Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл углерод.
В промышленности чистое железо практически не используется, а наиболее широко применяются его сплавы. Основными из них являются сплавы железа с углеродом называемые сталями и чугунами.
Диаграмма состояний сплавов в системе железо - углерод дает первостепенные представления и понятия о строении и свойствах их составляющих.
Наибольшее практическое значение имеет только часть диаграммы состояния железо-углерод, в которой показано формирование цементита Fe3C, так как сплавы, содержащие большее количество углерода, очень хрупкие и практически не применяются в промышленности. Поэтому диаграмму состояния системы железо-углерод изображают только до концентрации углерода 6,67 % масс и называют диаграммой состояний железо-цементит
Железо – химический элемент IV периода VIII группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Химический знак Fe, атомный номер 26, радиус 0,127 нм, масса 55,85, металл.
|
|
Железо является одним из наиболее распространенных элементов в природе, уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию. Общее его содержание в земной коре составляет 5,1 %. В свободном виде оно находится в падающих на землю метеоритах. Распространены в природе различные соединения железа. Оно входит в состав большинства горных пород и минералов, из которых состоят месторождения железных руд.
Чистое железо (Fe) имеет температуру плавления 1539ºC, плотность –7,68 - 7,85 г/см3. Металл обладает невысокой твердостью и прочностью НВ» 80, sв» 250 МПа; s0,2 = 120 МПа и хорошей пластичностью; d = 50 %; y = 80 %. В твердом состоянии испытывает два полиморфных превращения. Важнейшее из них – превращение при 911ºC. Ниже этой температуры железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) с параметром a = 0,286 нм (рис.1, а). Это α-железо (Feα). Выше 911ºC существует γ-железо (Feγ) с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) и параметром a = 0,364 нм (рис.1, б).
а б
Рис. 1. Кристаллическая решетка a-железа (а) и g-железа (б)
α-железо ферро магнитно, При 768°С у него исчезают ферро магнитные свойства и железо становится парамагнитным, но кристаллическая структура его существенно не меняется. Критическую точку, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри (рис.2).
Рис.2. Температурный полиморфизм железа
Высокотемпературная модификация Feγ парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами.
В точке 1392°С совершается новое полиморфное превращение, при котором образуется d-Fe с объемно центрированной кубической решеткой. Это строение железо сохраняет до температуры плавления. Данная модификация парамагнитна.
|
|
Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой меньше влияет на структуру и свойства сплавов.
Высокотемпературная модификация Feγ парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами.
Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой меньше влияет на структуру и свойства сплавов.
Углерод – химический элемент II периода IV группы периодической системы, химический знак - С, атомный номер 6, радиус 0,077 нм или 0,77 Å; масса 12,011; неметалл. Массовая доля углерода в земной коре составляет 0,1 %. Он встречается в природе в свободном состоянии в двух аллотропических модификациях - алмаза и графита. Алмаз – прозрачное кристаллическое вещество со сложной кубической решеткой, что обеспечивает ему очень высокую твердость. Графит имеет темно-серую окраску с металлическим блеском. Он является жирным на ощупь. По своему строению это слоистое кристаллическое вещество с гексагональной решеткой
Углерод не плавится при нагреве, а возгоняется (переходит в газовую фазу) при температуре 3800ºC. Он мягкий, непрочный, хорошо проводит электричество.
Углерод может растворяться в жидком железе и в решетках обеих полиморфных модификаций, а также образует с железом химическое соединение. Поэтому в сплавах могут присутствовать следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), графит (Г).
Твердые растворы внедрения углерода и других примесей в a-железе называют ферритом, а в g-железе – аустенитом.
Феррит получил свое название от латинского наименования железа – «Ferrum». Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный d-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода в решетке феррита располагается в центре объема куба. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Твердость и механические свойства феррита близки к таковым технически чистого железа (sв = 250 МПа, s0,2 = 120 МПа, d = 50 %, y = 80 %, НВ 80 – 90 кгс/мм2 или 800 – 900 МПа), они зависят от количества элементов, присутствующих в нем (многие химические элементы образуют с ферритом твердые растворы замещения). Микроструктура феррита представлена на рис.3.
Рис.3. Микроструктура феррита
Аустенит был назван так в честь английского ученого Роберта Аустена, который занимался исследованиями структуры составляющих системы железо - углерод и разработкой вариантов ее диаграммы состояния. Атом углерода в решетке g - железа располагается в центре элементарной ячейки (рис.4,б).
а б
Рис.4. Кристаллическая решетка феррита (а) и аустенита (б)
Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм2 или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм2 или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис.5).
Рис.5. Микроструктура аустенита
Железо и углерод, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать ряд металлических карбидов с различными химическими формулами: Fе3С, Fе2С, FеС и другие. Наиболее распространенным и широко применяемым из них является карбид железа среднего состава Fе3С – цементит. Стехиометрическое соотношение элементов в нем соответственно равно 3/1. Содержание углерода составляет 6,67 % масс.
Кристаллическая решетка карбида железа очень сложная. Она представляет собой орторомбическую структуру с плотной упаковкой атомов (в элементарной ячейке расположено 12 атомов железа и 4 углерода). Характер связи между атомами железа чисто металлический, а между железом и углеродом ионно-металлический. Такое строение приводит к тому, что он проявляет металлические признаки: блеск, высокая электропроводность, уменьшающаяся с повышением температуры, легкость образования твердых растворов с металлами.
|
|
Данное соединение обладает высокой твердостью, сравнимой только с алмазом, он легко царапает стекло (НВ более 800 кгс/мм2), но чрезвычайно низкой практически нулевой пластичностью (большой хрупкостью), значительной жаропрочностью и обычно более высокой температурой плавления, чем исходный металл.