2. Железо

Методы массового производства стали были открыты в середине XIX в.. К этому времени относятся и первые металлографические исследования железа и его сплавов.

В России в 30-х годах XIX в. П. П. Аносов применил микроскоп для изучения структуры стали и ее изменения после ковки и термической обработки. За границей первые микроскопические исследования были проведены в 60-х годах XIX в., с помощью которых изучалась структура железных метеоритов. Позднее было

доказано, что структура метеоритного железа почти ничем не отличается от обычного железа (точнее сплава железа с никелем) и определяется главным образом сильным нагревом при прохождении метеорита сквозь атмосферу Земли. Для практики важнее металлографические исследования строения железа и сплавов на основе железа в зависимости от состава, режима тепловой обработки и т. д. Эти исследования впервые были начаты в России 150 лет тому назад П. П. Аносовым, за тридцать лет до исследований Сорби и Видманштеттена. Однако Сорби не ограничивался описанием наблюдаемой структуры, он зарисовывал то, что видел под микроскопом, достаточно хорошо воспроизводя структуры. На рис. 129 приведен рисунок структуры перлита, сделанный Сорби (ср. с рис. 141, где представлена современная фотография микроструктуры перлита).

Вскоре появились книги с фотографиями микроструктур железоуглеродистых сплавов.

Рис. 129. Структура перлита, нарисованная Сорбн (1886 г.)

Рис. 130. Изменение свободных энергий а- и -модификаций железа при изменении температуры

Первые и достаточно полные монографии о металлографии сплавов на основе железа появились в начале XX в. Они созданы А. А. Ржешотарским (Россия), Мартенсом и Гейном (Германия), Хоу (США). Современный трехтомный металлографический атлас «Металлография железа» (пер. с англ.) коллектива авторов (редактор русского издания Ф. Н. Тавадзе) издан в 1973 г.

Обычно железо (как и любой другой металл) никогда не бывает абсолютно чистым — оно всегда содержит примеси. В настоящее время можно получить железо высокой чистоты, минуя доменную плавку, так называемое железо прямого восстановления (П. В.), содержащее в сумме около 0,01 % (и даже меньше) примесей, но чаще используют так называемое техническое железо (его иногда называют железо Армко), производимое сейчас в больших количествах в мартеновских печах. Техническое железо содержит примерно 99,8-99,9% железа и 0,1-0,2% примесей, состоящих более чем из десятка элементов. В сотых долях процента присутствуют в нем углерод (около 0,02%) и медь (0,1%), а остальные элементы — в тысячных и десятитысячных долях процента.

Данные, приводимые ниже, относятся к железу технической чистоты 1.

Температура плавления железа 1539 °С (±5 °С).

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — (о. ц. к.) и у (г. ц. к.).

Кристаллические решетки а- и и температуры равновесных превращений были приведены на рис. 39.

Существенным и принципиально важным фактом является то обстоятельство, что -железо существует в двух интервалах температур ниже и от 1392 до 1539 °С. Объяснение этому следует искать в определенном изменении величины свободной энергии в зависимости от температуры. Схематически это изменение показано на рис. 130.

Свободная энергия -железа меньше свободной энергии у-железа при температурах ниже и выше . В интервале меньшей свободной энергией обладает гране-центрированная упаковка атомов железа. Вот почему при нагреве при происходит -превращение, а при Высокотемпературная модификация -железа (иногда называемая -железом) не представляет собой новой аллотропической формы.

Механические свойства железа характеризуются следующими величинами (I — техническое, II — прямого восстановления, III — сверхчистое):

Эти показатели могут изменяться в некоторых пределах, так как на свойства железа влияет ряд факторов (например, увеличение размеров Зерен понижает твердость).

При 768 °С железо испытывает магнитное превращение; выше 768 °С железо становится немагнитным. Об этом превращении было сказано раньше (см. гл. II, п. 7).

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами — растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом — растворы внедрения.

Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в -железе ничтожно мала (менее 0,02 %) и в сто раз больше (до в -железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в -железе называется ферритом, а в у-железе — аустенитом.

Диаметр атома углерода (в свободном состоянии) равен 0,154 нм.

В о. ц. к. решетке имеются 12 свободных мест в середине ребер. Диаметр такого свободного места, так называемой поры кристаллической решетки, равен 0,062 нм. Такой объем, по-видимому, недостаточен для помещения в него атома (иона) углерода.

В г. ц. к. -решетке в центре имеется пора диаметром 0,102 нм. В этой поре атом углерода может поместиться, вызывая некоторое увеличение размера решетки -железа (сам атом тоже должен уменьшиться в размерах, так как при растворении углерод отдает валентные электроны 2).

Рис. 131. Твердый раствор внедрения: а — кристаллическая решетка при полном ааполиении всех пор; б — кристаллическая решетка аустенита

Таким образом, чисто геометрические соображения подсказывают, что а-железо не растворяет, а у-железо растворяет углерод. Однако ряд косвенных признаков показывает, что в действительности -железо способно растворять углерод в очень небольшом количестве.

Следует предполагать, что растворимость углерода в -железе обусловлена тем, что в реальной решетке железа имеются дефекты, особенно многочисленные по границам зерен.

Кристаллическую структуру аустенита можно себе представить как г. ц. к. решетку, состоящую из атомов железа, в которую внедрены меньшего размера атомы углерода. Если бы все свободные места (поры) в г. ц. к. решетке были заняты углеродом, то это состояние характеризовала бы схема, изображенная на рис. 131, а. Но так как атом углерода больше размеров поры, то при попадании его в решетку железа последняя искажается и остальные поры становятся недопустимыми для других атомов углерода. На рис. 131,б показано строение элементарной ячейки аустенита, в которой растворен один атом углерода.

Расположенный в центре элементарной -ячейки атом углерода окружен шестью атомами железа. Эти атомы образуют октаэдр.

Параметр решетки безуглеродистого при комнатной температуре равен 0,286 нм, а безуглеродистого нм. Последняя величина условна, так как безуглеродистое -железо при комнатной температуре не существует, а величина эта определяется методом экстраполяции.

Параметр решетки, как известно, зависит от температуры и от наличия растворенных атомов. Известен параметр решетки аустенита при комнатной температуре в сталях с содержанием углерода свыше (рис. 132, а) и параметр решетки чистого -железа, но при высоких температурах (рис. 132, б). Экстраполяция кривых на нулевое содержание углерода (рис. 132, а) или на комнатную температуру (см. рис. 132, б) приводит к значению 0,356 нм.

Рис. 132. Параметр решетки аустенита: а — влияние углерода; б — влияние температуры

Такой параметр имело бы чистое -железо при комнатной температуре, если бы как-нибудь удалось получить его при этой температуре.

Состояние углерода в аустените можно считать установленным, хотя ранее об этом был спор среди металловедов. Углерод в аустените находится в виде ионов, дважды ионизированных, тогда как атомы железа ионизированы однократно 2. Это объясняет явление «электролиза» аустенита, обнаруженное В. И. Просвириным и др., состоящее в том, что под действием постоянного тока углерод в аустените перемещается по направлению к отрицательному полюсу (катоду).