Fázový diagram železo-uhlík
Obsah
Železo a jeho slitiny tvoří základ moderního materiálového inženýrství. Používají se k výrobě nosných konstrukcí, nástrojů, strojů a prvků průmyslové infrastruktury. Klíčem k pochopení chování těchto materiálů, jak v pevném stavu, tak během tepelných procesů, je analýza fázového diagramu železo-uhlík (Fe-C).
Fázový diagram Fe–C popisuje rovnovážné fázové přeměny, ke kterým dochází ve slitinách železa obsahujících až přibližně 6,7 % uhlíku. V praxi však mají největší význam slitiny s mnohem nižším obsahem tohoto prvku, tj. oceli (do 2,11 % C) a litiny (nad 2,11 % C). Znalost fázového diagramu Fe–C nám umožňuje předpovědět:
- jaké krystalové struktury se ve slitině po ochlazení vytvoří,
- jaké budou její mechanické a technologické vlastnosti
- a jak naplánovat tepelné zpracování, aby bylo dosaženo požadovaného účinku.
Proto je fázový diagram železo-uhlík považován za nejdůležitější fázový diagram rovnováhy v metalurgii a tvoří základ pro návrh, zpracování a modifikaci slitin železa.
Vlastnosti fázového diagramu železo-uhlík
Fázový diagram železo-uhlík (Fe-C) je graf znázorňující vztah mezi obsah uhlíku a teplotou pro slitiny železa v termodynamické rovnováze. Tento diagram pokrývá rozsah až do 6,67 % C, což odpovídá chemickému složení cementitu (Fe₃C), pevné intermetalické sloučeniny železa a uhlíku.
V průmyslové praxi se používají slitiny obsahující až 4,3 % uhlíku, tj. různé druhy oceli a litiny. Tento diagram nám umožňuje určit, které fáze a mikrostruktury budou v materiálu přítomny při dané teplotě a jaké fázové přeměny nastanou při ochlazování nebo ohřevu.
V fázovém diagramu Fe–C existují tři hlavní fáze: ferit (α), měkká, tažná fáze s pravidelnou tělesocentrickou (BCC) mřížkou, schopná rozpouštět pouze stopové množství uhlíku; austenit (γ), fáze s pravidelnou kubickou mřížkou (FCC), která se vyskytuje při vyšších teplotách a může rozpouštět až 2,11 % uhlíku; a cementit (Fe₃C), chemická sloučenina s velmi vysokou tvrdostí, ale nízkou plasticitou.
Zvláště důležité jsou charakteristické body grafu: eutektoidní bod (727 °C, 0,8 % C), ve kterém se austenit přeměňuje na směs feritu a cementitu, tj. perlit; a eutektický bod (1147 °C, 4,3 % C), ve kterém kapalný kov tvoří ledeburit, směs austenitu a cementitu. Za zmínku stojí také peritektická transformace (1495 °C, 0,16 % C), která má hlavně teoretický význam.
Fázový diagram Fe–C je základním nástrojem používaným při navrhování slitin železa, při plánování jejich tepelného zpracování a při předpovídání jejich provozních vlastností.
Cementit, ferit a austenit
Základními fázemi vyskytujícími se v fázovém diagramu železo-uhlík jsou cementit (Fe₃C), ferit (α) a austenit (γ). Jejich přítomnost, množství a vzájemné poměry určují strukturu a vlastnosti slitiny, a to jak v surovém stavu, tak po tepelném zpracování.
Cementit (Fe₃C) je chemická sloučenina železa a uhlíku s obsahem uhlíku 6,67 % C. Jedná se o velmi tvrdou a křehkou fázi s tvrdostí až 800 HV, ale kvůli své netvárnosti není sama o sobě užitečným materiálem. Vyskytuje se jako složka složitých struktur, jako je perlit a ledeburit, kde jeho přítomnost významně ovlivňuje odolnost materiálu proti otěru a tvrdost.
