C – Węgiel (carboneum), ferryt, perlit, austenit, grafit

Węgiel

jest podstawowym składnikiem wszystkich stali i stopów żelaza, wywierając na nie bardzo duży wpływ. Węgiel obniża temperaturę przemiany Fe γ  → Fe α, umożliwia hartowanie stali, zmniejsza przewodność cieplną, przy wzroście jego zwartości w stali pogarsza  się jej spawalność i zgrzewalność. Ze wzrostem węgla, zmienia się struktura stali, stal o zawartości do 0,8% posiada strukturę perlitu i ferrytu, przy 0,8% stal wykazuje strukturę perlityczną, struktura stali zawierającej powyżej 0,8% węgla, składa się z perlitu i cementytu, wydzielonego na granicy  ziaren. Zwiększając zwartość węgla w stali, zwiększa się jej twardość, wytrzymałość na rozciąganie, zostaje podniesiona granica jej plastyczności, zmniejsza się natomiast przewężenie, wydłużenie i udarność.

W układzie żelazo – węgiel występują dwa roztwory stałe: ferryt i austenit, związek żelaza z węgłem – cementyt (Fe₃C) a także wolny węgiel w postaci grafitu. Jako kolejne składniki strukturalne występują ponadto mieszaniny tych faz: eutektyka złożona z austenitu i cementytu zwana ledeburytem eutektoid składający się z ferrytu i cementytu, określany jako perlit. W układzie stabilnym miejsce cementytu w eutektyce i eutektoidzie zajmuje grafit.

Węgiel (Carboneum) – dane podstawowe

• Symbol chemiczny: C
• Liczba atomowa: 6
• Masa atomowa: 12,011 u
• Grupa / okres: 14 (IV A) / 2
• Konfiguracja elektronowa: [He] 2s² 2p²
• Stopnie utlenienia: –4, +2, +4

Właściwości fizyczne i termiczne

• Stan skupienia w 20 °C: ciało stałe
• Gęstość:
  • grafit: ok. 2,20 g/cm³
  • diament: ok. 3,51 g/cm³
  • węgiel amorficzny: ok. 1,8–2,1 g/cm³
• Temperatura topnienia:
  • grafit: ~ 3550 °C (przy wysokim ciśnieniu; w normalnym ciśnieniu przechodzi w sublimację)
  • diament: ~ 3550–4000 °C (stabilny w wysokim ciśnieniu, przechodzi w grafit)
• Temperatura sublimacji (wrzenia): ~ 3825 °C
• Ciepło sublimacji: ok. 715 kJ/mol
• Ciepło topnienia (dla warunków wysokiego ciśnienia): ok. 105 kJ/mol
• Przewodność cieplna:
  • grafit: 25–470 W/m·K (anizotropowa, zależy od kierunku krystalicznego)
  • diament: 900–2300 W/m·K (najwyższa znana wśród ciał stałych)
• Twardość (skala Mohsa):
  • grafit: 0,5–1
  • diament: 10
• Współczynnik rozszerzalności cieplnej:
  • grafit: ~ 8 × 10⁻⁶ K⁻¹
  • diament: ~ 1 × 10⁻⁶ K⁻¹

Węgiel – Ferryt

jest granicznym roztworem stałym węgla w żelazie α o maksymalnej rozpuszczalności 0,02% węgla w temperaturze eutektoidalnej, zmniejszającej się do 0,008% węgla w temperaturze otoczenia. Rozpuszczanie w ferrycie pierwiastków o małej średnicy, tzw. międzywęzłowych, do których zalicza się C – węgiel, N – azot, H – wodór i bor – B, związane jest ściśle z budową sieci żelaza α. Atomy pierwiastków tworzących roztwory międzywęzłowe rozmieszczają się w tetraedrycznych lub oktaedrycznych lukach sieci regularnej przestrzennie centrycznej.

Własności mechaniczne ferrytu są bardzo podobne do własności czystego żelaza α. Charakteryzuje się on małą twardość wynoszącą około 80 HB w skali Brinella , zwiększającą się wraz ze zwiększeniem w roztworze zawartości innych składników. Wytrzymałość na rozciąganie Rm = 30 kG/mm2 (300 MN/m2), wydłużenie A₁₀ 40%, udarność natomiast w granicach 18 kGm/cm² (1,8 MJ/m²).

Austenit

tak jak ferrytu, jest roztworem stałym występującym w układzie żelazo-węgiel. Jest to graniczny roztwór stały węgla w żelazie α, o maksymalnej rozpuszczalności 2,06 % węgla w temperaturze eutektycznej 1147°C (w układzie metastabilnym Fe-Fe₃C).  Dużo większa w porównaniu do ferrytu rozpuszczalność węgla w austenicie wiąże się z własnościami geometrycznymi sieci regularnej płasko-centrycznej.  Austenit jest paramagnetyczny, wykazuje niskie przewodnictwo elektryczne i ma ze wszystkich składników strukturalnych największą gęstość.

W temperaturze otoczenia charakteryzuje się dobrymi własnościami plastycznymi – wydłużenie A₁₀ = 40-60%, dużą wytrzymałość R_m = 70-80 kG/mm² (700-800 MN/m²), twardość 200 HB i dużą udarność K =  20-30 kGm/cm² (2 – 3 MJ/m²).

Węgiel – Cementyt

jest związkiem żelaza i węgla, to znaczy, węglikiem żelaza Fe₃C o strukturze rombowej. Komórka elementarna cementytu zawiera 12 atomów żelaza i 4 atomy węgla, co odpowiada czterem cząsteczkom Fe₃C. Skomplikowana sieć cementytu zapewnia mu znaczną twardość około 700 HB, lecz zarazem i kruchość. Wiązania między atomami żelaza w cementycie mają charakter czysto metaliczny, natomiast wiązania między atomami żelaza i węgla prawdopodobnie są zbliżone do kowalentnych. Przewaga wiązania metalicznego decyduje o własnościach metalicznych, takich jak np. przewodność elektryczna i połysk metaliczny. Do temperatury 210^oC zwanej przemianą A₀ cementyt jest ferromagnetyczny, a powyżej staje się paramagnetyczny.

Gęstość cementytu w temperaturze otoczenia wynosi 7,68 g/cm³, jest więc nieco mniejsza od czystego żelaza. Na osnowie cementytu mogą tworzyć się roztwory stałe różnowęzłowe, w których atomy węgla są zastępowane atomami niemetali, np. azotu, zaś w miejsce atomów żelaza mogą wchodzić atomy innych metali, np. niklu, chromu, molibdenu i innych. Cementyt jest związkiem nietrwałym i w podwyższonej temperaturze rozpada się na węgiel i żelazo. Pod mikroskopem cementyt wykazuje jasne zabarwienie, co bardzo często utrudnia odróżnienie go od ferrytu, chociaż nie wykazuje granic ziarn.

Grafit

jest wolną postacią węgla w stabilnym układzie Fe-C. Krystalizuje w układzie heksagonalnym tworząc jakby warstwy atomów. Gęstość grafitu wynosi 2,220 g/cm³, jest zatem trzykrotnie mniejsza od żelaza. Jest to składnik bardzo miękki, gdyż jego twardość w dziesięciostopniowej skali Mohsa wynosi 0,5 – 1. Wytrzymałość na rozciąganie waha się w granicach 2 kG/mm² (20 MN/m²). Grafit może występować jako pierwotny wydzielany z roztworu ciekłego lub wtórny wydzielany z austenitu. Jako wtórny określa się również grafit powstający z rozpadu cementytu w wyniku długotrwałego wyżarzania lub oddziaływania grafitotwórczych dodatków stopowych do stali.

