Железо и его сплавы с углеродом

Железо - серебристо-белый металл, плотность 7,86 г/см³. Тем­пература плавления 1539 °С. Чистое лабораторное железо содержит не более 10^-4 % примесей, технически чистое железо - 0,15 % при­месей. Согласно диаграмме фазового равновесия железа, возможны 6 состояний железа: газообразное, четыре конденсированных (жид­кое и 3 кристаллические полиморфные модификации) и плазма.

Полиморфизм - свойство вещества или материла изменять свою кристаллическую решетку при изменении температуры, Кристалли­ческие формы α-Fe и γ-Fe существуют при нормальном атмосфер­ном давлении. Появление третьей ε-Fe возможно лишь при дейст­вии значительных давлений и повышенных температур.

Углерод - неметаллический элемент. В природе встречается в виде двух модификаций: алмаза и графита (т.е. углерод также обла­дает полиморфизмом). Плотность углерода 2,25 г/см³. Температура плавления 3500 °С. Атомы углерода обладают высокой диффузион­ной подвижностью из-за их малого атомного радиуса.

В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита с гексагональной слоистой решеткой. Модификацию угле­рода в виде алмаза при обычных температурах и давлениях полу­чить невозможно.

Диаграмма состояния сплава «железо-углерод» представлена на рис. 1.1. Линия, ограничивающая область жидкой фазы, называется ликвидус. При достижении линии ликвидуса (при охлаждении) на­чинается процесс кристаллизации - выделение твердой фазы, Ли­ния, ниже которой компоненты находятся только в твердом состоя­нии, называется солидус. При достижении линии (при охлаждении) солидуса процесс кристаллизации полностью завершается. Между линиями ликвидуса и солидуса в равновесии сосуществуют жидкая и твердая фазы.

Рис. 1.1. Диаграмма состояния «железо-углерод»

Основными фазами в системе являются:

1) жидкий расплав углерода в железе. Характеризуется ближ­ним порядком в

расположении атомов с преобладанием металлической связи. Строение жидкого расплава зависит от концентрации углерода. По мере увеличения концентрации снижается вязкость и поверхностное натяжение, т.к. ионы углерода разрыхляют структу­ру жидкого расплава;

2) феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α -железо (кристаллическая решетка - кубическая объемно-центрированная). Катионы углерода внедряются в решетку растворителя - железа. Феррит - мягкая, пластичная фаза. Микроструктура феррита - гра­нулированные зерна, ситообразные светлые, различной величины;

3) аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железо (кристаллическая решетка - кубическая гранецентрированная). Максимальная растворимость углерода в γ-Fe больше, чем в α-Fe из-за наличия более крупных межузельных пор, в которых более свободно размещаются атомы углерода. Аустенит пластичен, но более прочный, чем феррит. Микроструктура аустенита - полиэд­рическая в виде светлых зерен;

4) цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Цементит анизо­тропен - его свойства зависят от направления измерения. Характе­ризуется высокой твердостью, легко царапает стекло, очень хрупок, имеет почти нулевую пластичность. Различают первичный и вто­ричный цементит. Первичный цементит кристаллизуется при охла­ждении из жидкой фазы. Вторичный кристаллизуется из аустенита. Микроструктура первичного цементита - белые иглы. Микрострук­тура вторичного цементита - белые поля или сетки;

5) графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых спла­вах, в свободном состоянии. Растворимость железа в графите очень мала. Графит имеет гексагональную слоистую кристаллическую ре­шетку. Мягкая фаза, обладает низкой прочностью. Микроструктура графита — темные образования различной формы и размера;

6) ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит хрупок, обладает хорошими литейными свойствами, большой прочностью. Микроструктура - смесь мелких округлых или вытянутых темных зерен в белой цементитной основе;

7) перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита, со­держащая 0,8 % углерода. Твердая и прочная фаза. Микроструктура ; перлита - темные зерна пластинчатого строения.

Таким образом, изменяя температуру и содержание углерода, можно получить различный не только химический, но и фазовый состав сплавов с разнообразными физико-химическими и механи­ческими свойствами и микроструктурой.

На основе диаграммы состояния «железо-углерод» синтезируют­ся железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны.