ЖЕЛЕЗО И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них—сталь и чугун — представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо-—углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО — УГЛЕРОД

Железо — металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8—99,9 % Fe. Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации а и у. Модификация a-железа существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 82). В интервале температур 1392—1539 °С a-железо нередко обозначают как б-железо.

Кристаллическая решетка а-железа — объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С a-железо магнитно (ферромагнитно). Температуру 768 °С, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А.г.

Плотность а-железа 7,68 г/см3.

Кривая охлаждения чистого железа (а) и схема микроструктуры феррита a-Fe (б) и аустенита y-Fe (в), X 150

Рис. 82. Кривая охлаждения чистого железа (а) и схема микроструктуры феррита a-Fe (б) и аустенита y-Fe (в), X 150

у-железо существует при температуре 910—

1392 °С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка у-железа гранецентрированная кубическая (а =

— 0,3645 нм при 910 °С).

Критическую точку превращения a^=ty(pnc. 821 при 910 СС обозначают со ответственно Ас3 (при нагреве) и Агъ (при охлаждении). Критическую точку перехода у ^ а при 1392 °С обозначают Асх (при нагреве) и Аг4 (при охлаждении) [1].

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см8, температура плавления 3500 сС, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метаста- бильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe—С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы—феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) — твердый раствор углерода и других примесей в a-железе. Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 6-феррит о предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (см. рио. 82, б).

Феррит (при 0,06 % С) имеет примерно следующие механические свойства: а„ = 250 МПа, аоа = 120 МПа, б 50 %, ф ^ 80 %, 80—90 НВ.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других примесей в у-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе — 2,14 %. Атом углерода в решетке у-железа располагается в центре элементарной ячейки (см. рис. 29, б), в которой может поместиться сфера радиусом 0,41# (# — атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.

Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в у-железе по сравнению с растворимостью в a-железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна (рис. 82, в).

Цементит (Ц) — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3G. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада. До температуры 210 ЬС, обозначаемой А0, цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость 1000 HV и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит имеет гексагональную слоистую (см. рис. 88, а) кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

В сплавах Fe—G существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная — цементит и стабильная — графит. Поэтому различают две диаграммы состояния —• метастабильную Fe— Fe3G и стабильную Fe—G (графит).

  • [1] Обозначения Ас и Аг происходят от начальных букв французских слов:А — arreter — остановка (площадка на кривой охлаждения), с — choffage—нагрев иг — refroidissnwnt — охлаждение.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >