31. Черные металлы. Сплавы на основе железа, их классификация и свойства.

Черные металлы – это железо и его сплавы (название – от черного цвета окалины, образующейся на поверхности при нагревании).

В основу технической классификации черных металлов положен их химический состав. На основания содержания углерода все железные сплавы делят на чугуны и стали. Сталями называют железные сплавы с содержанием углерода до 2%, а чугунами – с содержанием углерода более 2% (обычно от 3,5 до 4,5%).

Классификация эта является естественной, так как определяется свойствами различных аллотропных модификаций твердого железа. При нормальных условиях существует α-железо, имеющее кристаллическую решетку в форме объемноцентрированного куба. При 768°C железо теряет магнитные свойства и переходит в немагнитное (β-железо) без изменения кристаллического строения, а при 910°C образуется новая его модификация - γ-железо немагнитно, но имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба. При 1400°C происходит дальнейшее превращение γ-железа в δ-железо. Кристаллическая решетка δ-железа – объемноцентрированный куб, и по физическим свойствам оно аналогично α-железу. При переходе α-железа в γ-железо растворимость в нем сильно возрастает. Так, максимальная при 723°C растворимость углерода в α-железе составляет не более 0,04%. Раствор, содержащий еще немного кремния, серы и фосфора, называют ферритом; он обладает сравнительно небольшой механической прочностью и малой твердостью, но значительной пластичностью, и он магнитен. Растворимость же в γ-железе достигает 0,83% при 720°C и до 2% при 1130°C, этим и определяется граница между сталями и чугунами (белыми). Такой раствор называют аустенитом; в отличие от феррита он очень тверд, прочен, но хрупок и не магнитен. В жидком железе углерод, помимо растворения в нем, способен образовывать соединения с ним – карбид железа Fe₃C, или цементит с содержанием 6,67% углерода и температурой плавления 1550°C; в твердом состоянии обладает большой механической прочностью и твердостью, близкой к алмазу, но значительной хрупкостью. Затвердевшая сталь состоит только из аустенита, а белый чугун из аустенита и ледебурита (2 – 4,3% С) или из цементита и ледебурита (более 4,3% С). С увеличением процента углерода в сплаве возрастает содержание в нем цементита, Что влечет за собой увеличение прочности и твердости, но снижение пластичности. При медленном охлаждении чугунов значительная часть цементита также распадается на феррит и графит. Такие чугуны обычно называют серыми.

В зависимости от назначения стали, бывают конструкционные, инструментальные и специальные (нержавеющие, жароупорные, кислотоупорные и др.). Стали по их составу делятся на две группы: углеродистые и легированные. Углеродистые – стали, в которых важнейшим компонентом, определяющим их свойства является углерод, а другие примеси (марганец, кремний, фосфор, сера) заметного влияния на их свойства не оказывают. В зависимости от содержания углерода эти стали могут быть низкоуглеродистыми (до 0,25% С), среднеуглеродистыми (от 0,25 до 0,6% С) и высокоуглеродистыми (более 0,6% С).

Легированными называют такие стали, которые содержат, помимо углерода, другие специально введенные легирующие элементы, например вольфрам, ванадий, хром, молибден, никель и др. Наиболее широко из ни применяется хром. Даже небольшое количество хрома (1 – 1,5%), вводимое в стали резко повышает их твердость и прочность по сравнению с углеродистыми; при большем содержании хрома (12 – 17%) стали являются нержавеющимими, а при содержании 25 – 28% хрома – жароупорными. Дополнительное введение никеля придает хромоникелевым сталям большую пластичность, снижает хрупкость. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали даже с малым содержанием молибдена и ванадия сохраняют свою прочность при высоких температурах и давлениях. Марганцовистые стали лучше всех переносят удары.