Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления – 1539 °С. Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм. Технические сорта железа содержат 99,8 - 99,9 % Fe. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С. Кристаллическая решетка α-железа – объемно центрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,286 нм. Для интервала 1392 - 1539 °С α-железо нередко обозначают как δ-железо с периодом решетки 0,29 нм. Плотность α-железа 7,68 Мг/м3. Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при температуре 911 - 1392 °С. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК) с периодом 0,365 нм. Механические свойства железа технической чистоты: σ_b = 250 МПа, σ_т = 120 МПа, δ = 50%, НВ = 800 МПа.

Углерод – неметаллический элемент II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 Мг/м³, температура плавления 3500 °С, атомный радиус 0,077 нм. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде алмаза и угля.

В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – α-феррит, δ-феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит(Ф) – твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм, а также в дефектах кристаллической решетки. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02% при температуре 727 ^оС и менее 0,01% при комнатной температуре, растворимость в δ - феррите – 0,1 %. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических (многогранных) зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (σ_b = 250 МПа, НВ = 800 МПа).

Аустенит(А) – твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14 % при температуре 1147 ^оС и 0,8 % при 727 ^оС. Атом углерода располагается в центре куба, в котором может разместиться сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена (около 1260 °С). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ – 8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0%).

Графит (Гр) имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в слоях небольшие (0,142 нм), расстояние между плоскостями – 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью.