označují jako surová železa nebo litiny.

Podle formy vyloučení uhlíku se rozlišují dva typy rovnovážného binárního diagramu železo-uhlík: buď diagram metastabilní soustavy Fe-Fe3C nebo diagram stabilní soustavy Fe-C. Diagram metastabilní soustavy, ve které je uhlík vyloučen jako karbid železa Fe3C (někdy též cementit), se používá pro oceli a bílou litinu. Diagram stabilní soustavy, ve které je uhlík vyloučen v elementární formě, tj. jako grafit, se používá pro šedé litiny.

Rovnovážný diagram je relevantní pouze při velmi pomalém ochlazování slitiny, kdy se rychlost ochlazování limitně blíží nule. Při vyšších rychlostech ochlazování je nutné použít diagramy izotermického rozpadu austenitu (IRA) nebo anizotermického rozpadu austenitu (ARA).

Alotropické modifikace čistého železa

náhled|Atomové mřížky železa α a železa γ (bez měřítka) Čisté železo se vyskytuje v několika alotropických modifikacích. Železem α se nazývá kubická prostorově středěná struktura železa, která je stabilní do teploty 911 °C a nad 1392 °C. Železo α je feromagnetické až do teploty 769 °C, tzv. Curieovy teploty.Foldyna et al., str. 71Hluchý et al., str. 57 Nad touto teplotou se někdy označuje jako železo β. Velikost hrany atomové mřížky železa je závislá na teplotě a v případě nízkoteplotního železa α (β) je maximální rozměr 2,9×10−10 m.Foldyna et al., str. 72 Železo γ je kubická plošně středěná struktura železa, která je stálá mezi teplotami 911 °C a 1392 °C. Železo γ, stejně jako železo β, je již paramagnetické. Hrana atomové mřížky železa γ je větší než u železa α s rozměrem přibližně 3,65×10−10 m. Vysokoteplotní modifikace železa α (nad 1392 °C) se často označuje jako železo δ.

Strukturní fáze slitin železo-uhlík Uhlík je jedním z prvků, které umožňují vytvářet s železem tzv. intersticiální tuhý roztok,Někdy též mezerový kdy se atomy uhlíku vtěsnají do prostoru mezi atomy železa. Rozdílný typ a velikost atomové mřížky má vliv mj. i na rozdílnou rozpustnost uhlíku v jednotlivých modifikacích železa.Foldyna et al., str. 68 Tuhý roztok uhlíku v železe α se nazývá ferit α nebo jenom ferit s maximální rozpustností 0,02 % uhlíku při teplotě 727 °C. Paramagnetická fáze feritu se označuje jako ferit β. Tuhý roztok uhlíku v železe γ se nazývá austenit s rozpustností až do 2,11 %. Uhlík v železe δ tvoří tzv. ferit δ, ve kterém je rozpustnost uhlíku maximálně 0,10 % při teplotě 1499 °C.Hluchý et al., str. 58

Při obsahu uhlíku nad mezí rozpustnosti tvoří uhlík v železe samostatné fáze buď jako metastabilní soustava se železem, tzv. karbidem železa Fe3C – cementitem, nebo jako stabilní soustava s tzv. volným uhlíkem C – grafitem.Foldyna et al., str. 73Hluchý et al., str. 59

V eutektoidních ocelích – s obsahem uhlíku právě 0,765 % – se při chladnutí z austenitu tvoří lamelární eutektoid tzv. perlit, což je směs 88,5 % feritu a 11,5 % cementitu.Hluchý et al., str. 62Hluchý et al., str. 63 Eutektikum, tj. eutektická litina nebo surové železo, se při obsahu 4,3 % uhlíku nazývá ledeburit. Je tvořen zrny austenitu o obsahu 2,11 % uhlíku a cementitu o obsahu 6,68 % uhlíku při teplotě 1148 °C. Při chladnutí se austenit rozpadá na perlit a cementit: tato směs perlitu v základním cementitu se často označuje jako tzv. rozpadlý ledeburit nebo transformovaný ledeburit.Hluchý et al., str. 65

Grafitové eutektikum je směs krystalů austenitu s lupínkovým grafitem, která vzniká při teplotě 1154 °C a obsahu uhlíku 4,26 %. Grafitový eutektoid je směs feritu a grafitu, která vzniká při teplotě 738 °C s obsahem uhlíku 0,69 %.Hluchý et al., str. 66Hluchý et al., str. 67

Slitina železa s uhlíkem se nazývá technickým železem.

