Systém Fe-C

Čisté železo se vyskytuje ve dvou krystalických modifikacích: Při teplotě pod 911°C je stabilní železo s kubickou prostorově centrovanou mřížkou (BCC), které označujeme jako α-Fe. Při teplotách v intervalu 910 – 1392°C má železo kubickou plošně centrovanou mřížku (FCC) a označuje se γ-Fe. Nad teplotu 1392°C je stabilní opět modifikace s kubickou prostorově centrovanou mřížkou a nazývá se δ-Fe. Bod tání čistého železa je 1539°C.
Hlavním příměsovým prvkem ve slitinách železa je uhlík, který tvoří se železem intersticiální tuhý roztok. Tuhý roztok uhlíku v α-Fe se nazývá ferit. Rozpustnost uhlíku v α-Fe je velmi nízká (max. 0,018% při teplotě 723°C). Tuhý roztok uhlíku v γ-Fe se nazývá austenit. Rozpustnost uhlíku v γ-Fe je podstatně vyšší (max. 2,11% při teplotě 1147°C). Tuhý roztok uhlíku v δ-Fe se označuje jako δ-ferit.
Při vyšším obsahu uhlíku než udává uvedená rozpustnost dochází k vylučování karbidu železa Fe₃C (cementitu), případně grafitu.
Oblasti stability jednotlivých strukturních složek za rovnovážných podmínek znázorňuje rovnovážný fázový diagram železo – uhlík. Podle toho, zda se při krystalizaci vylučuje cementit nebo grafit, rozlišujeme tzv. stabilní systém Fe-C (železo – grafit) a metastabilní systém₃C (železo – cementit). Ke krystalizaci podle stabilního rovnovážného diagramu Fe-C dochází u slitin železa s obsahem C vyšším než 2,11% při velmi nízkých rychlostech ochlazování. Slitiny železa s méně než 2,11% uhlíku krystalizují prakticky vždy podle metastabilního diagramu Fe-Fe₃C (obr.1). Fe-Fe

Obr.1: Rovnovážný diagram metastabilní soustavy Fe-Fe3C

Při krystalizaci slitin železa může docházet podle obsahu uhlíku k peritektické, eutektické a eutektoidní přeměně.
Peritektickou přeměnou, probíhající při teplotě 1492°C, dochází reakcí δ-feritu a taveniny ke vzniku austenitu.
Eutektickou přeměnou, která probíhá při teplotě 1147°C, vzniká v případě krystalizace podle metastabilního diagramu ledeburit, což je eutektická směs austenitu a cementitu. V případě krystalizace podle stabilního diagramu vzniká eutektickou přemenou grafitické eutektikum – eutektická směs grafitu a austenitu.
K eutektoidní přeměně dochází při teplotě 723°C a takto vzniká perlit – lamelární směs feritu a cementitu.
Pro praktické použití jsou rozhodující tyto křivky diagramu:

• A₁ - eutektoidní teplota systému železo – uhlík
• A₃ – křivka vymezující dolní hranici oblasti stability austenitu při obsahu uhlíku nižším než 0,8%. Při ochlazování se při překročení této čáry začíná z austenitu vylučovat ferit.
• A_cm – křivka vymezující dolní hranici oblasti stability austenitu při obsahu uhlíku 0,8 - 2,11%. Při ochlazování se při překročení této čáry začíná z austenitu vylučovat cementit.

Rozdělení technických slitin železa

Technické slitiny železa se rozdělují podle obsahu uhlíku na oceli (méně než 2,11% C) a litiny
Oceli se dále dělí na podeutektoidní (do 0,8% C), eutektoidní (cca 0,8% C) a nadeutektoidní
Litiny, které vznikly krystalizací podle metastabilního diagramu, a tudíž obsahují ve struktuře cementit, se nazývají bílé litiny. Krystalizací podle stabilního diagramu vznikají tzv. šedé litiny, které obsahují grafit. (více než 2,11% C). (0,8 – 2,11%C). Struktura podeutektoidních ocelí je za normální teploty tvořena feritem a perlitem, nadeutektoidní oceli obsahují perlit a cementit. Strukturu eutektoidních ocelí tvoří pouze perlit.

Krystalizace a překrystalizace ocelí
Dále bude popsán mechanismus krystalizace podeutektoidních ocelí ( slitina I, II, III), eutektoidní (slitina IV) a nadeutektoidní oceli (slitina V).

Obr.2: Krystalizace a překrystalizace ocelí

Nad křivkami likvidu (obr.2) existuje pouze homogenní tavenina. Když u slitiny I (0,05% C) klesne teplota pod teplotu likvidu (bod a1), začne se z taveniny vylučovat tuhý roztok uhíku v železe δ, δ-ferit. V průběhu dalšího ochlazování se mění složení δ-feritu podle křivky solidu a složení taveniny podle křivky likvidu. Při teplotě odpovídající a₂ ztuhnou poslední zbytky taveniny a struktura bude tvořena homogenními krystaly -feritu. Při teplotě a₃ je δ-ferit přesycen uhlíkem a překrystalizací se z něho vylučuje austenit. S klesající teplotou ubývá feritu a přibývá austenitu. Zároveň se mění složení obou tuhých roztoků. Pod teplotou a4 je struktura slitiny tvořena homogenními krystaly austenitu. Tato struktura je stabilní až do teploty a₅ (pro sledovanou ocel teplota A₃), kdy se z austenitu začne vylučovat α-ferit. První krystaly feritu vznikají na hranicích austenitických zrn a mají velmi nízký obsah uhlíku. Pi teplotě 760°C (A₂) se dosud paramagnetické krystaly α-feritu stávají feromagnetickými. Při teplotě 723°C (teplota A₁), což je teplota eutektoidní, bude v rovnováze ferit s obsahem 0,018% C a austenit o složení eutektoidním. Austenit o eutektoidním složení je nasycen uhlíkem a bude se při konstantní teplotě rozpadat na ferit a cementit. Tato eutektoidní struktura má stálý poměr feritu a cementitu, vyskytuje se nejčastěji ve formě lamel a nazývá se lamelární perlit. Vznikající cementit se označuje jako perlitický cementit nebo eutektoidní cementit. Při dalším chladnutí se snižuje rozpustnost uhlíku v α-feritu a přebytečný uhlík se vylučuje jako terciární cementit. Je-li uhlíku méně než 0,018%, vylučuje terciární cementit po hranicích feritických zrn. Je-li ho více, ukládá se k již vyloučenému perlitickému cementitu. Po zchladnutí bude struktura tvořena feritem a perlitem.
Slitina II (0,12%C) začíná tuhnout v bodě b1, kdy se z taveniny vylučují první krystaly α-feritu. V bodě b2 – peritektická teplota – jsou v rovnováze tři fáze: δ-ferit, austenit a tavenina. Při peritektické teplotě dojde k reakci podle schématu:

