2. Сплавы на основе железа. Компоненты и фазы системы железо - углерод

Основными компонентами от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов , являются железо и углерод.

Железо является важнейшим промышленным металлом и в сплавах с углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором образует группу черных металлов – сталь, чугун, ферросплавы. Широкое развитие производства сталей и чугунов определяется распространенностью в Земле железных руд, их дешевизной и легкой восстанавливаемостью.

Железо (Fe)—блестящий светло-серый металл. Атомный номер 26, плотность 7,87 г/см³, температура плавления 1539 °С, температура кипения 2880°С. Механические свойства железа зависят от его чистоты. Железо имеет две полиморфные модификации  и . Модификация  существует при температуре ниже 911 ⁰С и выше 1392 ⁰ С; -железо - при температуре 911 – 1392⁰С. Эта важная черта железа, вызвавшая его преимущественное практическое применение. В результате полиморфных (аллотропических) превращений железо способно значительно упрочняться. Железо – ферромагнетик..

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Атомный номер 6, плотность 2,6 г/см³, температура плавления 3650 °С, температура кипения 4350°С. Он имеет две кристаллические модификации - графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, он имеет гексагональную решетку; алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную) решетку.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз).

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальная растворимость при 727 °С составляет 0,02 % С. Феррит магнитен, характеризуется низкой прочностью и твердостью и высокой пластичностью.

Аустенит (А)—твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в γ-железе при температуре 1147°С — 2,14%. Аустенит немагнитен.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе₃С), содержит 6,67% С, температура плавления точно не установлена и принимается примерно равной 1260°С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью и очень низкой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условий образования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный - образуется при распаде аустенита и третичный - образуется при выделении углерода из феррита.

Перлит (П) - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % С; образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет его механические свойства.

Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и при содержании 4,3% С. Ледебурит хрупок. Так как при температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже этих температур состоит из цементита и перлита.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений (пластинчатой или шарообразной формы). Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Помимо упомянутых составляющих в железоугле­родистых сплавах могут быть неметаллические включения окислы, нитриды, сульфиды - соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и др., которые с железом могут образовывать различные структурные составляющие.