7. Железо и сплавы на его основе

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее ши­роко. Основные из них – сталь и чугун – представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элемента. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо-углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.

7.1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод

Ж елезо – 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 α-железа существует при темпера­турах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 50). 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, называют точкой Кюри и обозначают А₂.

Плотность α-железа 7,68 г/см³.

γ-железо существует при температуре 910-1392 °С; оно парамагнитно. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентрированная кубическая (а = 0,3645 нм при 910 °С).

К ритическую точку превращения α ↔ γ (рис. 50) при 910 °С обозначают со­ответственно Ас₃ (при на­греве) и Аr₃ (при охлаж­дении). Критическую точ­ку перехода γ ↔ α а при 1392 °С обозначают Aс₄ (при нагреве) и Аr₄ (при охлаждении).

Углерод является неме­таллическим элементом II периода IV группы перио­дической системы, атом­ный номер 6, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500 °С, атом­ный радиус 0,077 нм. Угле­род полиморфен. В обыч­ных условиях он находит­ся в виде модификации графита, но может суще­ствовать и в виде метастабильной 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-С 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 с растворимостью углерода 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. 50, б).

Феррит (при 0,06 % С) имеет примерно следующие меха­нические свойства: σ_в = 250 МПа, σ_0,2 = 120 МПа, δ = 50 %, ψ = 80 %, 80-90 НВ.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода 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, в которой может поместиться сфера радиусом 0,4lR (R – атомный радиус железа) и в дефект­ных областях кристалла.

Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГИД решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в γ-железе по сравнению c растворимостью в α-железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита – полиэдрические зерна (рис. 50, в).

Цементит (Ц) – это химическое соединение железа с углеро­дом – карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной 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 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).