Сплавы железа

Термин «железоуглеродистые сплавы» применяют для обозначения большой группы металлических сплавов, основой которых является железо — сталей. Несмотря на разработку в последние десятилетие новых выдающихся материалов, сплавы железа до сих пор являются наиболее важными и широко применяемыми металлическими материалами, которые применяют в промышленной практике. Их количество во всем мире, раз в десять превышают количество всех других металлических материалов вместе взятых.

Железоуглеродистые сплавы – стали

Популярность сталей можно объяснить несколькими факторами:
1) Руды, из которых производится железо, относятся к наиболее доступным минералам, которые находят в земной коре. Около 4,2 % земной коры составляют различные железные руды. Из этих руд железо можно извлекать относительно простыми и дешевыми методами по сравнению с другими металлами.
2) Точка плавления чистого железа составляет 1536 °С. Ниже этой температуры железо существует в виде различных модификаций – альфа-железа, гамма-железа и дельта-железа – в различных температурных интервалах. Поэтому существует много различных термических процессов – и при не слишком высоких температурах – которые дают возможность выгодно модифицировать свойства сплавов железа в очень широком диапазоне.
3) Ниже температуры 769 °С – точки Кюри – железо становится ферромагнитным, что делает возможным применение стали во многочисленных электротехнических приложениях.

Легирующие элементы как примеси

Сплавы железа, кроме самого железа – основного или базового металла – всегда содержат углерод, который является для них основным легирующим элементом. Стали обычно также содержат в небольших количествах и другие элементы. В ходе процесса производства чугуна и стали все стали неизбежно получают некоторое содержание марганца, кремния, серы и фосфора. Эти элементы входят металл, как примеси из исходного сырья или продуктов сгорания. В некоторых случаях эти элементы добавляют к исходному сырью намеренно для получения специальных свойств сплава.

Поэтому можно сделать вывод, что сплавы железа являются многокомпонентными металлическими сплавами. Однако, пока количества перечисленных элементов не превысят неизбежные уровни содержания, связанные с производством чугуна и стали (0,05-0,4 % кремния – 0,15-0,7 % магния – 0,035 % серы и фосфора), они не оказывают существенного влияния на равновесную фазовую диаграмму двухкомпонентного сплава системы железо-углерод. Поэтому для обыкновенных, нелегированных сплавов железа считают справедливой двухкомпонентную, то есть бинарную, равновесную фазовую диаграмму железо-углерод.

Модификации железа — рычаг термической обработки

Температура плавления чистого железа составляет 1536 °С. В твердом состоянии чистое железо обладает тремя аллотропическим модификациями, а именно:
— дельта-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 1392 до 1536 °С;
— гамма-железо – гранецентрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 911 до 1392 °С;
— альфа-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура при температуре до 911 °С.

Среди всех аллотропических превращений самую важную роль играет превращения альфа → гамма и гамма → альфа. Именно эти превращения дают теоретическую базу для большинства процессов термической обработки.

Железо образует твердые растворы со многими неметаллическими элементами. Оно образует растворы замещения с хромом, никелем, кобальтом и ванадием, тогда как с углеродом образует очень важный раствор внедрения.

Углерод и железо

Растворимость углерода в альфа-железе – феррите – очень незначительная – при комнатной температуре только 0,006 %. В гамма-железе – аустените – растворимость железа на несколько порядков выше – 2,06 % при температуре 1147 °С.

Железо образует с углеродом не только твердые растворы, но металлические соединения. Заместительным соединением железа и углерода является карбид железа – цементит – Fe3C. Основным свойством карбида железа является его высокая твердость (твердость по Викерсу около 900) и высокая хрупкость. Карбид железа практически не поддается никакой деформации. Температура плавления карбида железа – 1250 °С. Карбид железа не может считаться равновесной фазой. При определенных условиях он распадается на свои компоненты – железо и углерод. Этот углерод – графит – является уже равновесной фазой.