8.2. Строение и свойства металлов и сплавов

Металлы, как и другие вещества, могут существовать в различных кристаллических формах (модификациях). Это явление называется полиморфизмом.

Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, при температуре свыше 723° С железо переходит из (-модификации в -модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла. При резком охлаждении металла высокотемпературные модификации могут и не переходить в низкотемпературные. На этом, например, основана термообработка металлов (закалка, отпуск, нормализация).

В металловедении различают три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы входящих в состав сплава элементов незначительно отличаются размером и строением электронной оболочки, то они могут образовывать общую кристаллическую решетку. Сплав с таким строением называют твердым раствором. Если элементы сплава не образуют твердого раствора, а каждый из них кристаллизуется самостоятельно, то такой сплав называют механической смесью. Если элементы сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новое вещество, такой сплав называют химическим соединением. Практически сплавы могут сочетать в себе все три типа строения.

Рассмотрим зависимость свойств сплава от его состава и строения на примере железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Чистое железо  серебристо-белый мягкий пластичный металл, почти не окисляющийся на воздухе. Прочность его значительно ниже прочности стали и чугуна. При производстве в черные металлы в виде примесей к железу попадают углерод, кремний и некоторые другие вещества. Наибольшее влияние на их свойства оказывает углерод, содержащийся в количестве 0,5...5%.

Способность железа растворять углерод и другие элементы служит основой для получения разнообразных сплавов.

Углерод, растворяясь в железе, образует твердые растворы. В низкотемпературной модификации железа (-железе) растворяется мало углерода (до 0,02 %), такой раствор называют ферритом. Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью. Чем больше в сплаве содержится феррита, тем он мягче и пластичнее. Высокотемпературная модификация железа (-железо) лучше растворяет углерод (до 2 %), образуя твердый раствор аустенит, также характеризующийся высокой пластичностью.

Химическое соединение железа с углеродом  карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом. Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, тем он более твердый и хрупкий. В некоторых случаях (например, в присутствии больших количеств кремния) цементит не обрадуется, а углерод выделяется в виде графита (в сером чугуне).

В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Иными словами, сталь и чугун  поликристаллические материалы, свойства которых зависят как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723°С твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит  раствор углерода в -железе. На этом основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности стальных конструкций при нагреве во время пожара.