Железоуглеродистые сплавы: фазовое и структурное состояние

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ: ФАЗОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ

Железоуглеродистые сплавы, стали и чугуны в течение целой эпохи являлись основой развития человеческой цивилизации. И это связано, с одной стороны, с большой распространенностью железа в земной коре, а с другой, с уникальностью свойств сплавов на основе железа.

Такие свойства достигаются при взаимодействии железа с углеродом, а также с многочисленными легирующими элементами, которые существенно изменяют структуру и фазовый состав железоуглеродистых сплавов. Фазовое и структурное состояние этих сплавов описывается диаграммой железо-углерод.

Общие сведения о диаграмме железо – углерод

В системе железо-углерод можно выделить несколько типов сплавов: железо, стали и чугуны. В отличие от чистого, технически чистое железо содержит до 0,025 % углерода, а также в незначительных количествах кремний, марганец и некоторые другие элементы. Стали содержат до 2 % углерода, чугуны – более 2 %.

Чистое железо

Железо – ферромагнитный переходный полиморфный металл, с порядковым номером в таблице Д.И. Менделева 26. Электронная структура: 1S² 2S² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² .

Температура плавления чистого железа 1539 ˚С. Плотность при комнатной температуре 7,684 г/см³ , атомная масса 55,85. Структура железа представляет собой равноосные полиэдры, разделенные тонкими прожилками границ зерен. Чистое железо имеет сравнительно крупные зерна. Техническим железом называют сплавы железа с углеродом, если содержание углерода в них не превышает 0,02% (по массе). Увеличение количества примесей, в том числе углерода измельчает размер зерна и увеличивает толщину границ. В техническом железе возможно выделение прожилок третичного цементита вдоль границ зерен. Железо имеет ряд критических точек (А₄ = 1392 ˚С, А₃ = 911˚С), соответствующих полиморфным превращениям, а также точку полиморфного превращения (точка Кюри – 770 ˚С).

При температурах ниже 911˚С железо имеет решетку объемноцентрированного куба (ОЦК), параметр решетки 2,8605 кХ при 20 ^˚ С. Эта модификация носит название альфа – железо. До 770 ^˚ С альфа–железо ферромагнитно, выше – парамагнитно. Ферромагнетизм исчезает при температуре точки Кюри без какого либо изменения в кристаллической структуре. Точка Кюри не обладает термическим гистерезисом, т.е. при охлаждении железа ниже 770 ^˚ С ферромагнетизм восстанавливается.

Температура 911 ^˚ С является критической точкой (А₃ ), при которой происходит полиморфное превращение a_Fe Ûg_Fe . При нагреве до температуры выше 911 ^˚ С происходит перестройка кристаллической структуры железа из решетки объемно-центрированного куба в решетку с более плотной упаковкой атомов – куб гранецентрированный (ГЦК) – гамма-железа. Превращение a_Fe ®g_Fe сопровождается уменьшением удельного объема примерно на 1%. Параметр ГЦК решетки γ–железа 3,6409 кХ при 950 ^˚ С.

В равновесных условиях при очень медленном нагреве перестройка решетки из альфа в гамма–железо начинается приблизительно на 10 ^˚ С выше, чем при образовании альфа из гамма–железа при очень медленном охлаждении. Поэтому, для того, чтобы различить температуры, при которых начинаются превращения, используют дополнительные индексы c и r соответственно при нагреве и охлаждении. В этом случае обозначение критических точек соответственно А_с3 и А_{r 3} при нагреве и охлаждении. Разница в температурных значениях А_с3 и А_{r 3} называется температурным гистерезисом превращения.

Гамма–железо существует в температурном интервале 911–1392 ^˚ С. Температура 1392 ^˚ С (А₄ ) является критической точкой, при которой происходит перестройка g_Fe Ûd_Fe . Дельта–железо, существующее до температуры плавления имеет решетку аналогичную альфа–железу, решетку объемно–центрированного куба, отличающуюся от альфа–железа параметром решетки (2,93 кХ при 1425 ^˚ С). Гамма и дельта–железо парамагнитны.

Системы железа с углеродом

Взаимодействие железа и углерода, природа фаз, характер фазового равновесия в системе и сама диаграмма железо–углерод определяется электронным строением железа и углерода.

Железо в металлическом состоянии в реальных условиях, описываемых диаграммой железо–углерод, отдает два его внешних валентных электрона с оболочкой 4s² в коллективизированное состояние. Открывающиеся при этом орбитали d⁶ электронной оболочкой перекрываются, образуя решетку объемно–центрированного куба (ОЦК). Такое электронное строение свойственно альфа и дельта–железу.

В интервале температур от 911 до 1392 ^˚ С d⁶ - орбитали не перекрываются, в связи с чем сферическая симметричная электронная конфигурация электронной оболочки обеспечивает образование плотной упаковки гранецентрированного куба, отвечающей решетке гамма–железа.

Электронная конфигурация атомов углерода 1S² 2S² 2p² . Четыре электрона на внешней оболочке могут переходить либо в коллект