Железо и его сплавы.

Железо и его сплавы – важнейшие конструкционные материалы в технике, и в особенности в машиностроении. В настоящее время, несмотря на широкое использование других металлических и неметаллических материалов, объем применения сталей и чугунов в технике опережает объем применения прочих материалов.

Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.).

1.1. Свойства железа и фаз в сплавах железа с углеродом.

Железо (Fe) — элемент 8-й группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, располагающийся в триаде Fe, Со, Ni. Его содержание в земной коре составляет около 4,5 %. Это четвертый по распространенности в природе элемент после O, Si, Al.

Рис.1. Распространение железа в пересчете на 10⁶атомов кремния.

Важнейшие рудные минералы железа: магнетит (магнитный железняк) Fe₃O₄ (содержит 72,4% Fe), гематит (железный блеск, красный железняк) Fe₂O₃ (70% Fe), гётит a-FeO(OH), или Fe₂O₃.H₂O, лепидокрокит g-FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe₂O₃.xH₂O (ок. 62% Fe), сидерит FeCO₃ (48,2% Fe), ильменит FeTiO₃ (36,8% Fe). 

Температура плавления железа составляет 1539°С (±5°С). Ниже температуры 911 °С оно существует в форме Fe_α (ОЦК решетка), выше 911 °С — в форме Fe_γ (ГЦК решетка), выше 1392^оС — снова в форме Fe_α. Высокотемпературную модификацию Fe_α обозначают также Fe_δ. Точке 768 °С на кривой кристаллизации соответствует плато, обусловленное изменением магнитных свойств железа (точка Кюри), при более высоких температурах оно немагнитно, при более низких—магнитно. Немагнитное α-железо при температурах в интервале 768...911 °С иногда обозначают Fe_β.

Кривая охлаждения железа построена на рис. 1, а. Наличие двух температурных областей существования аллотропической модификации α-железа объясняется особенностью зависимости свободной энергии α- и γ-железа от температуры (рис. 1, б). При температурах 911 °С и 1392°С значения этой энергии для Fe_α и Fe_γ равны, а при t < 911 °С и t > 1392 °С G_Feα < < G_Feγ.

Плотность железа 7680 кг/м³, предел прочности при растяжении 200...250 МПа, относительное удлинение 50...60 %, твердость 70...80 НВ. Однако следует отметить, что указанные данные относятся к технически чистому железу, содержащему около 0,1 % примесей. Повышение степени очистки приводит к снижению прочности и твердости железа.

Кристаллические решетки α- и γ-железа имеют периоды 0,286 нм и 0,364 нм соответственно. Размеры пор в ОЦК решетке α-железа около 0,06 нм, в ГЦК решетке γ-железа около 0,1 нм. Различие в геометрии решеток существенно для понимания различной растворимости углерода, диаметр атома которого равен 0,154 нм, в α- и γ-железе. Растворимость углерода в α-железе очень мала и в основном обусловлена размещением атомов углерода в дефектах решетки, так как диаметр пор по граням ОЦК решетки меньше, чем

Рис. 1.1. Кривая охлаждения чистого железа (а) и зависимость его свободной энергии от температуры (б)

диаметр атома углерода. В γ-железе углерод растворяется в зна­чительно большем количестве, так как атомы углерода с обобществленными электронами размещаются в порах ГЦК решетки.

Особенности фазового и структурного состояния системы железо – углерод обусловлены существованием аллотропических модификаций железа с различным строением кристаллической решетки. По этой причине, а также вследствие ограниченной растворимости углерода в железе диаграмма состояния системы железо – углерод включает большое разнообразие фаз и структур.

В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит) и свободный углерод в виде графита. Кроме того, к структурным составляющим относят перлит и ледебурит — механические смеси.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железе. У него ОЦК решетка, и поэтому растворимость углерода в феррите очень мала. Низкотемпературный α-феррит содержит до 0,02% углерода, высокотемпературный α-феррит (или δ-феррит) —до 0,1 % углерода, Техническое железо имеет структуру феррита, который вытравливается на шлифах в виде однородных зерен. Феррит высокопластичен (δ=40...50 %) и мягок (80...120 НВ), хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии. На диаграмме состояния обозначается буквой Ф или α.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с содержанием углерода до 2,14%. Микроструктура — однородные зерна, существует при t>911 °С. Высокопластичен, но более тверд, чем феррит (I60...200 НВ). Кроме углерода растворяет другие элементы. На диаграмме состояния обозначается буквой А или γ.

Цементит — химическое соединение Fe₃C, содержит 6,67 % углерода. Самая твердая (800 НВ) и хрупкая составляющая сплавов железа с углеродом. Решетка сложная ромбическая, плотноупакованная. Температура плавления равна 1250 °С. До t=210°С цементит магнитен. При высоких температурах разлагается на графит и аустенит. Образует твердые растворы замещения, в которых углерод замещается неметаллами (кислородом, азотом), а железо — металлами (марганцем, хромом, вольфрамом и т. д.). Сплавы на основе цементита в чистом виде не используют. Чем больше це­ментита в железоуглеродистом сплаве, тем твердость последнего выше. Обозначают на диаграмме состояния буквой Ц.

Графит — аллотропическая модификация углерода со слоистой гексагональной решеткой и слабой связью между слоями. Графит мягок, прочность его очень низкая. Температура плавления около 3800 °С, плотность 2500 кг/м³. Химически стоек и электропроводен. На диаграмме состояния обозначается буквой Г.

Перлит — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при t=723 °С. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью (δ_в=800 МПа), твердостью (200 НВ) и повышает механические свойства сплава. Структура перлита — чередующиеся пластинки феррита и цементита. На диаграмме состояния обозначается буквой П.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, образуется при кристаллизации сплава с 4,3% углерода при t=1147 С. При температурах ниже 727 °С аустенит в ледебурите превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит — эвтектика. Он тверд (700 НВ). Имеет сотовое или пластинчатое строение и содержится во всех белых чугунах. На диаграмме состояния обозначается буквой Л.