Ярким примером аллотропии является железо, образующее в зависимости от температуры четыре основных аллотропических видоизменения, которые называют: α-Fе, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe.
Аллотропические формы α-Fe - альфа железо, β-Fe - бета железо и δ-Fe - сигма железо имеют кристаллическую решетку в форме центрированного куба ( рис. 1, а).
Аллотропическая форма γ-Fe - гамма железо имеет кристаллическую решетку в форме куба с центрированными гранями (рис. 1, б).
Переход железа из одной формы в другую - при охлаждении происходит с выделением тепла, а при нагревании — с поглощением тепла. Это отмечается на графиках охлаждения или нагревания железа На рис. 2 дан схематический график охлаждения чистого железа.
Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.
Ha этой кривой при переходах одной аллотропической формы в другую наблюдаются площадки постоянных температур, а именно:
при t=1535°— затвердевание железа с образованием δ-Fe;
фото кристаллических решеток железа
при t= 1390°—переход δ-Fe - γ-Fe;
при t=898° —переход γ-Fe - β-Fe;
при t=775° —переход β-Fe - α-Fe.
При нагревании железа превращения совершаются в обраном порядке, причем переход β -Fe - > γ-Fe происходит при t= 910°
В γ-Fe атомы расположены более тесно, чем в β-Fe, поэьтому переход γ-Fe в β-Fe сопровождается увеличением объема, и наоборот, переход β-Fe в γ-Fe сопровождается уменьшена объема.
Фора γ-Fe не магнитна.
Форма α-Fe магнитна. Форма β-Fe не магнитна, но имеет такую же кристаллическую решетку, как магнитная форма α-Fe - поэтому в металлографическом отношении форма β-Fe отождествляется с формой α-Fe и обе формы условно объединяю под одним названием α-Fe.
Главную роль в технологических процессах горячей механической и термической обработки железоуглеродистых сплавов играют: α -Fe и γ-Fe.
Рис. 2 Кривая охлаждения железа
Важное значение для термообработки имеет свойство γ -Fe давать с углеродом твердые растворы. Наибольшая растворимость углерода в γ-Fe (до 1,7%) наблюдается при t=1130°. При повышении и понижении температуры от t= 1130° растворимость углерода в γ-Fe понижается.
Твердый раствор углерода и других элементов в γ-Fe называется аустенитом.
α-Fe не образует с углеродом устойчивых твердых растворов, подобно аустениту. Растворимость углерода в α -Fe ничтожна. Твердые растворы небольших количеств С и прочих элементов в α-Fe называют ферритом.
Кроме твердых растворов углерода в железе, в железоуглеродистых сплавах встречается химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C, который называется цементитом. Цементит содержит С — 6,67 %.
Аустенит и феррит отличаются пластичностью, феррит, кроме того, — мягкостью. Цементит чрезвычайно тверд и хрупок.
Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом: по достижении температур GS по границам Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом : по достижении температур GS по границам аустенитовых кристаллов выделяются первые порции α - Fe, т. е. феррита, количество которого постепенно увеличивается.
Так как феррит почти не растворяет углерода, то при переходе γ-Fe -> α-Fe концентрация углерода в остаточном аустените постепенно увеличивается и может быть определена по линии G S в зависимости от температуры. Процесс выделения феррита протекает так до тех пор, пока концентрация углерода не будет соответствовать точке 5, т. е. до С=0,83%, а температура не достигнет t=723°.
В точке S кривая GS пересекается с ES — кривой предельной растворимости углерода в аустените. Поэтому дальнейшее насыщение остаточного аустенита углеродом становится уже невозможным, и последующее охлаждение вызывает окончательный распад аустенита, который совершается при постоянной температуре t=723°.
При этом распаде завершается переход γ- Fe->α-Fe, а выделившийся из кристаллической решетки железа углерод образует частицы цементита F3C. Распад аустенита происходит в стесненном объеме в пределах каждого зерна, поэтому продукты распада (феррит и цементит) образуются в виде тесно перемешанных частиц, обычно в виде чередующихся пластинок феррита и цементита.
Схема изменений структуры сталей при переходе через критические точки
Этот продукт распада аустенита называется перлитом; так как перлит имеет строение, подобное эвтектике, то он называется эвтектоидом. Разница между эвтектикой и эвтектоидом заключается в том, что эвтектика образуется из жидкого раствора, а эвтектоид — из твердого.
Образование перлита начинается и заканчивается при постоянной t=723°. Так ппявляется феррито-перлитовая структура сталей, которая при дальнейшем охлаждении от t=723° не претерпевает больше никаких структурных изменений. На рисунке представлены микроструктуры чистого железа и стали при С =0,15% и при С=0,6% (увеличение 100) после травления по-шрованной поверхности микрошлифа 4% раствором HNO3 в этиловом спирте.
Рис. 1. — феррит в чистом железе. Рис. 2 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,15%
На рис. 1, где показана микроструктура чистого железа, четко выявились границы между светлыми зернами феррита. На рис. 2 представлена микроструктура строительной стали (С=0,15%); светлые поля — это феррит, темные участки — перлит.
На рис. 3 приведена микроструктура машиностроительной стали (С=0,6%), из которой изготовляют оси, валы, шатуны и т. п.; большая часть шлифа занята перлитом, а феррит наблюдается только в виде тонкой сетки.
Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита, состав перлита одинаков (С=0,83%). Строение перлита обычно пластинчатое (рис. 4).
Рис. 3 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,6%. Рис. 4 Эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит).
Феррит, как было указано выше, представляет собой наиболее мягкую пластичную составляющую железоуглеродистых сплавов; цементит, входящий в состав перлита, наиболее твердую и хрупкую, поэтому с увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость стали, но пластичность и вязкость уменьшаются
Чтобы строительная сталь была достаточно пластичной, количество перлита в ней не должно превосходить 25%, что соответствует содержанию углерода до 0,2%.
В. тех деталях, от которых требуется большая прочность и твердость, но допустимы меньшая пластичность и вязкость (детали машин), применяются стали с большим количеством перлита, с содержанием С до 0,6%. В строительном деле такие стали применяются, например, для изготовления лопат, опорных частей мостовых ферм.
В сплавах, содержащих больше 0,83% углерода, структурные изменения при переходе через линии АС и А1Е протекают так же. Поэтому ниже линии А1Е структура затвердевшего сплава представляет собой аустенит. При дальнейшем охлаждении структурные изменения наступают тогда, когда достигнута SE —линия предельной растворимости углерода в аустените.
Так как при снижении температуры ниже линии SE растворимость углерода в аустените снижается, то из аустенита выделяется вторичный цементит, который выпадает обычном в виде сетки, окружающей аустенитовые зерна. Благодаря этому содержание углерода в аустените уменьшается и при t=723° доходит до С=0,83%, что соответствует эвтектоидному составу. Дальнейшее охлаждение вызывает распад аустенита, который постоянной температуре t=723° переходит в перлит. Таким образом возникает цементно-перлитовая структура, которая при дальнейшем охлаждении уже не претерпевает изменений.
На рис. 1 цементит заметен в виде тонкой светлой сети окаймляющей темные зерна перлита, а на рис. 2 в виде темпе сетки. Стали с цементито-перлитовой структурой вследствие слишком малых пластичности и вязкости неприменимы для изготовления строительных конструкций и деталей машин. Из них делают инструменты, которым термической обработкой придают необходимую высокую твердость.
Рис.1 Заэвтектоидная сталь (после травления 4% раствором HNO3 в этиловом спирте. Рис.2 Заэвтектоидная сталь ( после травления пикратом натрия)
Несколько иначе протекают структурные изменения в сплавах при содержании С>1,7%. Например, из жидкого сплава с содержанием С в пределах 1,7—4,3%, превышающим предельную растворимость углерода в аустените (С=1,7%), по достижении температур линии АС начинают выделяться дендриты аустенита.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура линии ЕС. Концентрация углерода в выпадающих дендритах аустенита постепенно изменяется по линии А1Е. Концентрация углерода в жидком растворе увеличивается по линии АС и при t=1130° достигает С=4,3%, т. е. эвтектической концентрации. Дальнейшее охлаждение вызывает полный переход жидкого раствора, достигшего эвтектической концентрации, в твердое состояние.
Этот переход происходит при постоянной температуре t= 1130°; в результате образуется эвтектика, представляюшая собой смесь частиц аустенита и цементита—ледебурит. Таким образом, рассматриваемый сплав непосредственно после затвердевания будет состоять из аустенита и ледебурита. Дальнейшее охлаждение ниже t=1130° вызывает (вследствие уменьшения растворимости углерода по линии ES) выделение вторичного цементита из дендритов аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита.
Рис. 3 Белый чугун (микроструктура - перли + цеменит + ледебурит)
Выделение вторичного цементита наблюдается при падении температуры в интервале 1130—723°, причем при снижении температуры до t=723° концентрация углерода в остаточном аустените снижается до эвтектоидной концентрации, т. е. до С=0,83%. Дальнейшее охлаждение вызывает окончательный распад остаточного аустенита.
Этот распад происходит при постоянной температуре t=723°, причем весь аустенит (и выпавший в виде дендритов и входящий в состав ледебурита) переходит в перлит. Таким образом, ниже t=723° в структуре рассматриваемого сплава (рис. 3) содержится перлит, вторичный цеменит и видоизмененный ледебурит, состоящий из цеменита (основная масса) и перлита (округлые вкрапления).
Обычно и первоначальный ледебурит и видоизмененный объединяют общим названием ледебурит. Дальнейшее охлаждение не вызывает изменений в структуре сплава.
