Het ijzerkoolstof diagram en de structuur van staal

Het ijzerkoolstofdiagram en de daar vanaf geleide grafieken en structuren vormen de bases van de metaal(staal)kunde. Het geeft inzicht in de chemische en fysische processen die in het inwendige van het staal plaatsvinden. Het diagram is uitgangspunt bij het begrijpen van werking en invloed van koolstof, warmtebehandeling en van legeringselementen op het staalbereidingproces en bij de ontwikkelingen van nieuwe legeringen.

Het ijzerkoolstof diagram

Het ijzerkoolstofdiagram bestaat uit een bovenste lijn, liquidus genaamd, daarboven is alles vloeibaar en een horizontale lijn solidus(723 gr C), eronder is alles vast. Kristallisatie in het vloeibare staalbad, "smelt" genoemd, begint als de badtemperatuur daalt tot de liquidus.Tussen liquidus en solides bestaat het staal uit een mengsel van smelt en reeds gestolde eilandjes. Met behulp van het ijzer-koolstofdiagram kunnen we bij een gegeven temperatuur de structuur van koolstofstaal aflezen, waardoor de eigenschappen van het staal bij die temperatuur bekend zijn, belangrijk door de bewerkingen die in dat temperatuurgebied plaatsvinden.

Bij een bepaalde koolstofgehalte nemen we een verticale lijn in gedachten, via die verticale lijn gaan we omlaag, we koelen het materiaal af, en kijken welke diagram lijnen we snijden. Iedere lijn die we snijden komt overeen met een structuurverandering. Elke structuur heeft zijn specifieke eigenschappen. Het getoonde ijzerkoolstof diagram is geldig bij normale afkoeling aan de lucht. Het is systeem verkeert in een evenwicht toestand. De horizontale koolstof coördinaat gaat niet verder dan 6,67% koolstof ofwel 100% cementiet (Fe3C), hogere koolstofgehaltes worden bij de staalbereiding niet toegepast.Tot 2% koolstof spreken we van staal er boven van gietijzer.

Eutecticum

Het eutecticum is een mengsel van minimaal twee componenten die een lager smeltpunt heeft dan zijn samenstellende componenten, waarbij die onderkoelde componenten bij de eutectische temperatuur uitkristalliseren. De vloeibare smelt wordt omgezet in zijn samenstellende (vaste) componenten. De eutectische stolling is een isothermische reactie zonder stoltraject, dwz. het vindt plaats bij constante temperatuur, vandaar het begrip eutectisch punt, er komt warmte vrij bij stolling die afgevoerd moet worden en daarom duurt het proces enige tijd bij constante eutectische temperatuur .

Van Ledeburiet naar Steadiet
In het ijzerkoolstofdiagram wordt verticaal de temperatuur (T) aangegeven in graden Celcius, horizontaal het koolstofgehalte C in gew. %. Uit het diagram volgt dat bij 4,3 % koolstof en 1147 gr C de faseovergang van vloeibaar naar vast plaatsvindt. Dit eutecticum, het zgn. ledeburiet, bestaat uit austeniet en cementiet. Austeniet is beneden 723 gr C niet stabiel, het wordt bij langzaam afkoelen omgezet in Ferriet, het eutecticum bestaat dan uit ferriet en cementiet ofwel Steadiet. Vaak wordt er te snel afgekoeld voor een overgang van austeniet naar ferriet, de austeniet toestand met nog koolstof opgelost wordt dan "ingevroren".

De eutectoide Perliet

Vorming van perliet bij 0,8% koolstof en 723 gr C is geen eutecticum maar een eutectoïde, omdat austeniet geen vloeistof is maar een vaste fase. Perliet ziet er uit als een vingerafdruk, er liggen lijnen ferriet naast lijnen ijzercabide (Fe3C). Perlitisch staal heeft een uitstekende verhouding tussen sterkte en taaiheid.
Fysische en chemische reacties

• A3 is de lijn waarop bij afkoelen, de uitscheiding uit het KVR austeniet van carbide Fe3C begint.
• A2 is de lijn waarop het omklappen austenietrooster naar ferrietrooster begint.
• A1 is de horizontale lijn (723 gr C) waarop de eutectoidische reactie plaatsvindt, die perliet vormt.

