Рис. 7. Диаграмма состояния железо — углерод:

Ж — жидкость; Ф — феррит; А — аустенит; П — перлит; Ц_I — цементит первичный; Ц_II — цементит вторичный; Л — ледебурит; Ц_III — цементит третичный;

А₁^, А₂^, А₃^, А₄^, А_ст – критические точки стали

43. Какие аллотропические изменения претерпевает железо при нагревании и охлаждении.

В железоуглероди­стых сплавах аллотропические превращения совершаются в интервале температур.

Различные кристаллические формы металла называются аллотропическими, или полиморфными модификациями. Аллотропические модификации обозначают греческими буквами (, , ,  и т.д.), добавляемыми к символу, соответствующему данному элементу.

Твердое железо при различных температурах существует в двух ал­лотропических модификациях: Fе_ и Fe_. В соответствии с этим кривая охлаждения железа (рис. 2) имеет иной вид по сравнению с кривой охлаждения чистого металла без аллотропического превращения в твер­дом состоянии (рис. 3).

Существование каждой аллотропической формы железа отмечено температурным интер­валом на левой температурной шкале диаграммы (см. рис. 7).

Рис. 2. Кривая охлаждения железа

рис. 3. Кривые охлаждения чистых металлов:

1 — теоретическая; 2 и 3 - экс­периментальные

Превращение одной аллотропической формы в другую сопровожда­ется при охлаждении выделением скрытой теплоты кристаллизации. Поэтому на кривой охлаждения железа при температурах аллотропиче­ского превращения наблюдаются горизонтальные площадки. Верхняя ветвь кривой охлаждения (см. рис. 2) характеризует охлаждение жидко­го железа. При температуре Т = 1539 °С наблюдается горизонтальная площадка, что соответствует кристаллизации аллотропической моди­фикации Fе_. Она имеет кристаллическую решетку ОЦК, свою структуру и свойства, является немагнитной. Ветвь кривой охлаждения в интерва­ле температур 1539-1392 °С является охлаждением твердой модифика­ции Fе_ (). При температуре 1392 °С наблюдается вторая горизонталь­ная площадка, которая соответствует перекристаллизации в твердом со­стоянии одной аллотропической модификации в другую: Fе_  Fе_. Мо­дификация Fе_имеет кристаллическую решетку ГЦК (гранецентриро-ванный куб), свою структуру и свойства, является немагнитной.

Далее происходит охлаждение Fе_, что характеризуется ветвью кри­вой охлаждения в интервале температур 1392-911 °С. При температуре 911 °С наблюдается третья горизонтальная площадка на кривой охлаж­дения, что соответствует новой перекристаллизации железа в твердом со­стоянии с перестройкой кристаллической решетки. Здесь происходит пе­реход Fе_ в Fе_ . Железо Fe_ имеет кристаллическую решетку ОЦК, свою новую структуру и свойства и начиная с температуры 768 °С (точ­ка Кюри) становится магнитным Нижняя ветвь кривой охлаждения от 911 °С до комнатной температуры является охлаждением новой твердой модификации железа - Fе_. При температуре 768 °С наблюдается пере­гиб кривой охлаждения, что отвечает появлению магнитных свойств у железа. Изменения структуры, механических и физических свойств в этой точке не происходит. Охлаждение жидкого металла, не обладающего полиморфизмом, со­провождается плавным понижением температуры (верхняя ветвь кривой охлаждения) (см. рис. 3). В этом периоде не наблюдается качественного изменения состояния металла, поэтому его называют простым охлажде­нием металла. При достижении теоретической температуры кристаллиза­ции T_s на кривых охлаждения появляются горизонтальные площадки, показывающие, что температура металла в период кристаллизации оста­ется постоянной. Это объясняется выделением при кристаллизации скры­той теплоты кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла в про­цессе охлаждения металла. Длина горизонтального участка кривой охлаждения соответствует времени протекания кристаллизации, показы­вая начало и конец процесса. По окончании кристаллизации, т.е. когда завершится переход металла из жидкого в твердое состояние, темпера­тура опять снижается — происходит охлаждение металла в твердом со­стоянии (нижняя ветвь кривой охлаждения). В реальных условиях про­цесс затвердевания может происходить лишь при переохлаждении метал­ла до реальной температуры кристаллизации Т_п (где п — степень пере­охлаждения), лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации T_s. Разность между теоретической и реальной температурами кристалли­зации металла называют степенью переохлаждения п. На кривой 3 наблю­дается скачок в повышении Т_п за счет бурного выделения скрытой теп­лоты кристаллизации в первый ее момент.

В какие взаимодействия вступает железо с углеродом.

карбид железа Fе₃ С - цементита.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом, имею­щее очень сложную кристаллическую решетку (рис. 8,а). Он обладает высокой прочностью, твердостью, хрупкостью, высокой температурой плавления 1250 °С. Железо, наоборот, отличается невысокой прочностью, твердостью, хорошей пластичностью.

Рис. 8. Кристаллические решетки цементита (а); аустенита (б) ; мартенсита (в)

В результате взаимодействия железа с углеродом в высоко­температурной области образуется твердый раствор углерода в Fe_, на­зываемый ферритом Ф [область AHNA, примыкающая к температурно­му интервалу существования Fe_ (или Fe_ ()) 1539-1392 °С] .

В ин­тервале средних температур образуется твердый раствор углерода в Fe_ — аустенит А (область NIESGN, примыкающая к температурному интервалу существования Fe_ - 1392-911 °С).