Fe c diagram

Klementina Zupan, Zgorevalna sinteza Špela Smrkolj, diplomsko delo

KARAKTERIZACIJA MIKROSTRUKTURE ZLITIN V SISTEMU ŽELEZO-OGLJIK

Špela Smrkolj

Diplomsko delo


Namen

Celovita karakterizacija mikrostruktur zlitin Fe-C z različno vsebnostjo ogljika

Optična mikroskopija, kvantitativna analiza mikrostruktureVrstična elektronska mikroskopija (SEM) in elektronska mikroanaliza (EDS)Mikroskopija na atomsko silo (AFM)

Umeščanje vzorcev v fazni diagram Fe-C


Zlitine železa z ogljikom delimo na jekla in litine

Vsestranska uporabnost in sprejemljiva cena

Jekla delimo v skupine po načinu izdelave, po kemični sestavi, po kvaliteti, po strukturi in po namenu uporabe

Na mehanske in fizikalne lastnosti zlitin lahko vplivamo s toplotno obdelavo

Korozijsko obstojnost in odpornost jekel proti povišanim temperaturam povečamo z dodatki nekaterih legirnih elementov


Fazni diagram železo-ogljik

α- železo-feritγ- železo-avstenitcementit (Fe3C) evtektoid (perlit)evtektik (ledeburit)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7

ut % C

T /o

C

Fe

0,83

4,30

Fe3C cementit

avstenit

ferit

6,69

1227º C

1148º C

1493º C

2,11

727º C

L (tekoča)

L+Fe3C

γ+Fe3C

α+Fe3C

γ+L

Evtektik

Evtektoid


Rezultati

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7

ut % C

T /o

C

Fe

0,83

4,30

Fe3C cementit

avstenit

ferit

6,69

1227º C

1148º C

1493º C

2,11

727º C

L (tekoča)

L+Fe3C

γ+Fe3C

α+Fe3C

γ+L

Oznaka zlitine

CK-10

CK-45

CF-53

CK-60

CK-75

OC-100

Železo

Siva litina

Žebelj


CF-53 OC-100

CK-10

CK-45

CK-60 CK-75

SIVA LITINA

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7

ut % C

T /o

C

Fe

ŽELEZO

100µm

100µm 100µm 100µm 100µm

100µm

100μm

100μm

50μm

ŽEBELJ

Slike vzorcev zlitin posnetih na optičnem mikroskopu v povezavi s faznim diagramom Fe-C


Primer izračuna koncentracije ogljika v jeklu CK-10 iz kvantitativne analize mikrostrukture::

Izračun teoretičnega deleža perlita: 0,1 % C→

8759,069,6

83,069,6 =−Delež ferita in cementita v perlitu:

α (ferit)=

Fe3C (cementit)= 0,1241

3cm

g

20,7053

=cm

g

Izračun utežnih deležev perlita in ferita10,3941 vol % perlita → 10,3941cm3·7,845

89,6059 vol % ferita → 89,6059 cm3·7,87 g~89,64 %

∑(perlita+ferita)= 786,74αprimarni= 89,64 %

8759,036,10 ⋅⇒

98714,069,6

69,6 =Χ−

C%0860,0=Χ

Izračun ferita v perlitu (sekundarni ferit):perlit= 10,36 %

Delež α=

= 9,074 %= αsekundarni

αcelotni= αprimarni + αsekundarni= 89,64 % + 9,074 %= 98,714 %

Fe3C= 1- αcelotni= 1,286 %

%05,12083,0

01,0 =−

−

3cm

g

Na osnovi ploskovnega deleža posamezne faze smo določili volumske deleže faz:vol % (perlita)= 10,3941 → vol % (ferita)= 89,6059

ρcementita= 7,67ρferita= 7,87 ρperlita 3845,7

cm

g=3cm

g

= 81,54 g ~ 10,36 %


Tabela: Deleži ogljika (nazivni in določeni) posameznih vrst zlitin v sistemu Fe-C

