5. Железоуглеродистые сплавы

5.1. Компоненты и фазы

Железо (Fe) – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления – 1539 °С, плотность – 7,87 г/см³, атомная масса – 55,85. Атомный радиус – 0,127 нм, ионный: Fe²⁺ – 0,078 нм, Fe³⁺ – 0,064 нм. Имеет полиморфные модификации: -железо (Fe_) с ОЦК решеткой ниже 911 °С и выше 1392 °С, -железо (Fe_) с ГЦК решеткой, существующее в интервале 911–1392 °С. Высокотемпературную модификацию Fe_ называют δ-железо (Fe_δ). Период решетки -железа – 0,286 нм, -железа – 0,365 нм. При сильном сжатии -железо переходит в гексагональную -модификацию, плотность которой в 1,15 раза больше. При атмосферном давлении гексагональная модификация может быть достигнута путем легирования. До температуры 768 °С (точка Кюри) железо ферромагнитно. Твердость чистого железа (99,99 %) равна 490 МПа (49 НВ). Техническое железо также обладает низкой твердостью (80 НВ) и прочностью (σ_в = 250 МПа), высокой пластичностью (δ = 50 %, ψ = 80 %).

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

Углерод (C) – неметалл. Атомная масса – 12,011. Атомный радиус – 0,077 нм; ковалентные радиусы: 0,077, 0,067 и 0,060 нм в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус С⁴⁺ – 0,015 нм. Имеет несколько кристаллических модификаций (рис. 5.1).

У гексагонального -графита (а = 0,142 нм, с = 0,335 нм) положение слоев повторяется через один, слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами (рис. 5.1,в). Плотность – 2,2 г/см³, температура плавления – 3500 °С.

Углерод имеет 4 валентных электрона. В слое каждый атом углерода связан с тремя другими атомами углерода тремя компланарными sp²-гибридными орбиталями. Негибридизованные р-электроны образуют электронное облако как в металлах. В этом причина электропроводности графита и его блеска. Слоистое строение графита определяет анизотропию свойств: вдоль слоя электропроводность в 5000 раз больше, чем в поперечном направлении. Один слой связанных атомов легко скользит по другому слою. Графит хороший смазочный материал.

У ромбоэдрического β-графита каждый четвертый слой повторяет первый; в чистом виде не встречается. Атомы углерода могут объединяются в линейные цепочки – карбин (sp-гибридизация), который при температурах выше 1500 °С и давлениях выше 4 ГПа (1 ГПа = 10⁴ атм.) без катализатора превращается в алмаз (sp³-гибридизация). Процесс ускоряется в присутствии расплавленных металлов (Cr, Fe, Ni) и неметаллов (красный фосфор), но алмазы часто имеют черный цвет. Новый метод синтеза прозрачных алмазов сантиметровых размеров – выращивание из раствора углерода в расплавленных карбонатах щелочноземельных металлов при высоких температурах и давлениях.

Фазы образующиеся при взаимодействии компонентов сплава.

Жидкая фаза (Ж). В жидком состоянии железо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф) (от лат. ferrum – железо) – твердый раствор внедрения углерода и других примесей (например, Mn, Si) в -железе (рис. 5.2,а). Атомы углерода располагаются в центре граней ОЦК решетки, в вакансиях, на дислокациях. Свойства феррита близки к свойствам железа. Он обладает малой прочностью (65–130 НВ, _в = 250 МПа), высокой пластичностью ( = 50 %), магнитен до 768 °С. Максимальная растворимость углерода при 20°С – 0,006 % (точка Q на рис. 5.3), при 727 °С – 0,02 % (точка P). В интервале 1392–1539 °С существует высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 % при 1499 °С (точка J).

Аустенит (А) (по имени английского ученого Р. Аустена) – твердый раствор углерода в -железе (рис. 5.2,б). Аустенит высокотемпературная фаза. При минимальной температуре существования – 727 °С имеет растворимость углерода 0,8 % (линия PSK на рис. 5.3), максимальную растворимость – 2,14 % при 1147 °С (точка Е). Аустенит прочнее феррита (200 НВ,  = 40–50 %), парамагнитен.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C) содержит 6,69 % углерода. Решетка состоит из октаэдров (рис. 5.2,в), оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при 210 °С, плотность – 7,82 г/см³. Цементит – метастабильная фаза: при нагревании разлагается на железо и углерод. Температура плавления указывается примерно: 1250–1550 °С. Цементит имеет высокую твердость (800 НВ, царапает стекло), но чрезвычайно низкую пластичность. Цементит первичный Ц_I образуется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов, вторичный Ц_II – из аустенита в виде непрерывной сетки по границам зерен (при дальнейшем охлаждении вокруг зерен перлита), третичный Ц_III – из феррита в виде мелких межзеренных включений; их химические и физические свойства одинаковы.