Węgiel – Perlit

jest eutektoidem o zawartości 0,8% węgla, powstałym podczas przemiany austenitu podczas studzenia. Pod mikroskopem, perlit przy małym powiększeniu przedstawia się, jako szare pola, mieniące się jak masa perłowa i stąd jego nazwa. Przy większym powiększeniu zaznacza się już wyraźnie budowa płytkowa, gdzie twardy, trudno trawiący się cementyt wystaje ponad miękki ferryt. Wewnętrzny układ płytek cementytu i ferrytu można dokładnie ujawnić na mikroskopie elektronowym. Stosunek grubości płytek cementytu do grubości płytek ferrytu wynosi około 1 do 3.

Płytki cementytu i ferrytu w perlicie układają się w tzw. wiązki o zmiennej orientacji krystalograficznej, ujawniane przy trawieniu w wyniku przecięcia ich płaszczyzną zgładu pod różnymi kątami. Płytkową postać cementytu w perlicie, jak również siatkę cementytu wtórnego można przeprowadzić w postać ziarnistą przez długotrwałe wyżarzanie zmiękczające lub sferoidyzujące. W podeutektoidalnych stopach żelaza, a szczególnie niskowęglowych stalach, wskutek niedoboru węgla płytki cementytu są mniej wykształcone i perlit często przyjmuje postać pośrednią między perlitem pasemkowym i ziarnistym. Często w tych stopach spotyka się tzw. zdegenerowaną postać perlitu złożonego z wolnych skupisk cementytu w ferrycie.

Własności mechaniczne perlitu zależą od postaci i dyspersji tworzących go faz. Perlit pasemkowy powstający w studzonych na powietrzu stopach żelaza ma na ogół R_m – 70-80 kG/mm² (700-800 MN/m²), R_e ok. 40 kG/mm² (400 MN/m²), A10 –  8%, Z –  20%, twardość ok. 200 HB, K – ok. 4 kGm/cm² (0,4 MJ/m²).

Ledeburyt

jest eutektyczną mieszaniną nasyconych kryształów austenitu zawierającego 2,06% węgla i cementytu. Ledeburyt występuje przy stałym składzie chemicznym 4,3% węgla. Jest trwały w temperaturze eutektycznej (1147°C) i eutektoidalnej (723°C). Poniżej temperatury 723°C istnieje jako ledeburyt przemieniony będący mieszaniną perlitu i cementytu. Ledeburyt odznacza się stosunkowo wysoką twardością – ok. 450 HB, lecz zarazem znaczną kruchością.

Poza grafitem i diamentem węgiel występuje jeszcze w kilku innych odmianach alotropowych – część z nich odkryto dopiero w XX wieku:

• Węgiel amorficzny – bez uporządkowanej struktury krystalicznej, obejmuje sadzę, koks, węgiel aktywny; szeroko stosowany w filtrach, elektrodach i jako paliwo.
• Fulereny (C₆₀, C₇₀, …) – cząsteczki węgla w kształcie kul, „piłki futbolowej” lub elipsoidy; odkryte w 1985 r., mają ciekawe właściwości elektryczne i chemiczne.
• Nanorurki węglowe – cylindryczne struktury powstałe ze zwiniętych arkuszy grafenu, niezwykle wytrzymałe i lekkie, o wyjątkowej przewodności.
• Grafen – pojedyncza warstwa atomów węgla w strukturze plastra miodu; bardzo lekki, wytrzymały, przewodzący prąd i ciepło.
• Lonsdaleit (diament heksagonalny) – rzadsza odmiana węgla o strukturze heksagonalnej, powstająca m.in. podczas uderzeń meteorytów; jeszcze twardsza od diamentu.
• Karbin (carbyne) – jednowymiarowa struktura atomów węgla w łańcuchu liniowym; teoretycznie superwytrzymała, badana głównie w laboratoriach.

Odmiany alotropowe węgla – właściwości i zastosowania

Żelazo Węgiel Chrom Nikiel Wanad Mangan Krzem Molibden Wolfram Miedź Tytan Glin Kobalt Niob Fosfor Siarka Tlen Azot Magnez Cynk Bor