* po podatkih proizvajalca** izračunan po podatkih pridobljenih iz kvantitativne analize slike

Oznaka zlitine

Delež ogljika %

Delež ogljika % **

CK-10 0,07-0,13* 0,09

CK-45 0,42-0,50* 0,43

CF-53 0,50-0,57* 0,54

CK-60 0,57-0,65* 0,59

CK-75 0,70-0,80* 0,75

OC-100 1,00-1,10* 1,13

Železo - -

Siva litina 3-4,3 4,39

Žebelj - 0,05


SIVA LITINA

ŽELEZO

CK-10

CK-45

CF-53 CK-60 CK-75

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7

ut % C

T /

oC

Fe

OC-100

1µm 1µm1µm 1µm 2µm

10µm 10µm

10µm

ŽEBELJ

2μm

Slike vzorcev zlitin posnetih z elektronskim mikroskopom v povezavi s faznim diagramom Fe-C


Elektronska mikroanaliza

Primer linijske analize jekla CK-45


Primer točkovne analize sive litine

Element Delež (%)

C K 99,83

Fe K 0,17

Element Delež (%)

C K 19,88

Si K 2,97

Mn K 0,80

Fe K 76,35


CK-10

CK-45

CF-53 CK-60 CK-75 OC-100

SIVA LITINA

ŽELEZO

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7

ut % C

T /

oC

Fe

8µm

2µm 1µm 0,5µm2µm

2µm

2µm

8µm

ŽEBELJ

2μm

Slike vzorcev zlitin posnetih zmikroskopom na atomsko silo (AFM)v povezavi s faznim diagramom Fe-C


Primer topografije perlita v jeklu z oznako CF-53

perlit


Primer lamele v sivi litini

grafitna lamela


Možnost uporabe AFM

AFM predstavlja dopolnilno tehniko metodam, ki se največ uporabljajo za karakterizacijo mikrostruktur kovinskih materialov.

Uporabljamo jo lahko za karakterizacijo topografije

površja tako na mikroskopskem kot atomskem nivoju.

Možnost raziskovanja topografije vzorcev

(trodimenzionalna podoba).

Možnost zasledovanja učinka površinske obdelave kovin.

Lahko pojasnimo oziroma kvantificiramo mikrostrukturne značilnosti (npr. višinski profil) posameznih elementov, ki v njej nastopajo.

Primer: vpliv morfologije in velikosti cementitnih zrn v perlitu


S kvantitativno analizo slik, narejenih z optičnim mikroskopom smo določili delež perlita in ga primerjali z območji sestav, ki jih navaja proizvajalec. Sestave so se zelo dobro ujemale pri podevtektoidnih jeklih, nekoliko manj pa pri nadevtektoidnem jeklu in sivi litini. Pri vzorcu železa analize nismo mogli narediti. Kljub temu smo vse vzorce umestili v fazni diagram Fe-C.

Za zlitine, ki smo jih analizirali je značilno, da se razlikujejo predvsem po deležu perlita (ta narašča z vsebnostjo ogljika v železu) in po obliki cementita v njem.

Z vrstično elektronsko mikroskopijo smo pri naših vzorcih ugotovili, da je cementit v perlitu v jeklih z deležem ogljika od 0,04 do 0,57 % v obliki lamel, pri jeklih z 0,59 % ogljika se cementit deloma nahaja v obliki lamel, deloma v obliki zrnc. Pri jeklu blizu evtektoidne sestave pa perlit sestavljajo cementitna zrnca v feritni matrici.

Z analizo AFM smo predstavili reliefno podobo polirane in jedkane površine vzorcev, v nekaterih primerih pa smo razlike v nivojih znotraj mikrostrukture predstavili tudi kvantitativno z višinskim profilom.

Zaključki

Fe c diagram

Documents

Transcript of Fe c diagram