Struktura željeza

by djomla 20.05.11 1:55

Pošto sam se nedavno počeo zanimati za kovanje i izradu noževa, često sam tražio nekakav razumljiv i jednostavan tekst o tome kako je čelik građen i što se događa pri zagrijavanju. Sve što sam našao bila su meni dosta nerazumljiva objašnjenja ili pak površna. Odgovor sam pronašao tek nadavno u knjizi "Metallurgy of Steel for Bladesmiths & Others who Heat Treat and Forge Steel" Tekst koji slijedi sam preveo pa nemojte zamjeriti ako se potkrala neka pogreška. Struktura željeza 469245

ČISTO ŽELJEZO

Većina čelika su preko 95% željezo, tako da je dobra polazna točka za razumijevanje čelika proučavanje prirode čvrstog željeza. Da bi bolje razumjeli samu strukturu željeza, zamislite slijedeći eksperiment. Šipka promjera od jednog inča (2,54 cm) je izrezana na tanke diskove slične kovanici od 5 kn, na jednom disku površina je ispolirana do visokog sjaja (kao zrcalo) te je disk na 20-30 sekundi uronjen u 2-5 postotnu dušičnu kiselinu (HNO3 ) u metilnom alkoholu (otopina zvana nital). Disk izvađen iz otopine sada je potpuno izgubio sjaj te je površina postala sivkasta. Ako površinu sada stavimo pod mikroskop te povećamo 100 puta, moći ćemo vidjeti strukturu prikazanu na slici 1.1

Struktura željeza 85464232

Zasebna područja kao što su npr. Polja označena od 1-5 nazivaju se željezne granule, //“iron grains“ , nadam se da sam dobro preveo, ako netko zna stručan termin neka ispravi,mogu biti i zrnca recimo// također možemo vidjeti i granice među granulama kao npr. između granule 4 i 5 označene strelicom. Prosječna veličina granula je prilično malena, na slici 1.1 Strelicom je prikazana veličina od 200 mikrona (tisućiti dio milimetra), a u ovom slučaju prosječna veličina granula bila je 125 mikrona što je dosta veće nego kod većine komercijalnog željeza (uobičajena veličina iznosi 30-50 mikrona).

Osnovni građevni blokovi krutih tvari kao što su npr. sol ili led su molekule koje su pak građene od dva ili više atoma. Npr. natrij+klorid čini kuhinjsku sol, a vodik i kisik led. Kod metala je pak osnovna građevna jedinica atom metala, tako će željezna šipka biti građena od atoma željeza (Fe), dok će bakrena žica biti građena od atoma bakra (Cu). Svaka zasebna željezna granula zapravo čini kristal, kojeg čine u slojevima ravnomjerno poredani atomi željeza. Kao što je prikazano na slici 1.2 Ako linijama spojimo središta atoma dobit ćemo trodimenzionalno posloženo mnoštvo zbijenih kockica koje ispunjavaju prostor. Na sobnoj temperaturi ove kockice imaju po jedan atom na svakom vrhu kocke, dakle 8, te jedan u sredini kocke. Ovakva kristalna struktura i geometrijski raspored atoma naziva se BCC (body centered cubic)//prostorno centrirana kubična rešetka, ovaj sam naziv iskopao na netu, pa sad koliko je pouzdan ne znam // Također, svaki kristal može biti zamišljen kao skup od 3 ravnine sačinjene od atoma koje se međusobno sijeku gdje je svaka ravnina paralelna s jednim licem kocke. Željezo sa BCC strukturom se naziva FERIT, drugo ime za ferit je alfa (α) željezo.

Struktura željeza 21431513

Priroda granica među granulama prikazana je na gornjoj slici (ilustracija dolje u sredini). Granica je ravan spoj, pretežno zakrivljen duž koje se dvije granule različitog usmjerenja sijeku. A ravnina granule 4, ima oštriji kut u odnosu na granicu nego A ravnina granule 3. Ako se granula 4 zarotira u smjeru kazaljke na satu tada će se A ravnine obje granule naći u istoj ravnini, te će granica među njima nestati, a granule 3 i 4 će postati jedna veća granula.
Zanimljivo je pitanje zašto se granice pokažu nakon nagrižene površine? Kada je metal nagrižen kiselinom, atomi se tada kemijskim putem uklanjaju s površine. Ispada da količina
uklonjenih atoma željeza nitalom ovisi o orijentaciji kristala koja je okrenuta prema kiselina.
Budući da svaka granula predstavlja različitu orijentaciju, svaka granula je nagrižena u različitoj mjeri. Ravnine koje tvore „lica“ kocki nagrizaju se sporije nego ostale ravnine kristala. Dakle, nakon određenog vremena nagrizanja nastaju udubljenja i izbočenja (stepeničasta struktura) na granicama granula. Na primjer, na granici brzo nagrizajuće granule vidjet će se stepenica ka susjednoj granici. Takva stepeničasta struktura uzrokuje da se svjetlo raspršuje daleko od očiju, gdje mi tada granice vidimo kao tamne linije.

Struktura željeza 11417728

Ako željezo zagrijemo na 912 oC, tada će nastupiti magični efekt, naime kristalna struktura će se spontano početi mijenjati iz BCC (body centered cubic)//prostorno centrirane kubične strukture u face centered cubic (FCC) //ako netko zna stručni naziv neka napiše// strukturu

Struktura željeza 46730929

Kao što pokazuje gornja ilustracija, atomi leže na uglovima kocke i po jedan atom leži na svakoj od 6 lica kocke. Ova struktura naziva se AUSTENIT ili gamma (γ) željezo.

Povijesna činjenica: prva 3 slova grčkog alfabeta su alfa, beta, gama (α, β, γ), ali ne postoji struktura nazvana beta željezo. Kada je struktura željeza bila otkrivena u kasnom 19. stoljeću,
magnetski prijelaz željeza koji se javlja na 770oC , potaknuo je znanstvenike da teoretiziraju o strukturi željeza se zove beta željezo, koja se kasnije pokazala da ne postoji.

Kada se feritno željezo se zagrijava na 912oC , stari se set feritnih granula mijenja
(pretvara) u novi set austenitnih granula. Zamislite da su feritne granule iz slici. 1.2 upravo dosegle temperaturu transformacije. Ono što bi se moglo uočiti je formiranje najprije malih austenitnih granula na mjestima granica prijašnjih feritnih granula. Postupno bi austenitne granule sve više rasle, dok granice starih feritnih granula ne bi potpuno nestale.

Baš kao što je potrebna toplinska energija za pretvoriti led u vodu, tako treba i toplinska energija za promjenu ferita u austenit. Stoga, pri grijanju, temperatura mora neko vrijeme ostati
oko 912oC sve dok se sve feritne granule ne transformiraju.
Promijena ferita u austenit, popraćena je promjenom volumena, naime gustoća austenita je 2% veća od ferita što znači da je volumen po atomu željeza manji u austenitnom stanju.

Struktura željeza 47026257