Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуна) являются наиболее распространенными металлическими материалами, поэтому их изучению уделяют большое внимание.

Компоненты и их свойства

Железо - серебристо-светлый металл, атомный номер 26, атомный вес 55,85.

Технически чистое железо содержит 0,10-0,15% всех примесей. Наиболее чистое железо, полученное в лабораторных условиях, содержало 99,9917 % Fе. Свойства железа зависят от степени его чистоты.

Для технически чистого железа:

- температура плавления Т_пл =1539°С (±5 град)

- плотность 7,85 г/см³

- невысокая твердость НВ≈80 и прочность σ_в≈250 МПа; σ_0,2 ≈120 МПа

- хорошая пластичность δ≈50 %; ψ≈80 %.

В твердом состоянии при нормальном давлении Fe может находиться в 2-х аллотропических состояниях: α-Fe (о.ц.к. решетка) и γ-Fe (г.ц.к. решетка).

Каждая модификация существует в определенном температурном интервале, что определяется уровнем свободной энергии (рис. 1).

Рис.1.

До 911°С меньшей свободной энергией обладает α-Fe, следовательно термодинамически устойчивой является α-фаза (о.ц.к. решетка с периодом при комнатной температуре а = 0,286 нм). Такое железо обозначают Fе_α.

При 911°С происходит превращение о.ц.к. решетки (α-фазы) в г.ц.к. решетку (γ-фазу), так как уровень свободной энергии γ-фазы в температурном интервале 911-1392°С ниже. Железо обозначают Fе_γ.

При 1392°С вновь происходит перестройка г.ц.к. решетки в о.ц.к., так как уровень св.энергии α-фазы снижается и она более устойчива при температурах выше 1392°С вплоть до температуры плавления. Высокотемпературное состояние α-железа обозначают Fе_{δ (дельта}) (или высокотемпературным Fе_α) и от обычного Fе_α оно почти не отличается.

При 768°С - изменение магнитных свойств железа (точка Кюри для железа). До 768 °С Fе_α ферромагнитно, выше этой температуры — парамагнитно. Изменение структуры не происходит. На кривой нагрева железа появляется перегиб.

Если к железу приложить высокое всестороннее давление (выше 135 ГПа), то появляется новая полиморфная модификация с гексагональной плотноупакованной (г. п. у.) решеткой, названная ε-фазой, которая существует в широком интервале температур, но при нормальном давлении ε-модификация чистого железа не существует. Однако, если железо легировать марганцем, рутением или иридием, то при атмосферном давлении в сплавах появляется ε-фаза, которая стабильна в области от абсолютного нуля до 200 °С.

Углерод – второй компонент системы - относится к неметаллам. В природе встречается в виде двух модификаций: в форме алмаза (сложная кубическая решетка, условно Т_пл= 5000⁰С), и в форме графита (простая гексагональная решетка, условно Т_пл= 3500 ⁰ С).

Графит мягкий, с низкой прочностью. При повышении температуры увеличивается временное сопротивление графита: при 20°С σ_в = 20 МПа; при 2500°С σ_в = 40 МПа, что выше прочности всех тугоплавких металлов при данной температуре.

При нагреве примерно до 3650⁰С начинается сублимация графита. Сублимация (возгонка) — превращение в газообразное состояние твердых (кристаллических) веществ, минуя жидкое состояние. Плотность графита 2,25 г/см³.

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Дата добавления: 2014-01-06