7.Компоненты и фазы в системе железо — углерод
Железо — металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8—99,9 % Fe. Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация «-железа существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 82). В интервале температур 1392—1539 °С α-железо нередко обозначают как δ-железо. Кристаллическая решетка α-железа — объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α-железо магнитно (ферромагнитно). Температуру 768 °С, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называю)? точкой Кюри и обозначают A2. Плотность α-железа 7,68 г/см3. γ-железо существует при температуре 910— 1392 °С; оно парамагнитно. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентриро-ванная кубическая (a = 0,3645 нм при 910 °С). Критическую точку превращения α ⇔ γ (рис. 82) при 910 °С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аr3 (при охлаждении). Критическую точку перехода γ5α при 1392 °С обозначают Ас4 (при нагреве) и Ас4 (при охлаждении) 1.
Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см3, температура плавления 3500 °C, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метаста бильной модификации алмаза. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.
В системе Fe—C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы—феррит и аустенит, а также цементит и графит.
Феррит (Ф) — твердый раствор углерода и других примесей в α-железе. Различают низкотемпературный α-феррит о растворимостью урлерода до 0,02 % и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (см. рис. 82, б). Феррит (при 0,06 % С) имеет примерно следующие механические свойства: σB = 250 МПа, σ0,2 = 120 МПа, δ 50 %, ψ 80 %, 80—90 НВ. ≅≅ Аустенит (А) — твердый раствор урлерода и других примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ-железе — 2,14 %. Атом углерода в решетке γ-железа располагается в центре элементарной ячейки (см. рис 29, б), в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R (R — атомный радиус железа) и а дефектных областях кристалла. Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в γ-железе по сравнению с растворимостью в α-железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна (рис. 82, в).
Цементит (Ц) — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C В цементите содержится 6,67 % С Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотно й упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с ВОЗМОЖНОСТЬЮ его распада. До температуры 210 °С, обозначаемой А0, цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость 1000 HV и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.
Графит имеет гексагональную слоистую (см. рис. 88, а) кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью. В сплавах Fe—С существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная — цементит и стабильная — графит. Поэтому различают две диаграммы состояния — метастабильную Fe— Fe3C и стабильную Fe—С (графит).
