Shrnutí na Fázový diagram Fe-Fe₃C a struktury ocelí

## Úvod Tento text shrnuje základní principy metalografie ocelí a rovnovážný Fe–Fe$_3$C diagram. Materiál je určen pro samostatné studium a rozdělen do přehledných částí s definicemi, příklady a praktickými aplikacemi. ## 1. Co je rovnovážný diagram Fe–Fe$_3$C > Rovnovážný diagram Fe–Fe$_3$C zobrazuje vztah mezi teplotou a obsahem uhlíku u technických slitin železa za předpokladu termodynamické rovnováhy. - Na vodorovné ose je obsah uhlíku, na svislé teplota. - Diagram ukazuje, jaké fáze a v jakém poměru vzniknou při pomalém (rovnovážném) ochlazování. - Použití: slévárenství, návrh tepelného zpracování, předpověď vlastností materiálu. Did you know that slitiny železa s obsahem uhlíku 4,3 % mají nejnižší bod tání ze všech slitin Fe–C, a to 1147 °C? ## 2. Hlavní strukturální složky oceli ### Definice základních fází > **Austenit (γ)**: tuhý roztok uhlíku v železe při vyšších teplotách, nemagnetický, měkký a tvárný. > **Ferit (α)**: tuhý roztok železa s velmi nízkým obsahem uhlíku, magnetický při teplotách do 768 °C, měkký a tažný. > **Cementit (Fe$_3$C)**: chemická sloučenina železa a uhlíku (karbid železa), velmi tvrdá složka. > **Grafit**: elementární uhlík v šestiúhelné struktuře, měkký a křehký, často snižuje soudržnost litin. > **Perlit**: směs feritu a cementitu v lamelární struktuře vzniklá eutektoidní přeměnou. > **Martenzit**: velmi tvrdá metastabilní fáze vzniklá rychlým ochlazením (kalem) austenitu. ### Charakteristiky (tabulka) | Fáze | Stručné vlastnosti | Vliv na mechanické vlastnosti | |---|---:|---| | Ferit | Měkký, tažný, magnetický | Snižuje pevnost, zvyšuje houževnatost | | Austenit | Nízká pevnost při vysoké tvárnosti, nemagnetický | Základ pro následné kalení/temperování | | Cementit | Velmi tvrdý, křehký | Zvyšuje tvrdost, snižuje houževnatost | | Perlit | Tvrdý, relativně křehký | Vyvážená pevnost a tvrdost | | Martenzit | Velmi tvrdý, křehký | Vysoká pevnost při snížené houževnatosti | Fun fact: Ledeburit se objevuje pouze v surovém železe s obsahem uhlíku 4,3 % a má tavící teplotu 1147 °C. ## 3. Rozdělení slitin železa podle obsahu uhlíku - Oceli: obsah uhlíku do $2{,}14\,%$ (často v praxi uváděno do $2{,}1\,%$) 1. Podeutektoidní: $0{,}02\,%$ až $0{,}8\,%$ C 2. Eutektoidní: $0{,}8\,%$ C 3. Nadeutektoidní: $0{,}8\,%$ až $2{,}14\,%$ C - Surové železo / litiny: obsah uhlíku nad $2{,}14\,%$ 1. Podeutektické: $2{,}14\,%$ až $4{,}3\,%$ C 2. Eutektické: $4{,}3\,%$ C 3. Nadeutektické: nad $4{,}3\,%$ C ### Příklady a praktické důsledky - Podeutektoidní ocel s $0{,}4\,%$ C po pomalém ochlazení: mikroskopická struktura = ferit + perlit → dobrá tvárnost, snadné obrábění. - Eutektoidní ocel s $0{,}8\,%$ C: po pomalém ochlazení vzniká 100 % perlit → střední tvrdost a pevnost; vhodné pro pružiny nebo kolejnice. ## 4. Chování při ochlazování (přehled procesu) 1. Při dostatečně vysoké teplotě je ocel v celku austenitická (γ). 2. Při ochlazování se při určitých teplotách začínají objevovat nové fáze (vznik feritu, perlit atd.). 3. Rychlé chlazení (kalení) zabraňuje difuzním přeměnám a vytváří martenzit. > Poznámka: Přesné teploty modifikačních přeměn se mění s obsahem uhlíku a nejsou konstantní jako u čistých kovů. ## 5. Typické mikrostruktury a jejich vlastnosti - Podeutektoidní oceli (např. $0{,}4\,%$ C): ferit + perlit → měkké, houževnaté, dobrá obrobitelnost. - Eutektoidní ocel ( $0{,}8\,%$ C): čistý perlit → vyvážené mechanické vlastnosti. - Nadeutektoidní oceli: přítomnost primárního cementitu zvyšuje tvrdost, snižuje tvárnost. ## 6. Praktické aplikace - Výběr oceli pro konstrukční díly: preferují se podeutektoidní oceli pro lepší houževnatost. - Výroba nástrojů a pružin: často se využívají oceli blízké eutektoidní hodnotě kvůli pevnosti a pružnosti. - Slévárenství: Fe–Fe$_3$C diagram pomáhá volit tuhnutí a možné fáze u litin. Věděli jste, že grafit v litinách snižuje soudržnost materiálu, takže šedé litiny jsou měkčí a křehčí než bílé litiny? ## 7. Rychlé schéma rozhodování (příklady