I.I. Компоненты железоуглеродистых сплавов и их взаимодействие
Основные компоненты сталей и чугунов - железо и углерод.
Железо - металл серебристо-белого цвета, атомный радиус - 0,127 нм (1нм=10Å=10-7 см).
В чистом железе, которое можно получить в настоящее время, 99,999% железа, а технически чистое железо армко - содержит 99,8-99,9% железа и производится для электротехнических целей. Температура плавления железа 1539°С (т.А, рис.1). В твердом состоянии оно может быть в двух полиморфных модификациях: a и g.
Рис.1. Диаграмма состояния железо-углерод (Fe-C, Fe3C)
a-железо существует при температурах ниже 911°C (т.G) и выше I392°C (т.N) (рис.2). В интервале температур 1392-1539°С a - железо обозначают как d-железо.
Рис.2 Микроструктура g-Fe (а), a-Fe (б) и феррита с третичным цементитом (в)
Криссталлическая решетке a-железа - объёмноцентрированный куб с периодом 0,28606 нм, плотность его 7,68 г/см3.
Ниже 768°С a-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку М, соответствующую магнитному превращению, называют точкой Кюри и обозначают А2. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.
g-железо существует в интервале температур 911-1392°С - оно парамагнитно. Его кристаллическая решетка - гранецен-трированный куб с периодом 0,3645 нм. Плотность g-железа выше, чем a-железа, и равна 8,0-8,1 г/см3, т.е. превращение agg сопровождается сжатием (примерно на 1,0%). Критическую точку aDg-превращения при 911°С обозначают как Ас3 (при нагреве) и Ar3 (при охлаждении), а при 1392°С - как Ас4 (при нагреве) и Ar4 (при охлаждении).
Железо в твердом состоянии со многими элементами образует растворы: с металлами - замещения, а с углеродом, азотом и водородом - внедрения.
Углерод - неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см8, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Он растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также образует с ним химическое соединение - цементит (карбид железа Fe3C).
Растворимость углерода в железе в твердом состоянии зависит от кристаллического строения железа:
- в a-железе растворимость менее 0,02%;
- в g-железе - в 100 раз больше (до 2,1%), в центре кристаллической решетки которого - пора диаметром 0,102 нм.
Кроме основных компонентов, железоуглеродистые сплавы содержат различное количество примесей, которые делят на постоянные (или обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).
К постоянным примесям относят марганец, кремний и алюминий, вводимые для раскисления (в кипящей стали содержание кремния и алюминия невелико). К этой группе относят серу и фосфор, от которых полностью освободиться при массовом производстве невозможно. Содержание постоянных примесей в стали обычно находится в следующих пределах, %: 0,3-0,7 Mn; 0.17-0,37 Si(в кипящей до 0.03 Si); 0,01-0,02 Al; 0,01-0,05 Р; 0,01-0,04 S.
К числу примесей скрытых относят кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в малых количествах.
Случайными примесями являются мышьяк, свинец и другие элементы, переходящие в расплав из шихтовых материалов -легированного металлического лома (Се, , Ni и др.) или попадающие случайно.
Специальные - легирующие элементы вводят для получения нужных (по условиям эксплуатации деталей) свойств. Легированной считают сталь со специально введенными легирующими элементами для существенного изменения определенных свойств по сравнение с углеродистой. Легированной также является сталь с содержанием кремния более 0,5%, а марганца - более 1%.
Небольшое количество примесей влияет на формирование структуры и свойства железоуглеродистых сплавов, но не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния. Поэтому состав и структура медленно охлажденных сплавов достаточно точно согласуются с диаграммой железо-углерод, построенной для чистых от примесей сплавов, и определяются содержанием углерода.