IMG 4 095 (2)

UKŁAD ZELAZO-WĘGIEL

5.1. UKŁADY Fe-Fe₃C I Fe-GRAFIT

Układ równowagi faz stopowych żelazo-węgiel ma ogromne znaczenie praktycy ne, ponieważ stanowi podstawę teoretyczną licznych procesów technologicznych którym poddawane są najważniejsze materiały konstrukcyjne - stopy żelaza.

Żelazo jako pierwiastek przejściowy odznacza się wyraźnymi cechami metalicz. nymi. Pomimo dużego rozpowszechnienia nie występuje w przyrodzie w stanie rodzimym z powodu dużej aktywności chemicznej i tworzenia: tlenków, wodorotlen. ków, siarczków, węglanów lub krzemianów. W związkach chemicznych żelazo jest dwu- lub trójwartościowe, natomiast w stanie metalicznym jego wartościowość ni| I została ściśle ustalona.

Żelazo podlega odwracalnym przemianom alotropowym: są to cnancjomorficzne przemiany przemieszczenia - przy zachowaniu niezmienionego typu wiązania zmianie ulega tylko sieć przestrzenna. Szybka przebudowa sieci przestrzennej polega na nieznacznych, skoordynowanych przesunięciach grup atomów. Z tego powodu między odmianami alotropowymi żelaza obserwuje się zależność orientacji krystalograficznej.

W niskich temperaturach trwała jest odmiana Fe a o strukturze RFC (A2), która w temperaturze 9I0°C ulega przemianie w odmianę Fey o strukturze RSC (Al) [płaszczyzna (110) Fea jest równoległa do płaszczyzny (111) Fey]. Przemianie towarzyszy zmniejszenie objętości właściwej o ok. 1%, z powodu powiększenia gęstości atomowej struktury. Odmiana Fey w temperaturze 1390 C podlega przemianie w odmianę Fea o strukturze RPC (A2). Przemianie towarzyszy powiększenie objętości właściwej o ok. 0,5%. W starszych podręcznikach wysokotemperaturowa odmiana Fea oznaczana jest symbolem Fe5. Szczegółowe pomiary stałej sieciowej żelaza w zależności od temperatury wykazały ciągłość zależności dla odmian Fea nisko- i wysokotemperaturowej (rys. 5.la). Nie ma więc podstaw, aby obie modyfikacje traktować jako różne odmiany alotropowe. Wymieniona kolejność odmian alotropowych żelaza wynika z charakteru zależności energii swobodnej Fea i Fey od temperatury (rys. 5.Ib). Żelazo ma jeszcze trzecią odmianę alotropową, Fee, o strukturze HZ (A3), trwałą przy ciśnieniach przekraczających 10,79 GPa

Alolropia żelaza: a) stała sieciowa Fe w zależności od temperatury, b) energia swobodna Fe w zależności od temperatury

Rys. 5.2. Zależność temperatury przemian ulotropowych żelaza od ciśnienia

(1,1 ■ I0⁵ kG/cm²). Zależność temperatury przemian alotropowych żelaza od ciśnie-i£nia przedstawiono na rys. 5.2.

Żelazo w niskich temperaturach jest ferromagnetyczne, a powyżej punktu Curie F’;(768°C) — paramagnetyczne. Właściwości mechaniczne żelaza podano w tabl. 5.1.

. Węgiel w stopach żelaza występuje w trzech postaciach: w stanie wolnym jako . ^grafit, w stanie związanym jako węglik żelaza Fe₃C, wreszcie w postaci roztworu •g.,stałego w żelazie.

'i- Grafit jest odmianą alotropową węgla o strukturze heksagonalnej A9. W sieci grafitu działa silne wiązanie atomowe między atomem węgla a trzema innymi atomami węgla, tworzącymi w płaszczyźnie trójkąt równoboczny. Każda taka ’ - płaszczyzna — warstwa — stanowi jakby cząsteczkę olbrzymią. Sąsiednie warstwy w kierunku prostopadłym są powiązane 10-krotnie słabszymi siłami van der Waalsa. Spośród czterech elektronów wartościowości atomu węgla trzy zużyte są na _ wiązania atomowe w płaszczyźnie warstwy, natomiast czwarty może się w tej . płaszczyźnie swobodnie poruszać.

■. „Warstwowa” struktura grafitu zapewnia jego specyficzne właściwości: małą twardość (tabl. 5.3) przy znacznej ścieralności (przesuwanie się warstw względem