Ferit (α) je pevný roztok uhlíku v alfa železe s prostorově centrickou tělesocentrickou (BCC) mřížkou. Jedná se o měkkou, tažnou a snadno zpracovatelnou fázi obsahující pouze stopové množství uhlíku – maximálně 0,02 % při 727 °C. Díky těmto vlastnostem je ferit hlavní fází odpovědnou za tažnost a tvarovatelnost v nízkouhlíkových ocelích.
Austenit (γ) je pevný roztok uhlíku v gama železe s plochocentrickou krystalovou mřížkou (FCC). Tato fáze se tvoří při vyšších teplotách a její rozpustnost uhlíku dosahuje 2,11 % C při 1147 °C. Austenit je tažný a nemagnetický, což ho činí obzvláště cenným v tepelné úpravě a procesech povrchového kalení. Kromě toho se austenit díky své struktuře může při rychlém ochlazení přeměnit na jiné fáze (např. martenzit).
Vztah mezi těmito třemi fázemi – cementitem, feritem a austenitem – je zásadní pro pochopení chování slitin železa při ochlazování, ohřevu a nasycení prvky. Řízené fázové přeměny umožňují inženýrům přizpůsobit mikrostrukturu oceli a litiny tak, aby splňovala specifické technologické a provozní požadavky.
Perlit, ledeburit a eutektoidy
Perlit je jemnozrnná vrstevnatá směs dvou fází – feritu a cementitu – vzniklá v důsledku eutektoidní přeměny austenitu při teplotě 727 °C a obsahu uhlíku 0,8 %. Má charakteristickou lamelární strukturu připomínající střídavé vrstvy, která kombinuje střední tvrdost s dobrou plasticitou. V uhlíkatých ocelích je perlit běžný a je zodpovědný za příznivou kombinaci pevnosti a obrobitelnosti.
Ledeburit je směs austenitu a cementitu, která vzniká při teplotě 1147 °C a obsahu uhlíku 4,3 % C v důsledku eutektické kapalné transformace. Vyskytuje se především v litinách, kde je zodpovědný za velmi vysokou tvrdost a odolnost proti otěru, současně však omezuje tažnost a obrobitelnost materiálu. Při dalším ochlazování dochází k sekundárním transformacím austenitu obsaženého v ledeburitu, např. na perlit nebo bainit, v závislosti na rychlosti ochlazování.
Eutektoidy a eutektika jsou speciální body na diagramu rovnováhy Fe–C, kde se jedna fáze přeměňuje na směs dvou dalších:
- V případě eutektoidu se austenit rozkládá na ferit a cementit (perlit);
- V případě eutektika se kapalný kov přímo tuhne na směs austenitu a cementitu (ledeburitu).
Klasifikace slitin železa a uhlíku: oceli a litiny
Slitiny železa a uhlíku se neklasifikují pouze podle struktury, ale především podle obsahu uhlíku. Mezní hodnota, která odděluje dvě hlavní skupiny materiálů, je 2,11 % C, což odpovídá eutektoidnímu bodu v fázovém diagramu Fe-C.
Ocel je slitina železa, která obsahuje až 2,11 % uhlíku. Vyznačuje se dobrou plasticitou, tažností a obrobitelností. Díky přítomnosti austenitu, feritu a perlitu lze ocel kalit, žíhat a popouštět, což umožňuje modifikovat její strukturu a přizpůsobit její vlastnosti konkrétním aplikacím. Rozlišují se mimo jiné tyto typy:
- nízkouhlíkové oceli (do 0,3 % C) – měkké, snadno svařitelné, používané v nosných konstrukcích,
- středně uhlíkové oceli (0,3–0,6 % C) – s vyváženými pevnostními vlastnostmi,
- vysoce uhlíkové oceli (nad 0,6 % C) – tvrdé, odolné proti opotřebení, používané na nástroje.
