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, которые описываются диаграммой состояния железо — углерод.

Диаграмма состояния железо — углерод (Fe—С). Тип диаграммы состояния зависит от природы компонентов и от характера взаимоотношений между компонентами.

Железо — металл серебристо-белого цвета, является переходным металлом, находится в VIII группе Периодической системы. Его температура плавления — 1539 °C.

Железо — полиморфный металл, может существовать в двух модификациях: 1) a-железо, с кубической объемно-центрированной решеткой (ОЦК), период которой — 0,286 нм, плотность — 7,68 г/см³; 2) у-железо с кубической гранецентрированной решеткой, период которой — 0,365 нм, плотность — 8,0 г/см³.

у-железо существует в интервале температур от 910 до 1392 °C. Эти температуры являются критическими точками железа, их обозначают А₃ и А₄. Критическая точка А₃ отвечает температуре 910 °C, при которой при нагревании железа ОЦК решетка перестраивается в ГЦК, а при охлаждении происходит превращение в обратном направлении.

Критическая точка А₄ соответствует температуре 1392 °C, когда у-железо преобразуется в a-железо (иногда, чтобы отличить железо с ОЦК решеткой, существующей при высоких температурах, выше 1392 °C, вводят обозначение «8-железо»),.

Углерод — неметалл, находится в IV группе Периодической системы, Его температура плавления — 3500 °C.

Углерод полиморфен, имеет две аллотропические формы: графит и алмаз. Графит является устойчивой в обычных условиях аллотропической формой. Алмаз получают при высоких давлениях и температурах.

При взаимодействии железа с углеродом в сплавах углерод может растворяться в решетках железа по механизму внедрения, т. е. внедряться в межузельные пространства решетки железа, поскольку атомный радиус углерода почти в два раза меньше, чем у железа, а также образовывать соединения Fe₃C, Fe₂C и др.

Соединение Fe₃C содержит наименьшую концентрацию углерода (6,67% С) по сравнению с другими соединениями, поэтому можно рассматривать часть диаграммы от железа до соединения Fe₃C как самостоятельную диаграмму Fe—Fe₃C.

1. Диаграмма состояния железо —цементит (Fe—Fe₃C). Стали и белые чугуны.

Эта диаграмма, изображенная на рис. 15.1 сплошными линиями, характеризует состояния железоуглеродистых сплавов — сталей и белых чугунов с концентрацией углерода от 0 до 6,67%. Концентрация 6,67% С соответствует содержанию углерода в карбиде железа Fe₃C.

Рис. 15.1. Диаграмма состояния железо — углерод:

сплошные линии — метастабильная; штриховые линии — стабильная Система железо — цементит не является полностью стабильной, так как карбид железа Fe₃C при определенных условиях нагрева неустойчив и распадается с образованием свободного углерода — графита. Следовательно, система железо — цементит, в которой возможен необратимый распад цементита, является метастабильной. Превращения, совершающиеся в равновесной (стабильной) системе, всегда полностью обратимы. Если при нагреве цементит диссоциирует на железо и графит, то при охлаждении превращение должно совершаться в обратном направлении, чего в действительности не происходит.

Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрены строение и фазовые превращения в сплавах железо — углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.