17. Железо-углеродистые сплавы.
Благодаря малым размерам атомов, углерод образует с железом твердые растворы внедрения. Твердый раствор углерода в железе с оцк-решеткой называется ферритом. Содержание углерода в высокотемпературном бетта-железе не превышает 0.1% В альфа-железе макс. Растворимость углерода (при t=727С) составляет всего 0.02%, при охлаждении до комн. Температуры равновесное содержание углерода в феррите падает почти до 0. Феррит, как и чистое железо, характеризуется малой твердостью, прочностью и высокой пластичностью.
Гамма-железо с ГЦК решеткой растворяет углерод значительно активнее, чем альфа-железо. Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом. Максимум углерода в гамма-железе – 2.14% . Аустенит сохраняет высокие пластические свойства, присущие железу, потому что углерод в нем не изменяет природы металлической связи.
При 6.67% С между атомами компонентов происходит химическое взаимодействие, в результате которого образуется соединение постоянного состава –цементит. Он имеет сложную крист. Решетку с жесткими направленными связями между атомами углерода и железа. Эта структура характеризуется очень высокой твердостью. Цементит энергетически неустойчив и при определенных условиях может распадаться с выделением свободного углерода – графита.
Растворяясь в жидком железе, углерод изменяет t кристаллизации. По линии АС из жидкого раствора выделяется аустенит, который представляет собой твердый раствор углерода (до 2.14%С) и других примесей в гамма-железе. Линия АЕ соответствует температурам, при которых процесс кристаллизации заканчивается. Таким образом, кристаллизация сплавов, содержащих до 2.14% С, заканчивается образованием аустенитной структуры. Эти сплавы называются сталями.
Эвтектоидная (механическая) смесь феррита и вторичного цементита, называется перлитом. Это одна из важнейших структурных составляющих сталей и чугунов. Такая структура исспользуется как инструментальная сталь для штампов, режущих инструментов по дереву, и тд.
В точке С (4.3%С) при постоянной t 1147С происходит превращение, связанное с одновременным выделением из жидкой фазы дисперсных кристаллов цементита и насыщенного (2.14%С) аустенита, образующих эвтектическую структуру – ледебурит. Такую структуру имеют белые чугуны.
Мартенсит — микроструктура игольчатого (пластинчатого) вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм. Мартенсит — основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита. С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов.
18. Анизотропия и аллотропия.
Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее — лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.Под анизотропией понимается неодинаковость механических и других свойств в кристаллических телах вдоль различных кристаллографических направлений. Она является естественным следствием кристаллического строения, так как на различных кристаллографических плоскостях и вдоль различных направлений плотность атомов различна. Поскольку механические, физические и химические свойства вдоль различных направлений зависят от плотности находящихся на них атомов, то перечисленные свойства вдоль различных направлений в кристаллических телах должны быть неодинаковыми. Анизотропия проявляется только в пределах одного монокристалла или зерна-кристаллита. В поликристаллических телах она не наблюдается из-за усреднения свойств по каждому направлению для огромного количества произвольно ориентированных друг относительно друга зерен. Поэтому реальные металлы являются квазиизотропными телами, т. е. псевдоизотропными.
Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных температур изменять кристаллическое строение, т. е. изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической решетки. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными. Аллотропическими формами железа являются: до 911°С - альфа-железо (a-Fe), имеющее ОЦК-решетку, от 911°С до 1392 °С -гамма-железо (g -Fe) с решеткой ГЦК и от 1392°С до 1539 °С т. е. до температуры плавления - снова a-Fe с решеткой OЦK, однако, чтобы отличить его от низкотемпературной модификации, его принято называть дельта-железом (d -Fе). Известное в практике так называемое немагнитное бета-железо (b -Fe) самостоятельной аллотропической формой не является, так как имеет такую же, как у a-Fe ОЦК-решетку и отличается от него только отсутствием магнитных свойств, которые оно теряет при 768°С (точка Кюри).