Металлы и человек - Михаил Васильев

Нагревание напоминает подъем на лестницу, перемежающуюся широкими горизонтальными площадками. Так же, переходами с площадки на площадку, происходит и остывание металла. Что это за площадки?

Ответить на этот вопрос было нелегко. И первым ответил на него человек, который без всяких термометров и электрических счетчиков невооруженным глазом наблюдал остывание стальных болванок в цехе завода. Это великий русский металлург Дмитрий Константинович Чернов. Он заметил эти площадки.

Сегодня ученые глубоко разобрались в этом вопросе. И вот что они рассказывают.

Первая остановка связана с потерей магнитных свойств железа. До 768 градусов оно магнитно, выше — нет. Наоборот, при охлаждении ниже этой температуры железо становится магнитным. При 910 градусах происходит перестройка всей кристаллической решетки железа. Если до этой температуры атомы железа в кристаллах образовывали кубики и занимали свои места в углах этих кубиков и в центрах их — такая кристаллическая решетка называется объемоцентрированной, — то теперь они образуют кубики, атомы в которых находятся в вершинах кубов и в центрах их граней, — так называемую гранецентрированную кристаллическую решетку. Вот на эту перестройку и затрачивается тепло, когда его подводят к металлу, а температура остается постоянной.

В гранецентрированном кубе содержится на пять атомов металла больше, чем в объемоцентрированном, «упаковка» их здесь плотнее. Поэтому железо меняет при переходе через эту температуру свой объем. Изменяются и некоторые другие его свойства.

При температуре 1401 градус снова происходит изменение кристаллической решетки железа. Выше этой температуры она опять становится объемоцентрированной кристаллической решеткой. И такой остается до температуры плавления.

Железо легко образует сплавы почти со всеми металлами, кроме щелочных и щелочноземельных, и отказывается в большинстве случаев сплавляться с серебром, ртутью, галлием, свинцом и висмутом.

Но самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Вот он-то и образует стали.

Вот для чего нужна «остановка».

Путеводитель по чугунам и сталям

Как это ни странно на первый взгляд, по-настоящему изучены только те сплавы железа с углеродом, в состав которых входит не больше 6,67 процента углерода. Но вот эти-то сплавы, содержащие от долей процента углерода до шести с лишним его процентов, и составляют все многообразие углеродистых сталей и чугунов, которыми располагает современная техника. Малейшее изменение содержания углерода, мало того — изменение условий, при которых образовался тот или иной сплав, например, быстро он охлаждался или нет, уже изменяют его свойства.

Путем проведения тысяч опытов ученые построили так называемую диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Выяснилось, что для того, чтобы предвидеть, какими свойствами будет обладать тот или иной сплав, надо знать всю историю его образования — с момента начала застывания и до охлаждения до комнатной температуры, а то и ниже. Вот это и изображает знаменитая диаграмма. Значение ее для черной металлургии не менее, пожалуй, велико, чем значение таблицы Менделеева для химии. Познакомимся же с диаграммой состояния.

Судьбы бесчисленного семейства чугунов и сталей читает металлург по этим линиям.

На нижней линии — ее называют абсциссой — нанесено процентное содержание углерода в железе. Крайняя левая точка соответствует стопроцентному содержанию железа, крайняя правая — 6,67 процента углерода. Это именно то содержание углерода, которое соответствует химическому его соединению с железом. Это соединение химики называют карбидом железа, а металлурги — цементитом. Цементит в чистом виде является чрезвычайно твердым и хрупким веществом. Он легко царапает стекло и имеет нулевую пластичность.

Часть диаграммы состояния сплава железа с углеродом, следующую за 6,67 процента последнего, можно рассматривать как диаграмму состояния сплава цементита с углеродом. Ее исследованиями занимались многие ученые как у нас, так и за границей. Но практического значения эти сплавы не имеют, и мы не будем интересоваться сегодня ими.

На вертикальной линии диаграммы состояния сплавов железа-цементита— так называемой ординате — отмечают температуру. Поле между этими линиями занимают различные состояния сплава.

