Общая химия

Значительно выросла за последние годы и рудная база металлургии — осваивались новые железорудные месторождения в Казахстане, Сибири и в районе Курской магнитной аномалии. Добыча железной руды в 1985 г. достигла 248 млн. т.

238. Физические свойства железа. Диаграмма состояния системы железо — углерод.

В 30-х годах XIX века русский инженер П. П. Аносов впервые применил микроскоп для изучения структуры стали и ее изменения после ковки и термической обработки. В 30-х годах XIX века подобные исследования стали проводиться и за границей.

В 1868 г. Д. К. Чернов впервые указал на существование определенных температур («критических точек» ), зависящих от содержания углерода в стали и характеризующих превращения одной микроструктуры стали в другую. Этим было положено начало изучению диаграммы состояния Fe-C, а 1868 г. стал годом возникновения металловедения — науки о строении и свойствах металлов и сплавов. Французский исследователь Ф. Осмонд стал пользоваться только что изобретенным Ле Шателье пирометром и уточнил значения «критических точек». Он описал характер микроструктурных изменений, наблюдаемых при переходе через эти точки, и дал названия важнейшим структурам железоуглеродистых сплавов; эти названия употребляются до сих пор. С тех пор учеными различных стран было выполнено огромное количество работ, посвященных изучению сплавов железа с углеродом и диаграммы состояния системы Fe-C. Такого рода работы проводятся и в настоящее время. В них уточняются положения линий на диаграмме состояния в связи с применением более чистых веществ и более точных и современных методов.

Температура плавления железа равна 1539∓5°C. Железо об разует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая — кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912°C и от 1394°C до температуры плавления. Между 912 и 1394°C устойчиво γ-железо. Температурные интервалы устойчивости α и γ железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры (см. рис. 166).

- 653 -

Рис. 166. Температурная зависимость энергии Гиббса α железа (G_α) и γ -железа (G_γ).

Рис. 167. Кривая охлаждения железа.

При температурах ниже 912 и выше 1394°C энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912-1394°C больше.

Температуры фазовых превращений железа хорошо видны на кривой охлаждения в виде остановок — горизонтальных площадок (см. рис. 167). Как видно, кроме площадок, отвечающих перечисленным точкам, на кривой охлаждения имеется еще одна остановка — при 768°C. Эта температура связана не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств α-железа. При температурах выше 768°C железо немагнитно, а ниже 768°C — магнитно. Немагнитное α-железо иногда называют β-железом, а модификацию α-железа, устойчивую при температурах от 1392°C до плавления, — δ-железом.

Железо — серебристый пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты — от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.

Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в железе и углерод. Его растворимость сильно зависит от кристаллической модификации железа и от температуры. В α-железе углерод растворяется очень незначительно, в γ-железе — гораздо лучше. Раствор в γ-железе термодинамически устойчив в более широком интервале температур, чем чистое γ-железо. Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом, твердый раствор углерода в γ-железе - аустенитом.

Содержанию в железе 6,67% (масс.) углерода отвечает химическое соединение — карбид железа, или цементит, Fe₃C.

- 654 -

Рис. 168. Диаграмма состояния системы железо — углерод.

Это вещество имеет сложную кристаллическую структуру и характеризуется высокой твердостью (близка к твердости алмаза) и хрупкостью. При температуре около 1600°C цементит плавится.

Механические свойства феррита и аустенита зависят от содержания в них углерода. Однако при всех концентрациях углерода феррит и аустенит менее тверды и более пластичны, чем цементит.

Диаграмма состояния системы железо — углерод, дающая представление о строении железоуглеродных сплавов, имеет очень большое значение. С ее помощью можно объяснить зависимость свойств сталей и чугунов от содержания в них углерода и от термической обработки. Она служит основой при выборе железоуглеродных сплавов, обладающих теми или иными заданными свойствами. На рис. 168 приведена часть диаграммы состояния системы Fe-C, отвечающая содержанию углерода от 0 до 6.67%, или, что то же самое, от чистого железа до карбида Fe₃C. Это самая важная часть диаграммы, поскольку практическое применение имеют сплавы железа, содержащие не более 5% углерода.