Сплавы на основе железа (стали и чугуны) и в настоящее время остаются основными конструкционными материалами. Более 90 % деталей изготовляется из этих материалов. Поэтому изучению сплавов на железной основе отводится ведущее место.
Так как во всех технических сплавах на основе железа имеется углерод, то изучение сплавов начинают с изучения строения и свойств железа и углерода и соединения железа с углеродом, так как углерод находится в большинстве сплавов.
Железо. Для железа характерен смешанный тип связей между атомами, что проявляется в высокой температуре плавления и высоком значении модуля упругости. Сплавы на его основе имеют высокий модуль упругости, обеспечивают высокую жесткость деталей изготовленных из этих сплавов.
Абсолютно чистое железо неизвестно. Технически чистым считается железо (ок. 99,85 % Fe) с содержанием примесей 0,1…0,2 %, в том числе 0,02…0,05 % С (рис. 5.1). Такое железо называется армко-железо и производится для электротехнических целей в большом количестве. Железо кристаллизуется при 1539 °С (рис. 5.2) и имеет полиморфные превращения при двух температурах: 1392 и 911 °С.
При температурах ниже 911 °С существует Feα с решеткой ОЦК В интервале температур 911 и 1392 °С устойчиво Feγ, с решеткой ГЦК Выше 1392 °С до температуры плавления (1535 ± 9) °С железо снова имеет решетку ГЦК и называется Feδ. Ниже 768 °С железо ферромагнитно, выше – парамагнитно (точка Кюри железа).
Железо со многими элементами образует твердые растворы. С водородом, азотом и углеродом железо образует твердые растворы внедрения.
Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в α-железе ничтожно мала (менее 0,02 %) и в сто раз больше (до 2,14 %) в γ-железе.
Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом, а в γ-железе – аустенитом. Кристаллическую структуру аустенита можно себе представить как ГЦК решетку, состоящую из атомов железа, в которую внедрены атомы углерода. Если бы все свободные места (поры) в ГЦК решетке были заняты углеродом, то это состояние характеризовала бы схема, изображенная на рис. 5.3, а. Но так как атом углерода больше размеров поры, то при попадании его в решетку железа последняя искажается, и остальные поры становятся недоступными для других атомов углерода (рис. 5.3, б).
Со многими элементами железо образует металлические соединения, с углеродом и азотом железо образует фазы внедрения, карбиды, нитриды, которые сильно упрочняют сплавы на основе железа.
Углерод. Углерод обладает свойством полиморфного превращения: имеет гексагональный тип решетки (графит) (рис. 5.4, см. рис. 1.2) или решетку с координационным числом 4 (типа алмаза) (см. рис. 1.4).
В виде графита углерод находится в сплавах железа типа чугунов (рис. 5.5). Температура плавления графита ~ 3500 °С, плотность – 2,5 г/см3. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения Fe3С – цементита (карбида железа) – содержит 6,67 % С.
Цементит. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. В вершинах октаэдров находятся атомы железа, каждый из которых одновременно принадлежит двум октаэдрам; атом углерода находится в центре октаэдра.
Характер связи между атомами углерода и железа в цементите точно не установлен. Однако в кристаллах цементита железо и углерод положительно ионизированы, благодаря чему цементит характеризуется некоторыми металлическими свойствами (электропроводностью, металлическим блеском).
Цементит очень твердый (> 800 НВ) и весьма хрупкий. Температура плавления цементита точно не установлена. Атомы железа в цементите могут замещаться атомами некоторых других металлов. В этом случае образуется легированный цементит. Углерод в цементите практически не растворяется.
Цементит – соединение неустойчивое и в определенных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде графита, что имеет большое значение в процессе структурообразования чугуна.