Глава 1. 3. Основы материаловедения

Строение металлов

Металлы и металлические сплавы - тела кристаллические. Атомы (ионы) в них рас- положены закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы располагаются беспорядочно (хаотично).

 

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (1000¸0,1мкм), различно ориентированных один по отношению к другому кристаллов. Вследствие разных условий кристаллизации металла эти кристаллики име- ют неправильную форму; в отличие от кристаллов правильной формы их называют кри- сталлитами или зернами металла.

 

Железо и его сплавы

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Главные из них - сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси (серу, фосфор, кремний, марганец и др.) Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.

Чистое железо - металл серебристого цвета. Температура плавления железа 1539°С. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe. Технические сорта железа содержат 99,8¸99,9 % Fe. Железо известно в двух полиморфных модификациях α и g. Модификация α-железо (Feα) существует при температурах ниже 910°С и выше 1392 °С (рис.1.2). Для интервала температур 1392¸1539°С α-железо нередко обозначают как b-железо (Feb).

Кристаллическая решетка α-железа – типа ОЦК (объемно-центрированный куб) с пе-

риодом решетки а = 0,28606 нм (рис.1.1). До температуры 768°С железо магнитно (фер- ромагнитно). Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А2 (рис.1.2). g-железо (Feg) существует при температуре 910¸ 1392°С; оно парамагнитно.

Рис.1.2. Кривая охлаждения железа Рис.1.3. Кристаллическая решетка феррита и аустенита

Критическую точку g«α-превращения при 910°С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аr3 (при охлаждении). Критическую точку перехода α«g-железа при 1392°С обозначают Ac4 (при нагреве) и Ar4 (при охлаждении).

Кристаллическая решетка g-железа - типа ГЦК (гранецентрированный куб) с перио- дом решетки а=3,645 нм при температуре 910°С.

Углерод является неметаллическим элементом. Температура плавления углерода 3500°С. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита,

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может находить- ся в виде химического соединения Fe3C - цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы -

феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α-железе. Различают низкотемпературный α- феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный b(α)-феррит с пре-

 

дельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода располагается в решетке фер- рита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа R (рис.1.3), а также в вакансиях, на дислокациях и т. д.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость уг- лерода в g-железе 2,14 %. Атом углерода в решетке g-железа располагается в центре эле- ментарной ячейки (рис.1.3), в поре, которая может быть представлена в виде сферы радиу- сом 0,41R и в дефектных областях кристалла. Различные объемы пор и их числа в ОЦК и ГЦК-решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в g-железе по сравнению с α-железом.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую ре- шетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не опреде- лена в связи с возможностью его распада и принимается равной примерно 1250°С. До температуры 210°С цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относится высокая твердость и очень малая пластичность. Цементит является метаста- бильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода об- разуется графит.

Графит. Кристаллическая решетка графита - гексагональная слоистая. Графит мя- гок, прочность и электропроводность его низкие.