4. Полиморфное превращение в железе.

Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом, а различные кристаллические формы одного вещества называют полиморфными модификациями.

Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами α, β, γ, δ и т.д., причем α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре.

Суть полиморфного превращения заключается в том, что при нагревании в твердом металле возникают новые центры кристаллизации, что приводит к образованию новой решетки. При формировании кристаллической решетки температура остается постоянной, так как при нагревании формирование происходит с поглощением тепла, а при охлаждении – с выделением тепла. Полиморфное превращение – это кристаллизационный процесс и на кривой нагревания (охлаждения) изображается горизонтальной линией.

В результате полиморфного превращения образуются зерна, имеющие другой размер и форму по сравнению с исходными зернами. При переходе из одной полиморфной модификации в другую меняются все свойства металлов.

Важнейшее значение в технике имеют полиморфные превращения в железе (Рис. 5). Железо может существовать в нескольких модификациях.

Рисунок 5. Кривая охлаждения чистого железа.

До температуры 1539ºС железо остается жидким. При температуре 1539ºС начинается кристаллизация и образуется δ-железо, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку. Между температурами 1400 и 910ºС происходит перестройка этой решетки в новую модификацию – γ-железо с образованием кубической гранецентрированной решетки. Ниже температуры 910ºС железо переходит в новую форму – α-железо с кубической объемно-центрированной решеткой. При температуре 768ºС происходит последняя температурная остановка с образованием магнитной формы α-железа, в которой сохраняется объемно-центрированная решетка.

Подобные полиморфные превращения происходят и с другими металлами, но при иных критических температурах.

5. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

Важнейшим свойством железоуглеродистых сплавов является то, что они в зависимости от содержания углерода, температуры нагрева и скорости охлаждения способны иметь разные структуры. Изменяя структуру можно получить самые различные физико-механические свойства сплавов.

Железо – серебристый металл с температурой плавления 1539ºС. Механические свойства железа: твердость HB = 80, прочность σ_в=250 МПа, пластичность σ = 50%. Железо может находиться в нескольких полиморфных модификациях (см. п.1).

Техническое железо всегда содержит ряд элементов, которые попадают в него непроизвольно при производстве или вводят специально для придания особых свойств.

Углерод в природе существует в двух модификациях – в виде графита и алмаза. Графит имеет сложную гексагональную кристаллическую решетку. Он является мягким непрочным материалом, но с увеличением температуры прочность его значительно возрастает. Углерод в железоуглеродистых сплавах присутствует в виде графита или в виде химического соединения карбида железа Fe₃C (цементит).

Цементит – химическое соединение железа с углеродом, в котором углерода содержится 6,67%. Температура плавления цементита – около 1250ºС. Он имеет сложную орторомбическую решетку. Цементит отличается высокой твердостью и очень низкой пластичностью и хрупкостью.

Феррит – твердый раствор углерода в α-железе. Феррит обладает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σ_ь = 25 кгс/мм²) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147ºС). Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкими прочностью и твердостью (HB 220).

Перлит – механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727ºС. Может иметь как пластинчатое строение (чередующиеся пластинник феррита и цементита), так и зернистое строение (зерна цементита, окруженные ферритом). Зернистый перлит имеет более высокую твердость, чем пластинчатый. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью. Ледебурит характерен для структуры белых чугунов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое сплав?

2. В чем заключается преимущество сплавов от чистых металлов?

3. Что называют компонентом, фазой, системой?

4. Что такое валентность сплава? Какие бывают виды валентности?

5. Какой сплав называется твердым раствором? В чем отличие твердого раствора внедрения от твердого раствора замещения?

6. Когда образуется сплав механическая смесь? В чем его особенность?

7. Когда образуется сплав химическое соединение? В чем его особенность?