Свойства

Высказанная Уманским гипотеза о металлическом состоянии углерода и азота, растворенных в металлах переходных групп, подтверждается рядом физических свойств. Несмотря на значительный процент металлоидов, входящих в состав фаз внедрения, они имеют свойства, характерные для металлов: обладают металлическим блеском, хорошо проводят электрический ток, а в некоторых случаях их электропроводность превышает таковую для чистых металлов, на базе которых они образовались (нитриды титана и циркония). Как и у всех металлов, с понижением температуры электросопротивление фаз внедрения понижается. Падение сопротивления при понижении температуры у фаз внедрения меньше, чем у чистых металлов (закономерность, присущая твердым растворам). При температурах вблизи абсолютного нуля почти все фазы внедрения обладают сверхпроводимостью. Карбид вольфрама при высоких температурах испускает с поверхности электроны, что также характерно только для металлов. Карбиды, относящиеся к фазам внедрения, обладают очень высокой температурой плавления (в ряде случаев температуры плавления карбидов лежат выше температур плавления исходных металлов). Фазы внедрения обладают также очень высокой твердостью, близкой к твердости алмаза (по минералогической шкале). (Взгляды различных исследователей на причину высокой твердости карбидов и нитридов, образованных по типу фаз внедрения, расходятся. Одни исследователи считают, что столь высокие значения твердости связаны с природой фаз внедрения, как химических соединений, полагая, что атомы металлоидов связаны с атомами металлов чрезвычайно большими силами химического взаимодействия. Уманский склонен видеть причину высокой твердости фаз внедрения в образовании твердых растворов металлоидов в металлах, испытавших полиморфные превращения в процессе возникновения фаз. Основываясь на явлении роста твердости в процессе «дисперсионного твердения» в целом ряде сплавов, в особенности на железной основе, он полагает, что основной причиной высокой твердости фаз внедрения является заклинивание плоскостей скольжения металла атомами металлоида. Малые по величине и специфические по структуре атомы металлоида располагаются в гранецентрированной решетке металла в фазах внедрения (NbC, TiC, TaC, VC) параллельно плоскостям скольжения (111), а в гексагональной решетке параллельно плоскостям скольжения (001) и являются препятствиями скольжению. При таком полном заклинивании всех плоскостей скольжения, как отмечает Уманский, эффект твердения может даже превышать эффект дисперсионного твердения.)

Таким образом, на основе всех приведенных данных о фазах внедрения можно считать:

1. Фазы внедрения обладают свойствами, характерными для металлов.

2. Имеется достаточно оснований для гипотезы о том, что фазы внедрения представляют собой твердые растворы азота, углерода и водорода в металлах, испытавших полиморфные превращения.

3. При принятии фаз внедрения за твердые растворы отпадает необходимость искать специальные объяснения факту переменного их состава.

Диаграмма железо-цементит

В системе Fe – С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор (внедрения) углерода в α-железе. Различают низкотемпературный α -феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. (Диаметр атома углерода в свободном состоянии равен 0,154 нм. В о.ц.к. решетке имеются 12 свободных мест в середине ребер. Диаметр свободного места 0,062 нм, что недостаточно для помещения в него атома углерода. Растворимость углерода в α-железе обусловлена наличием дефектов в реальной решетке, особенно по границам зерен.) Феррит (при 0,006% С) имеет следующие механические свойства: σ_в = 25кгс/мм²; σ_0,2 = 12 кгс/мм²; δ = 50%; HB 80-90.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14%. Атом углерода в решетке γ –железа располагается в центре элементарной ячейки (диаметр поры 0,102 нм). Твердость НВ 160 – 200;   30–40 %.

Цементит. Это химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью ее распада и принимается примерно равной 1550 С°. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НV800 – 850) и очень малая пластичность. Цементит является метастабилыюй фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 1,42 Å, расстояние между плоскостями 3,40 Å. Графит мягок и обладает низкой прочностью (НВ 3).

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Перлит прочен и упруг, образуется в результате распада аустенита, содержащего 0,8 % углерода. Этот распад происходит при 727 °С. В зависимости от формы цементитных включений перлит бывает двух видов: пластинчатый и зернистый. В пластинчатом перлите цементит имеет форму пластинок, в зернистом – зерен (глобул) (НВ 250,  = 20 %).

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита при температуре более 727 °С или перлита и цементита – при меньшей температуре. В ледебурите 4,3 % углерода, он очень тверд и хрупок (НВ 620,   50 %). Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовой и пластинчатое строение нередко сочетается в пределах одной эвтектической колонии.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью; сплавы, содержащие более 2,14%'С, — чугуном.

Сталь, соответствующая точке S (содержит 0,8 % C), называется эвтектоидной. Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, называются доэвтектоидными, а более 0,8 % – заэвтектоидными. Чугун, соответствующий точке С (содержит 4,3 % С), называется эвтектическим; чугуны, лежащие на диаграмме левее точки С, – доэвтектическими, правее – заэвтектическими.