Binární diagramy Rovnovážný diagram metastabilní soustavy Fe-Fe3C má technický smysl jen asi do 5 % obsahu uhlíku pro bílou litinu a pro oceli do 2,11 %. Pro vyšší koncentrace uhlíku v železe – u šedých litin – se používá diagram stabilní soustavy. Oba diagramy se často vykreslují přes sebe, přičemž metastabilní soustava se kreslí plně a stabilní čárkovaně.Hluchý et al., str. 60

náhled|450px|Rovnovážný diagram metastabilní (plně) soustavy železo–uhlík (stabilní soustavy slitiny je označena čárkovaně); Fe3CI, II, III je označení primárního, sekundárního a terciárního cementitu; L – likvidus (tavenina), α – ferit α, α(δ) – ferit δ, γ – austenit, ledeburitT – transformovaný ledeburit

Poznámka: Některé hraniční linie a jejich významné body jsou uvedeny v odstavci kapitálkami s kurzivou, např. větev likvidu AB.

Metastabilní soustava Fe-Fe3C Metastabilní soustava Fe–Fe3C (železo-cementit) je binární soustava s úplnou nerozpustností železa a omezenou rozpustností uhlíku. Na vodorovné ose rovnovážného diagramu jsou vyneseny koncentrace uhlíku zleva doprava. V hodnotě obsahu uhlíku 6,68 % je maximální (100%) obsah Fe3C. Na svislé ose je uvedena teplota ve stupních Celsia. Jako likvidus se označuje tavenina.Hluchý et al., str. 61

Při hodnotách uhlíku do 0,765 % se oceli označují jako podeutektoidní, při hodnotě 0,765 % jako eutektoidní a od 0,765 % do 2,11 % jako nadeutektoidní. Slitina s obsahem uhlíku nad 2,11 % se nazývá buď jako surové železo nebo litina. Eutektikum se tvoří při obsahu uhlíku 4,3 %, od 2,11 % do 4,3 % obsahu uhlíku se jedná o podeutektické slitiny, při obsahu od 4,3 % do 6,68 % nadeutektické slitiny. Litina, která krystalizuje v souladu s diagramem metastabilní soustavy, se označuje jako bílá litina, protože obsahuje ve struktuře cementit. Výsledky krystalizace ocelí a bílé litiny jsou různé v závislosti na obsahu uhlíku.Foldyna et al., str. 74

Krystalizace podeutektoidních ocelí Při chladnutí oceli s obsahem uhlíku do 0,01 % z oblasti likvidu dochází po překročení tzv. větve likvidu AB ke krystalizaci feritu δ ve směsi s taveninou. Po překročení čáry AH bude ve směsi pouze ferit δ, který se přemění na směs s austenitem v oblasti mezi křivkami NH a NJ. Dalším ochlazováním roztoku se tvoří pouze zrna austenitu. Podobně krystalizuje i ocel s obsahem uhlíku od 0,01 % do 0,756 %. U slitiny s obsahem uhlíku 0,16 % však proběhne ještě peritektická reakce (na linii HB) při teplotě 1499 °C, při které se vyvíjejí pouze zrna austenitu. Při obsahu uhlíku mezi 0,10 a 0,16 %, vznikne směs krystalů feritu δ a austenitu. Při obsahu uhlíku od 0,16 % do 0,51 % se tvoří směs austenitu a likvidu. Při koncentraci uhlíku do 0,756 % probíhá krystalizace bez peritektické reakce na austenit podle větve JE.Foldyna et al., str. 75Foldyna et al., str. 76

náhled|vlevo|Mikrostruktura feriticko-perlitické oceli; světle šedá jsou zrna feritu a tmavě šedá zrna perlitu uhlíkové oceli o složení 0,18 % C, 0,43 % Mn, 0,009 % P a 0.026 % S Překročením teploty A3 (větev GOS) roztok začne krystalizovat na ferit α, při dosažení teploty A2 (větev MO) se ferit stane feromagnetickým, po dosažení eutektoidní teploty A1 se začne austenit rozpadat na perlit. Struktura oceli je pak feriticko-perlitická. Při obsahu uhlíku do 0,02 % je ve struktuře obsažen terciární cementit s feritem.Hluchý et al., str. 64

Krystalizace eutektoidní oceli Ochlazováním z likvidu se nejprve tvoří směs zrn austenitu a taveniny mezi křivkami BC a JE až do úplné krystalizace taveniny na zrna austenitu. Při eutoktoidní reakci (bod S při teplotě 727 °C) se austenit přemění na směs feritu a eutektoidního cementitu – perlitu.Foldyna et al., str. 77 Slitina se nazývá perlitická ocel a obsah uhlíku je právě 0,765 %.