Верхняя линия диаграммы — линия ликвидуса. Выше ее существует только жидкий раствор углерода в металле. На этой линии при снижении температуры начинается застывание расплава.

Линия ликвидуса по мере увеличения углерода в металле сначала снижается, но потом резко начинает расти. Это означает, что температура начала застывания различна у сплавов, содержащих разные количества углерода. Минимальную температуру имеют сплавы, содержащие 4,3 процента углерода. Это самая низкая точка плавления сплава. Она соответствует самому легкоплавкому сплаву — эвтектике. Этот сплав железа с углеродом плавится при температуре 1130 градусов.

Следующая за линией ликвидуса вниз по диаграмме — линия солидуса. Она начинается в той же точке, что и линия ликвидуса, — мы знаем, что чистые металлы имеют определенную точку плавления, — затем резко снижается и вдруг из кривой линии превращается в прямую.

Это превращение происходит при двух процентах содержания углерода и температуре эвтектики 1130 градусов. Отметим здесь же, что два процента углерода — это максимальное его количество, которое может находиться в железе в виде твердого раствора.

Вся область между линиями ликвидуса и солидуса, — их названия происходят от греческих корней, — это область, в которой сплав находится частично в твердом, частично в жидком виде. В области диаграммы до эвтектики из расплава начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в железе. В заэфтектоидной области из расплава выделяются кристаллы цементита. На линии солидуса происходит окончательное затвердение расплава. Ниже ее сплав бывает только в твердом состоянии. Но изменения его далеко еще не завершены.

Найдите точку, соответствующую на диаграмме состоянию чистого железа, нагретого до температуры 910 градусов. У чистого железа эта линия соответствует одной из «площадок» — той самой, на которой происходит при нагревании перекристаллизация из объемоцентрированной кристаллической решетки в гранецентрированную, а при остывании — наоборот. Из этой точки также выходит какая-то линия, круто спускается до температуры 723 градуса при содержании углерода 0,8 процента и также круто поднимается к уже известной нам точке— 1330 градусов и 2 процента углерода.

На этой линии в сплаве начинается перекристаллизация. Выше этой линии кристаллическая решетка железа гранецентрированная.

Через самую нижнюю точку этой кривой проведена горизонтальная линия. На ней кончается перекристаллизация сплава.

На диаграмме состояний сплавов железо — углерод есть и еще целый ряд линий, главным образом в той области, которая относится к сплавам с малым количеством углерода. Мы не будем рассказывать подробно об этих линиях, которые также свидетельствуют о тех или иных превращениях в сплавах.

Для того чтобы разобраться, что же все-таки может сообщить нам наша диаграмма, рассмотрим застывание сплава, содержащего, например, около одного процента углерода.

При температуре около 1470 градусов, скажете вы, глядя на диаграмму, из расплава начнут выделяться частицы твердого сплава железа с углеродом, имеющие кристаллическую гранецентрированную решетку. Такая структура железа и углерода называется аустенитом.

Аустенит мягок, пластичен, это хорошо знают кузнецы, которые нагревают металл до высокой температуры, прежде чем начать его ковать.

При температуре чуть ниже 1250 градусов весь металл затвердеет. Крупные кристаллы аустенита заполнят весь объем расплава. Углерод, содержащийся в сплаве, в это время весь растворен в нем. Он вклинивается в самую середину гранецентрированной кристаллической решетки. А так как свободное имеющееся там место мало для него, он несколько деформирует, раздвигает всю ее структуру.

Аустенит сохранит свою структуру до пересечения со следующей линией. Это пересечение произойдет при температуре чуть выше 800 градусов.

В нашем аустените содержится, как мы условились, один процент углерода. Он отлично растворился в металле при застывании; весь аустенит при высоких температурах может растворить до двух процентов углерода. Но теперь, когда мы охладили металл до температуры в 800 градусов, столько углерода раствориться в аустените не может. Углерод начинают выбрасывать из кристаллических решеток. Но он уходит не один, а только прихватив с собой на каждый атом по три атома железа в виде химического соединения — карбида железа или цементита.