• Smelt is de metaalkundige benaming voor de vloeibare fase.
• Austeniet (symbool y) heeft een Kubisch vlakken rooster (KVR). Bij 1147 gr C, kan het 2,06% koolstof oplossen. Dat is per definitie de grens tussen staal en gietijzer, staal heeft dus minder dan 2,06% C en gietijzer meer dan 2,06% C.
• Ferriet (symbool alfa) heeft een Kubisch ruimtelijk rooster (KRR), dat bij 723 gr C maximaal 0,025% koolstof kan oplossen, heel wat minder dan de 2,06% in KVR van het austeniet, het KVR rooster heeft meer ruimte (holten) in zijn atoomstapeling voor koolstofatomen.
• Cementiet is de chemische verbinding ijzercarbide (Fe3C).
• Eutecticum is de reactie bij 1147gr C en 4,3% koolstof, smelt → austeniet + Fe3C, de eutectische structuur als resultaat van de reactie heet ledeburiet.
• Eutectoide is de reactie: austeniet → ferriet + Fe3C, de laminaire structuur als resultaat van de reactie heet perliet, perliet is de laminaire twee-fasen-structuur als resultaat van de eutectoidische reactie bij langzame afkoeling.

Verschil tussen primair en secundair cementiet

Het verschil tussen primair en secundair cementiet heeft te maken met het tijdstip van vorming. De eerste cementiet die gevormd wordt is het primaire. Het cementiet dat gevormd wordt bij een volgende reactie, dus op lagere temperatuur en later tijdstip, is het secundaire cementiet.

Naast de zuivere fasen treedt fasevermenging op:

Overzicht van de microscopische foto"s van "ongelegeerd" staal bij oplopende koolstfgehalte

Invloed korrelgrootte op sterkte en taaiheid

Scheur langs de korrelgrens (kristallietgrens), v=100X. Langs de korrelgrenzen verzamelen zich de verontreinigingen. Ze worden tijdens stollen van de kristalliet uit het atoomrooster gedrukt wegens ruimtegebrek. Des te fijner de korrel des te langer de korrelgrens en des te groter de weerstand tegen scheuren langs korrelgrenzen. De breuk geschiedt normaal dwars door de kristallieten, doordat de atoomlagen langs elkaar glijden. Het glijden tussen atoomlagen in de kristallieten wordt geblokkeerd door aanliggende kristallieten die een andere oriëntatie van hun glijvlakken hebben. Des te meer kristallieten des te meer blokkeringspunten, des groter de glijweerstand, des te sterker het staal. Ook op de vermoeidheidsgrens heeft de korrelgrootte zelfde soort invloed. Des te fijner de korrel des te groter de weerstand tegen vermoeidheidsbreuk.

Polykristalijn- en enkelkristal

Bij een enkelkristal wordt het glijden van de atoomvlakken langs elkaar niet geblokkeerd door aangrenzende kristallieten met een andere oriëntatie van de atoomvlakken, zoals in de polykristallijne structuur van staal het geval is. De kristalliet verstevigt niet, dus geen oplopende spanning die leidt tot breuk doorheen de atoomvlakken. De verlenging(rek) is enorm en het proefstuk kan in principe tot een draad getrokken worden. Hoe men de korrelgrootte onder controle houdt, wordt besproken in artikel "warmtebehandeling van staal".

Invloed korrelgrootte op de mechanische eigenschappen van zuiver ijzer (0% c)

Staal met hoge sterkte

Staal met hoge sterkte heeft een hogere rekgrens dan voor constructies gebruikelijke S235 (vroegere St 37) en S355 (vroegere St 52). Staal met hoge sterkte heeft een rekgrens hoger dan 355 N/mm2, wat lichtere slankere constructies oplevert.
De betekenis “hoge sterkte” hangt van de industriesector af. De gastransportsector past al staal toe met rekgrens van 480 N/mm2 en men experimenteert met een rekgrens boven 550 N/mm2. De scheepsbouw gebruikt zelden staal met een rekgrens hoger dan 420 N/mm2. De onderzeebotenbouw daarentegen verwerkt staal met een rekgrens van 900 N/mm2. In staalconstructies voor de bouw gebruikt men steeds meer staal met een rekgrens van 460 N/mm2. Bij beweegbare bruggen is staal met een rekgrens van 690 N/mm2 normaal.

Bij sterkte toename door veredelen of harden verdwijnt het vlaggetje, het zichtbare vloeien. Omdat de vloeigrens bepalend is voor de toelaatbare spanning (de ontwerpspanning) is de 0,2% rekgrens (R 0,2) ingevoerd, het is die spanning waarbij een blijvende (plastische)verlenging van 0,2% optreedt en dat punt kan men meten.

Nawoord

De fasen van het ijzerkoolstofdiagram, metaalstructuren en de atoomordening (atoomrooster), maken duidelijk wat staal is. Pas met het volgende hoofdstuk "Warmtebehandeling van staal" is het overzicht compleet en begrijpen we wat wel en niet mogelijk is met ongelegeerd staal.