Железо: микроструктура и кристаллическая решетка

Стали на 95 % состоят из железа. Поэтому хорошим началом для их понимания является изучение природы твердого железа. Небольшой кусок железа состоит из миллионов маленьких кристаллов — зерен. Типичный размер зерна от 30 до 50 микрометров. Границы между кристаллами называют границами зерен. Зерна вместе с границами между ними составляют микроструктуру железа.

Микроструктура железа

Возьмем пруток из чистого железа, например, диаметром 25 мм.  Из него вырежем диск в форме большой монеты. Поверхность этого диска отполируем, начиная с самой грубой полировки, и постепенно дойдем до самой тонкой, пока плоскость образца не будет иметь вид зеркала. Затем этот зеркальный диск погружаем приблизительно на 20-30 секунд в смесь с 2-5 % азотной кислоты с метиловым спиртом. Этот процесс называется травлением, после которого зеркальная поверхность нашего образца становится мутного серого цвета. Если на эту поверхность посмотреть в оптическом микроскопе при увеличении 100х, то мы обнаружим картину, показанную справа на рисунке 1 — это и есть микроструктура железа.

mikrostruktura-zhelezaРисунок 1 — Микроструктура железа

Отдельные области микроструктуры , которые пронумерованы от 1 до 5, называются зернами железа, а границы между ними (такая как между зернами 4 и 5 и на которую указывает стрелка) называются границами зерен. Средний размер зерна весьма мал. При увеличении 100х этой фотографии длина 200 мкм показана обоюдоострой стрелкой.

Средний диаметр зерна в этом образце составляет 125 мкм (напомним, что 1 мкм = 1 микрометр = 0,001 мм). Микрометр (его иногда по старинке называют микроном) довольно маленькая величина. Толщина алюминиевой фольги и человеческого волоса равна приблизительно 50 мкм.  Хотя размер зерна нашего образца кажется весьма малым, он намного больше, чем у большинства промышленных железных прутков.

Кристаллическая решетка железа

Основными строительными блоками твердых веществ, таких как соль или лед, являются молекулы. Каждая молекула состоит из двух или более атомов, например, натрий+хлор (NaCl), как у поваренной соли и водород+кислород, как у льда (H2O). В металлах, однако, такими строительными блоками являются отдельные атомы металла: атомы железа (Fe) в железном прутке или меди (Cu) в медной проволоке. Каждое зерно на рисунке 1 есть то, что называется кристаллом. В кристалле, который состоит из атомов, все атомы однородно расположены по слоям. Как показано на рисунке 2, если провести линии, которые соединяют центры атомов, то трехмерные ряды маленьких кубиков заполнят все пространство, занимаемое отдельным зерном. Эту трехмерную структуру и называют кристаллической решеткой атомов.  

кристалл структура

kristallicheskaya-struktura-zhelezaРисунок 2 — Кристаллическая решетка железа

Кристаллическая решетка феррита

В железе при комнатной температуре эти кубики имеют атомы в каждой из восьми углов и один атом прямо в центре куба. Эту кристаллическую решетку называют объемноцентрированной, а геометрическое расположение атомов называют объемноцентрированной решеткой. Железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой называют ферритом.  Другое название для феррита – альфа-железо или α-железо.

Микроструктура железа: как образуются границы зерен

Природа границы зерен показана в нижней части рисунка 2. Эта граница является поверхностью, вообще неплоской, вдоль которой пересекаются два зерна с различной ориентацией. Плоскость А зерна 4 находится под значительно более крутым углом, чем плоскость А зерна 3. Если повернуть зерно 4 по часовой стрелке до совпадения с плоскостью А зерна 3, то граница зерна исчезнет и два зерна станут одним большим зерном.

Почему микроструктура так хорошо видна по микроскопом?

Для выявления микроструктуры железо (или сталь) травится в кислоте, его атомы химически удаляются с поверхности. Скорость удаления атомов железа при травлении образца зависит от ориентации кристалла, с которой он воздействует с кислотой. Поскольку каждое зерно представляет различную ориентацию, каждое зерно стравливается с различной скоростью. Например, плоскости, которые образуют грани объемноцентрированных кубов, травятся намного медленнее, чем другие кристаллические плоскости. Поэтому после некоторого периода травления по границам зерен образуются малые ступеньки, как это показано на рисунке 3. Например, по границе быстро травящегося зерна можно видеть ступеньку к окружающим его зернам. Эта ступенька обычно хорошо рассеивает свет и границы выглядят как темные линии.  Так микроструктура становится видимой при наблюдении в микроскоп. 

vyyavlenie-mikrostruktury-zhelezaРисунок 3 — Выявление микроструктуры железа          

Источник: John D. Verhoeven