I.I. Компоненты железоуглеродистых сплавов и их взаимодействие

Основные компоненты сталей и чугунов - железо и углерод.

Железо - металл серебристо-белого цвета, атомный радиус - 0,127 нм (1нм=10Å=10^-7 см).

 

В чистом железе, которое можно получить в настоящее время, 99,999% железа, а технически чистое железо армко - содержит 99,8-99,9% железа и производится для электротехнических целей. Температура плавления железа 1539°С (т.А, рис.1). В твердом состоянии оно может быть в двух полиморфных модификациях: a и g.

 

Рис.1. Диаграмма состояния железо-углерод (Fe-C, Fe₃C)

a-железо существует при температурах ниже 911°C (т.G) и выше I392°C (т.N) (рис.2). В интервале температур 1392-1539°С a - железо обозначают как d-железо.

 

Рис.2 Микроструктура g-Fe (а), a-Fe (б) и феррита с третичным цементитом (в)

 

Криссталлическая решетке a-железа - объёмноцентрированный куб с периодом 0,28606 нм, плотность его 7,68 г/см³.

 

Ниже 768°С a-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку М, соответствующую магнитному превращению, называют точкой Кюри и обозначают А₂. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.

 

g-железо существует в интервале температур 911-1392°С - оно парамагнитно. Его кристаллическая решетка - гранецен-трированный куб с периодом 0,3645 нм. Плотность g-железа выше, чем a-железа, и равна 8,0-8,1 г/см³, т.е. превращение agg сопровождается сжатием (примерно на 1,0%). Критическую точку aDg-превращения при 911°С обозначают как Ас₃ (при нагреве) и Ar₃ (при охлаждении), а при 1392°С - как Ас₄ (при нагреве) и Ar₄ (при охлаждении).

 

Железо в твердом состоянии со многими элементами образует растворы: с металлами - замещения, а с углеродом, азотом и водородом - внедрения.

 

Углерод - неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см⁸, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Он растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также образует с ним химическое соединение - цементит (карбид железа Fe₃C).

 

Растворимость углерода в железе в твердом состоянии зависит от кристаллического строения железа:

- в a-железе растворимость менее 0,02%;

 

- в g-железе - в 100 раз больше (до 2,1%), в центре кристаллической решетки которого - пора диаметром 0,102 нм.

 

Кроме основных компонентов, железоуглеродистые сплавы содержат различное количество примесей, которые делят на постоянные (или обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

 

К постоянным примесям относят марганец, кремний и алюминий, вводимые для раскисления (в кипящей стали содержание кремния и алюминия невелико). К этой группе относят серу и фосфор, от которых полностью освободиться при массовом производстве невозможно. Содержание постоянных примесей в стали обычно находится в следующих пределах, %: 0,3-0,7 Mn; 0.17-0,37 Si(в кипящей до 0.03 Si); 0,01-0,02 Al; 0,01-0,05 Р; 0,01-0,04 S.

 

К числу примесей скрытых относят кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в малых количествах.

Случайными примесями являются мышьяк, свинец и другие элементы, переходящие в расплав из шихтовых материалов -легированного металлического лома (Се, , Ni и др.) или попадающие случайно.

 

Специальные - легирующие элементы вводят для получения нужных (по условиям эксплуатации деталей) свойств. Легированной считают сталь со специально введенными легирующими элементами для существенного изменения определенных свойств по сравнение с углеродистой. Легированной также является сталь с содержанием кремния более 0,5%, а марганца - более 1%.

 

Небольшое количество примесей влияет на формирование структуры и свойства железоуглеродистых сплавов, но не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния. Поэтому состав и структура медленно охлажденных сплавов достаточно точно согласуются с диаграммой железо-углерод, построенной для чистых от примесей сплавов, и определяются содержанием углерода.