Krystalizace nadeutektoidní oceli Krystalizace austenitu z taveniny probíhá stejně jako u eutektoidních ocelí. Rozpad austenitu však začíná už na linii SE, která se označuje jako teplota Acm. V austenitu se tvoří sekundární cementit až do teploty 727 °C, pod kterou se austenit mění na perlit. Struktura nadeutektoidních ocelí s obsahem uhlíku od 0,765 % do 2,11 % je pak tvořena perlitem a sekundárním cementitem.

Krystalizace podeutektické slitiny Slitina s uhlíkem mezi 2,11 a 4,3 % krystalizuje v dendritické struktuřeŘecky déndron označuje „strom“, tedy dendritická struktura znamená stromovou strukturu austenitických zrn při chladnutí likvidu mezi větvemi BC a EC, tzv. eutektiáklou. Chladnutím z eutektické teploty 1148 °C krystalizuje zbylá tavenina ve formě eutektického cementitu, tj. ledeburitu. S klesající teplotou klesá i rozpustnost uhlíku v austenitu až do eutektoidní teploty za vylučování uhlíku ve formě sekundárního cemenitu. Pod eutektoidní teplotou 727 °C se austenit rozpadá na perlit. Slitina pak obsahuje perlit, sekundární cementit a transformovaný (rozpadlý) ledeburit.

Krystalizace eutektické slitiny Eutektická slitina s obsahem uhlíku 4,3 % krystalizuje z taveniny při nejnižší tzv. eutektické teplotě 1148 °C přímo za vzniku ledeburitu.

Krystalizace nadeutektické slitiny Nadeutektická slitina s obsahem uhlíku od 4,3 do 6,68 % začíná tuhnout na křivce CD při tvorbě zrn primárního cementitu až do teploty eutektikály (1148 °C). Zbylá tavenina překročením eutektikály začne krystalizovat na zrna ledeburitu. Pod teplotou 727 °C se stejně jako u podeutektoidní slitiny ledeburit přemění na transformovaný ledeburit. Směs pak obsahuje ještě i primární cementit.

náhled|450px|vpravo|Rovnovážný diagram stabilní (čárkovaně) soustavy železo-uhlík do obsahu uhlíku 6,68 % (metastabilní soustava slitiny je označena plně); CI, II, III je označení primárního, sekundárního a terciárního grafitu; L – likvidus (tavenina), Ce – grafitový eutektoid, CE – grafitové eutektikum, γ – austenit

Poznámka: Některé hraniční linie a jejich významné body jsou uvedeny v odstavci kapitálkami s kurzivou, např. větev A’C’.

Stabilní soustava železo-uhlík Binární diagram stabilní soustavy má praktické využití jen pro slitiny s obsahem uhlíku vyšším než 2 %. Na vodorovné ose rovnovážného diagramu je vynesena koncentrace uhlíku, která vzrůstá zleva doprava. Eutektická krystalizace a eutektoidní rozpad stabilní soustavy probíhají při nižším obsahu uhlíku a při vyšších teplotách než u metastabilní soustavy. Litiny obsahující grafit se na lomu jeví jako šedé, proto jsou také označovány jako tzv. šedé litiny.

Podeutektické slitiny obsahují od 2,08 % (2,11 %) do 4,26 % uhlíku. Obsah uhlíku nad 4,26 % tvoří nadeutektickou slitinu.

Krystalizace podeutektické slitiny Při chladnutí slitiny z likvidu nejdříve se začnou vytvářet krystaly austenitu v tavenině – pod větví A’C’. Překročením eutektické teploty 1154 °C (čára E’C’) se z taveniny vyloučí primární grafit a grafitové eutektikum k již vytvořeným krystalům austenitu. Pod eutektoidní teplotou 737 °C (čára O’K’) se austenit rozpadá na grafitový eutektoid, tj. směs feritu a lupínkového grafitu

Krystalizace eutektické slitiny Při koncentraci 4,26 % uhlíku vzniká při chladnutí přímo grafitické eutektikum (směs zrn austenitu a grafitu). Austenit se dále rozpadá na ferit a grafit, stejně jako u podeutektické slitiny.

Krystalizace nadeutektické slitiny