Глава 5

ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

1. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо - серебристо-светлый металл, принадлежащий к VIII груп­пе периодической системы, имеет атомную массу 55,85, плотность 7,86 г/см³, температуру плавления 1536 °С. Наиболее чистое ла­бораторное железо содержит не более 0,0001 % или 10^-4 % при­месей, технически чистое - около 0,1-0,15% примесей. Проч­ность технического железа невелика σ_B = 250 МПа при довольно высокой пластичности ∂ = 50 %, ψ = 80 %.

Железо в твердом состоянии может находиться в двух поли­морфных модификациях: объемноцентрированного и гранецентри-рованного куба. Из схемы изменения свободной энергии (рис. 76) следует, что в интервале температур 910—1392 °С меньшую сво­бодную энергию и большую стабильность имеет γ-железо с кри­сталлической решеткой ГЦК. Ниже 910 и выше 1392 °С устойчиво α-железо с ОЦК-решеткой. Высокотемпературную модификацию α-железа иногда называют δ-железом, хотя оно не представляет собой новой кристаллической формы.

К ривая охлаждения железа фиксирует два полиморфных и одно магнитное превращение (рис. 77). При магнитном превраще­нии температурная остановка при 768 °С связана не с перестройкой кристалличес­кой решетки и перекристаллизацией, а c внутриатомными изменениями внешних и внутренних электронных оболочек, кото­рые и приводят к изменениям магнитных свойств.

Углерод принадлежит к IV группе периодической системы. Углерод встре­чается в природе в виде двух модифика­ций: в форме алмаза и в форме графита. Атомная масса углерода 12, плотность гра­фита 2,25 г/см³, температура плавления 3500 °С. Графит имеет гексагональную сло­истую кристаллическую решетку. Гра­фит - мягкий материал и обладает низкой прочностью. Прочность графита с увеличением температуры ано­мально растет: при 20 °С σ_B = 20 МПа, при 2500 °С σ_B = 40 МПа. При 2500 °С графит прочнее всех тугоплавких металлов.

Углерод образует с железом твердые растворы внедрения. Рас­творимость углерода в железе зависит от его кристаллической формы.

Диаметр поры кристаллической решетки ОЦК значительно меньше, чем диаметр поры решетки ГЦК.. Поэтому α-Fе способно растворять углерод в очень малом количестве, а растворимость углерода в γ-Fе существенно больше.

В системе железо-углерод возможно присутствие следующих фаз: жидкой фазы, твердых растворов феррита и аустенита хими­ческого соединения цементита и графита.

Феррит (Ф), являющийся твердым раствором внедрения угле­рода в α-железе, обозначается Fе_α (С). При 727 °С наблюдается максимальная растворимость углерода в феррите, составляющая 0,02%; при +20 С в феррите растворяется около 0,006% С Свойства феррита близки к свойствам чистого железа.

А устенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, обозначается Fе_γ, (С). При 1147 °С аустенит может содержать до 2,14 % углерода, при 727 °С - 0,8 %.

И в феррите и в аустените могут растворяться многие легиру­ющие элементы, образуя твердые растворы замещения и резко изменяя их свойства. Кроме того, легирование может значительно менять температурные границы существования этих фаз. Цементит (Ц) - карбид железа Fе₃С в котором содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита 1252 °С Обладает очень высокой твердостью (около 800 НВ), легко цара­пает стекло. Цементит очень хрупок, имеет почти нулевую пла­стичность, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упа­ковкой атомов. При нагреве цементит распадается.