Tato reakce probíhá tak dlouho, dokud nevymizí jedna fáze, tedy v našem případě dokud se nespotřebuje všechna tavenina. Část δ-feritu zůstane zachována a s klesající teplotou se bude měnit na austenit (v intervalu teplot b2 až b3). V intervalu teplot b3 až b4 je stabilní homogenní austenit. K dalším změnám dochází až při dosažení teploty A₃ (bod b4), kdy se z austenitu začne vylučovat ferit. Při eutektoidní teplotě se zbylý austenit rozpadne na perlit. Další chladnutí oceli způsobí vylučování terciárního cementitu. Struktura oceli po zchladnutí bude tvořena feritem a perlitem. Perlitu však bude více než u slitiny I.
Slitina III (0,4% C) začíná tuhnout při teplotě c1. Z taveniny se vylučují krystaly -feritu až do peritektické teploty. Peritektická reakce probíhá za přebytku taveniny, takže výsledkem reakce bude směs δ-feritu a taveniny, která v intervalu teplot c2 až c3 bude tuhnout jako austenit. Další zmny struktury jsou obdobné jako u slitin I nebo II s tím, že perlitu bude opět víc. Z obr. 2 je zřejmé, že slitiny s obsahem uhlíku do 0,5% začínají krystalovat vylučováním -feritu, zatímco u slitin s vyšším obsahem uhlíku krystaluje z taveniny přímo austenit.
Slitina IV (0,765%C) je ocel přesně eutektoidní. Krystalizace začíná při teplotě likvidu (bod d1) vylučováním krystalů austenitu a končí při teplotě d2. Další změny nastávají při teplotě eutektoidní – A₁ – kdy se austenit rozpadne na perlit. Pod touto teplotou je struktura oceli perlitická.
Slitina V (1,5% C) je ocelí nadeutektoidní. Krystalizace začíná v bodě e1, kdy se z taveniny vylučují přímo krystaly austenitu. Po skončení krystalizace (interval e1 až e2) je slitina tvořena homogenním austenitem. Překrystalizace austenitu začíná na křivce změny rozpustnosti uhlíku v austenitu (křivka A_cm). Při teplotě e3 je austenit nasycen uhlíkem a při dalším poklesu teploty se uhlík bude vylučovat jako sekundární (segragační) cecmentit po hranicích zrn austenitu. Při eutektoidní teplotě dosáhne koncentrace uhlíku v austenitu eutektoidní koncentrace a austenit se rozpadne na perlit. Struktura nadeutektoidní oceli je tedy tvořena perlitem a sekundárním cementitem, který tvoří jemné síťoví kolem původních hranic zrn austenitu.
Krystalizace a překrystalizace bílé litiny
Krystalizace slitin s obsahem uhlíku nad 2,11% začíná na křivkách likvidu a končí při eutektické teplotě 1147°C (obr. 3). Krystalizace litin tedy končí eutektickou přeměnou a v tuhém stavu probíhají obdobné změny jako v nadeutektoidních ocelích. Tím, že se v litinách vyskytuje eutektikum, je jejich struktura složitější než struktura oceli.

Obr.3: Krystalizace a překrystalizace bílé litiny

Slitina I (3% C) – podeutektická bílá litina – začíná tuhnout při teplotě a1, kdy z taveniny krystaluje austenit. Austenit tuhne ve formě dendritických krystalů. Při eutektické teplotě (bod a2) má austenit 2,11% C a je v rovnováze se zbylou taveninou s obsahem 4,3% C. Zbylá tavena eutektického složení ztuhne jako metastabilní eutektikum podle schématu:

Struktura, skládající se z austenitu a eutektického cementitu se nazývá ledeburit. V intervalu teplot a2 až a3 klesá rozpustnost uhlíku v austenitu a ten se vylučuje ve formě sekundárního cementitu. V této fázi se struktura skládá z primárních dendritických zrn austenitu, z drobných krystalů austenitu eutektického a z krystalů cementitu, který se nalézá na hranicích zrn obou druhů krystalů austenitu. Uhlík z eutektického austenitu se ukládá k eutektickému cementitu. Při eutektoidní teplotě (a3) je v rovnováze austenit o eutektoidním složení a cementit. Primární i eutektický austenit se rozpadne na perlit. Z primárního austenitu vznikají rozsáhlé perlitické oblasti, kdežto z eutektického austenitu vznikají pouze drobné ostrůvky perlitu. Původní jednoduchá eutektická struktura skládající se z austenitu a eutektického cementitu je po ukončení přeměn složena z eutektického a sekundárního cementitu a perlitu. Tato struktura se označuje jako transformovaný (rozpadlý) ledeburit. Kromě transformovaného ledeburitu obsahuje struktura podeutektické bílé litiny ještě perlit a sekundární cementit, jako produkty rozpadu primárních dendritických zrn austenitu.
Slitina II (5% C) – nadeutektická bílá litina – začíná tuhnout při teplotě b1 vylučováním hrubých krystalů primárního cementitu. Krystalizace primárního cementitu končí při eutektické teplotě, kdy je v rovnováze tavenina eutektického složení a primární cementit. Tato tavenina při konstantní teplotě ztuhne jako ledeburit. Těsně po ztuhnutí je tedy struktura tvořena primárním cementitem a ledeburitem. Při dalším poklesu teploty se odehrávají podobné změny jako u slitiny I, takže struktura pod teplotou A1 se skládá z primárního cementitu a transformovaného ledeburitu.
Slitina III (4,3% C) je slitina právě eutektická. Krystaluje při nejnižší teplotě ze všech slitin systému Fe-Fe₃C. Z veškeré taveniny vzniká ledeburit. V průběhu dalšího chladnutí probíhají přeměny, které byly popsány u slitiny II pro eutektický austenit. Výslednou strukturou tedy bude transformovaný ledeburit.

Krystalizace a překrystalizace šedé litiny
Jak již bylo uvedeno výše, šedé litiny vznikají krystalizací podle stabilního diagramu Fe-C. Krystalizace podle stabilního diagramu (obr.4) probíhá pouze při velmi nízkých rychlostech ochlazování.

Obr.4: Krystalizace a překrystalizace šedé litiny

Krystalizace slitiny I (podeutektická litina) začíná na křivce likvidu, kdy se z taveniny vylučují první dendritické krystaly austenitu o složení daném bodem na křivce solidu. S klesající teplotou přibývá austenitu, koncentrace uhlíku v austenitu klesá a krystalizace končí při eutektické teplotě, kdy obsah uhlíku v austenitu dosáhne 2,11 % C a je v rovnováze s taveninou s obsahem 4,26 % C. Tavenina eutektického složeni ztuhne při konstantní teplotě podle schématu:

Vznikající eutektikum se skládá z austenitu a lupínků grafitu, označuje se jako grafitické eutektikum a vyplňuje prostor mezi primárními dendrity austenitu. Při dalším poklesu teploty klesá rozpustnost uhlíku v austenitu podle čáry Acm (obr.4.2). Primární i eutek-tický austenit se přesycuje uhlíkem, který se vylučuje jako sekundární grafit - ukládá se většinou k již existujícím krystalům grafitu. Při eutektoidní teplotě obsahuje austenit 0,69 % C a rozpadá se podle schématu

Z austenitu tak vzniká grafitický eutektoid. Podobně jako sekundární grafit, ukládá se také eutektoidní grafit na lupínky dosud vzniklého grafitu.
Struktura podeutektické litiny bude při teplotě okolí tvořena feritem a lupínkovým grafitem.
Slitina II (nadeutektická litina) začne tuhnout při dosažení teploty likvidu. Z taveniny krystalují hrubé krystaly primárního grafitu, který je přibližně 3x lehčí než tavenina, takže vyplouvá na povrch. Tavenina se tak postupně ochuzuje uhlíkem až do eutektického obsahu. Další změny při ochlazováni probíhají podle stejného schématu jako u slitiny I. Výsledná struktura slitiny II je tvořena feritickou základní hmotou, v niž jsou uloženy jednak hrubé primární krystaly grafitu a jednak jemnější eutektické krystaly grafitu. Obojí ještě obsahují také sekundární a eutektoidni grafit.
Slitina III (eutektická litina) tuhne při eutektické teplotě 1153 °C, kdy se veškerá tavenina přemění na grafitické eutektikum. Austenit se při dalším ochlazování mění stejně jako v předchozích případech. Sekundární i eutektoidni grafit se ukládá k lupínkům eutektického grafitu.