ГЛАВА VIII. ЖЕЛЕЗО И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них — сталь и чугун — представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо—углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.

1. КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО — УГЛЕРОД

Железо — металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит технические сорта Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации и Модификация -железа существует при температурах ниже 910 °С и выше (рис. 82). В интервале температур 1392—1539 °С a-железо нередко обозначают как -железо.

Кристаллическая решетка а-железа — объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры -железо магнитно (ферромагнитно). Температуру соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают

Плотность а-железа .

Рис. 82. Кривая охлаждения чистого железа (а) и схема микроструктуры феррита и аустенита -железо существует при температуре 910— 1392 °С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка -железа гранецентрированная кубическая нм при

Критическую точку превращения ауфис. 82) при обозначают соответственно (при нагреве) и (при охлаждении). Критическую точку перехода при обозначают (при нагреве) и (при охлаждении).

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность температура плавления атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метаста-бильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в вшсокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы—феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит — твердый раствор углерода и других примесей в -железе. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до и высокотемпературный -феррит в

предельной растворимостью углерода Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен .

Феррит (при 0,06 % С) . имеет примерно следующие механические свойства:

Аустенит — твердый раствор урлерода и других примесей в <у-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе — Атом углерода в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки (см. рис. 29, б), в которой может поместиться сфера радиусом атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.

Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в -железе по сравнению с растворимостью в -железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна (рис. 82, в).

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа . В цементите содержится . Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада. До температуры обозначаемой цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит имеет гексагональную слоистую (см. рис. 88, а) кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

В сплавах существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная — цементит и стабильная — графит. Поэтому различают две диаграммы состояния — метастабильную и стабильную (графит).