Litiny jsou slitiny s obsahem uhlíku nad 2,11 % C, díky čemuž tuhnou eutektickými přeměnami a obsahují ledeburit. Tyto materiály jsou odolné proti opotřebení, snadno odlévatelné a relativně levné, ale jsou také křehké a obtížně obrobitelné. Podle formy, v jaké je uhlík ve struktuře přítomen (cementit nebo grafit), se rozlišují následující typy:
- bílá litina – s cementitem, velmi tvrdá, ale křehká,
- šedá litina – s vločkovitým grafitem, lépe obrobitelná a tlumící vibrace,
- litina s kulovitým grafitem (SG) – s kulovitým grafitem, s lepšími pevnostními vlastnostmi,
- tvárná litina – tepelně zpracovaná, s jemným grafitem, což vede ke zvýšené tažnosti.
Aplikace diagramu rovnováhy Fe–C v průmyslové praxi
Fázový diagram železo-uhlík (Fe-C) je jedním z nejdůležitějších nástrojů používaných v materiálovém inženýrství. Umožňuje nám pochopit a předvídat strukturální změny, ke kterým dochází ve slitinách železa při zahřívání a ochlazování, což je zásadní pro plánování technologických procesů a analýzu vlastností materiálů.
Diagram lze mimo jiné použít k určení teplot, při kterých dochází k fázovým přeměnám, k identifikaci krystalových struktur přítomných v daném teplotním rozsahu a k pochopení změn mechanických vlastností slitiny v závislosti na obsahu uhlíku. V praxi to umožňuje inženýrům navrhnout celý proces zpracování materiálu, od odlití až po konečné tepelné zpracování. Znalost diagramu se využívá při:
- výběru parametrů tepelného zpracování, jako je kalení, žíhání, popouštění nebo normalizace,
- strukturální diagnostice materiálů, zejména při hodnocení kvality odlitků nebo detekci tepelných vad,
- navrhování složení slitin pro specifické mechanické, tepelné a korozní aplikace.
Za zmínku stojí také to, že diagram Fe-C slouží jako výchozí bod pro pochopení složitějších fázových diagramů, například u legovaných ocelí, kde kromě uhlíku jsou přítomny i další prvky, jako je chrom, nikl nebo molybden, které ovlivňují fázové přeměny a tvorbu nových struktur.
V důsledku toho se jeho použití vztahuje na téměř všechny fáze výroby a použití slitin železa, od navrhování chemického složení přes simulace tepelných transformací až po optimalizaci trvanlivosti a spolehlivosti hotových strojních součástí a konstrukcí.
Fázový diagram železo-uhlík – shrnutí
Fázový diagram železo-uhlík (Fe–C) je základem moderního materiálového inženýrství a metalurgie. Umožňuje nám pochopit, jak změny obsahu uhlíku a teploty ovlivňují mikrostrukturu, mechanické vlastnosti a technologické chování slitin železa. Díky těmto znalostem mohou inženýři vědomě navrhovat technologické procesy a vybírat vhodné materiály pro různé aplikace.
Porozumění diagramu Fe–C umožňuje kontrolu fázových transformací, jako je eutektoidní transformace austenitu na perlit nebo eutektické tuhnutí litinových slitin do ledeburitové struktury. To umožňuje přesnou kontrolu tvrdosti, plasticity, odolnosti proti otěru a náchylnosti k tepelnému zpracování, což se přímo promítá do trvanlivosti a spolehlivosti konstrukčních prvků.
Ačkoli fázový diagram Fe–C vypadá relativně jednoduše, jeho praktický význam je obrovský. Na základě jeho analýzy začíná konstrukce oceli a litiny, jejich modifikace, jakož i diagnostika mikrostruktury a příčin poškození hotových výrobků. V tomto smyslu není diagram rovnováhy Fe–C pouze akademickým nástrojem, ale každodenním nástrojem pro inženýry, který jim umožňuje kombinovat teorii s praxí ve prospěch trvanlivosti, bezpečnosti a účinnosti veškeré technické infrastruktury na bázi železa.
