Компоненты железоуглеродистых сплавов и их взаимодействие

Основные компоненты сталей и чугунов – железо и углерод.

Железо – металл серебристо-белого цвета, атомный радиус – 0,127 нм (1нм = 10Å = 10^-7 см).

В чистом железе, которое можно получить в настоящее время, 99,999% железа, а технически чистое железо армко – содержит 99,8-99,9% железа и производится для электротехнических целей. Температура плавления железа 1539°С (точка А, рис. 1). В твердом состоянии оно может быть в двух полиморфных модификациях:  и .

-железо существует при температурах ниже 911°C (точка G) и выше 1392°C (точка N) (рис. 2). В интервале температур 1392–1539°С -железо обозначают как -железо.

Рис. 2. Микроструктура -Fe (а), -Fe (б) и феррита с третичным цементитом (в)

Криссталлическая решетке -железа – объемноцентрированный куб с периодом 0,28606 нм, плотность его 7,68 г/см³.

Ниже 768°С -железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку М, соответствующую магнитному превращению, называют точкой Кюри и обозначают А₂. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.

-железо существует в интервале температур 911–1392°С – оно парамагнитно. Его кристаллическая решетка – гранецентрированный куб с периодом 0,3645 нм. Плотность -железа выше, чем -железа, и равна 8,0–8,1 г/см³, т. е. превращение  сопровождается сжатием (примерно на 1%). Критическую точку -превращения при 911°С обозначают как Ас₃ (при нагреве) и Ar₃ (при охлаждении), а при 1392°С – как Ас₄ (при нагреве) и Ar₄ (при охлаждении).

Железо в твердом состоянии со многими элементами образует растворы: с металлами – замещения, а с углеродом, азотом и водородом – внедрения.

Углерод – неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см⁸, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Он растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также образует с ним химическое соединение – цементит (карбид железа Fe₃C).

Растворимость углерода в железе в твердом состоянии зависит от кристаллического строения железа:

– в -железе растворимость менее 0,02%;

– в -железе – в 100 раз больше (до 2,1%), в центре кристаллической решетки которого – пора диаметром 0,102 нм.

Кроме основных компонентов, железоуглеродистые сплавы содержат различное количество примесей, которые делят на постоянные (или обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

К постоянным примесям относят марганец, кремний и алюминий, вводимые для раскисления (в кипящей стали содержание кремния и алюминия невелико). К этой группе относят серу и фосфор, от которых полностью освободиться при массовом производстве невозможно. Содержание постоянных примесей в стали обычно находится в следующих пределах, %: 0,3–0,7 Mn; 0,17–0,37 Si (в кипящей до 0,03 Si); 0,01–0,02 Al; 0,01–0,05 Р; 0,01–0,04 S.

К числу примесей скрытых относят кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в малых количествах.

Случайными примесями являются мышьяк, свинец и другие элементы, переходящие в расплав из шихтовых материалов –легированного металлического лома (Се, Ni и др.) или попадающие случайно.

Специальные – легирующие элементы вводят для получения нужных (по условиям эксплуатации деталей) свойств. Легированной считают сталь со специально введенными легирующими элементами для существенного изменения определенных свойств по сравнение с углеродистой. Легированной также является сталь с содержанием кремния более 0,5%, а марганца – более 1%.

Небольшое количество примесей влияет на формирование структуры и свойства железоуглеродистых сплавов, но не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния. Поэтому состав и структура медленно охлажденных сплавов достаточно точно согласуются с диаграммой железо-углерод, построенной для чистых от примесей сплавов, и определяются содержанием углерода.