Строение и свойства железоуглеродистых 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 α-модификации в γ-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).

Химически чистые металлы на практике используют редко. Это связано с трудностью получения чистых веществ, а также с возмож­ностью получать металлы с определенными требуемыми свойствам путем создания различных сплавов.

В металловедении различают три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы входящие 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 называв 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 (α-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 (γ-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 образуется, а углерод выделяется в виде графита (например, 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 γ-железе.

На этом явлении основана горячая обработка (прокат, ков­ка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности и, как следствие, деформация и разрушение стальных конструкций из-за нагрева во время пожара.