Популярная химия

Углерод в железе при различных условиях вызывает разные структурные состояния, определяемые количеством углерода и температурой среды.

Внедренный в железо углерод в различных соотношениях и при различной концентрации с условиями внедрения определяет массу различных свойств соединения. Это свойство нашло обширное практическое применение на производствах и в металлургической промышленности.

Различные состояния соединения железо-углерод имеют разные названия: стабильная твердая фаза - графит, затем по убыванию степени твердости цементит, аустенит, феррит и жидкая фаза.

Диаграмма железо-углерод

Начало изучению диаграммы железо-углерод положено в 1868 году инженером Обуховского металлургического завода Дмитрием Константиновичем Черновым. Ученый заметил, что у стали имеются критические точки, в которых степень сродства с углеродом резко меняется при проявляемой стабильности в другом температурном диапазоне. При этом критическая точка была вариабельна в зависимости от концентрации углерода, что обуславливало физические свойства конечного продукта.

В настоящее время  диаграмма имеет диапазон температур до 1536 градусов по Цельсию. При более высокой температуре железо имеет жидкое агрегатное состояние и свободно растворяет любые количества углерода, образуя гомогенную массу. Соединения с углеродом находят практическое применение при пропорциях от 0,006% до 6,67% содержания углерода (цементит). Соединения при более высоких концентрациях нестабильны и не нашли практического применения, по этой причине шкала диаграммы ограничены концентрацией 6,67.

.

5 фаз диаграммы железо-углерод

Жидкая фаза - в этом состоянии железо растворяет углерод в любых соотношениях.

Феррит - образуется при температуре до 727 градусов. Концентрация углерода по мере увеличения температуры может возрастать от 0,006% до 0,02%. Его свойства близки к железу - мягкий, пластичный, магнитен при малом количестве углерода.

Аустенит - твердый раствор углерода в железе с кубической решеткой, где атомы углерода занимают центральное положение в решетке. Соединение обладает большей твердостью, нежели феррит. Проявляет парамагнитные свойства - то есть может быть намагниченным от внешнего магнитного поля. На практике его  используют в составе сталей для придания сплаву устойчивости как к литью, так и закалке. Открытие аустенита позволило в разы ускорить процесс литья стали и ее закалки за счет повышения температурных режимов производства.

Цементит - очень твердое, но хрупкое соединение, магнитных свойств не имеет. Является результатом добавления углерода до 6,67% при темпере до 1536 градусов. Излишек углерода свыше 6,67% выделится в виде графита. Соединения считается условно стабильным, так как при длительном нагревании начинает выделять графит и уровень углерода снижается. В зависимости от условий получения, цементит может иметь различную форму - пластин, равноосные зерна, сетка и т.д. Цементин входит в различных концентрациях в состав железоуглеродистых сплавов. В промышленности цементит является основным сырьем для изготовления бетона и железобетона, которые являются самыми распространенными строительными материалами на сегодняшний день. Его уникальность заключается в его практически нулевой пластичности - он либо остается неизменной формы, либо ломается. Это объясняется сложностью строения его кристаллической решетки.

Графит - чистый углерод, не содержащий железа. Графит самый низкий по плотности из всех перечисленных фаз. Графит присутствует в соединениях чугуна и некоторых марках высокопрочной стали.

Графит находит особо широкое применение из-за его физических свойств: из него производят электроды и нагревательные элементы за счет его высокой электропроводимости и особой устойчивости к водным растворам, несвойственной ряду металлов. Его применяют также для получения синтетических алмазов, высокопроводящих клеев, наполнителя пластмасс и еще во множестве специфических сфер.

Заключение

Углерод, вступая в реакцию с железом в различных условиях, делает из железа совершенно уникальные соединения, придавая ему свойства, которые изначально и не подозревались. А доступность обоих материалов делает их ведущей основой для производства самой различной направленности