§ 77. Применение железа

На практике железо применяется в виде сплавов с углеродом и другими элементами.

Современная металлургическая промышленность производит железные сплавы разнообразного состава.

Железные сплавы разделяются на чугуны и стали.

Чугун хрупок, как стекло; стали же можно ковать, прокатывать, волочить, штамповать. Различие в механических свойствах чугунов и сталей зависит прежде всего от содержания в них углерода: в чугунах содержится более 2% углерода, а в сталях - менее 2%.

В чугуне содержится углерода больше, чем железо может удержать его при затвердевании в виде твердого раствора, и излишек углерода при затвердевании расплавленного чугуна выделяется в виде пластинчатых кристаллов графита (рис. 62). Тонкие полоски на рисунке - это и есть разрезанные поперек пластинки графита. При ударе такой чугун дробится на куски вдоль графитовых пластинок, как если бы они были трещинами. На изломе кусков чугуна мы обнаруживаем тусклый серый цвет графита.

Рис. 62. Серый чугун под микроскопом

Из чугуна отливают станины машин, маховые колеса, плиты, трубы.

При введении в чугун перед разливкой в формы незначительного количества магния графит выделяется не в виде пластинок, а в виде шарообразных включений (рис. 63). Так получается высокопрочный чугун, лишенный хрупкости обычного серого чугуна. Из него можно изготовлять такие ответственные детали, как коленчатые валы судовых двигателей.

Рис. 63. Сверхпрочный чугун под микроскопом

На этом примере вы познакомились с изменением свойств сплавов через изменение формы, величины и расположения кристаллов составных частей сплава. Этот способ называется модифицированием, а добавки, вызывающие модифицирование,- модификаторами.

Улучшение механических свойств сплавов путем изменения размеров и расположения кристаллов происходит и без модификаторов - при ковке.

Стали. В состав сталей входит меньше 2% углерода, т. е. столько, сколько может удержаться в γ-железе в виде твердого раствора. Поэтому при затвердевании расплавленных сталей графита не выделяется, а сначала получается ненасыщенный твердый раствор углерода в γ-железе. Дальнейшее зависит от быстроты охлаждения сплава. При медленном охлаждении до комнатной температуры γ-железо превращается в α-железо, но так как углерод в α-железе практически нерастворим, твердый раствор распадается на свободное от углерода железо и карбид железа. При быстром же охлаждении γ-желез так же успевает (хотя обычно не полностью) превратиться в α-железо, но углерод не успевает выделиться из кристаллов. Получается пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе:

Застрявшие в кристаллах железа атомы углерода придают закаленной стали ее характерные свойства: высокую твердость, упругость, но вместе с тем хрупкость. Для снижения хрупкости стальное изделие подвергают отпуску. Его вновь нагревают до сравнительно невысокой температуры, вызывая частичный распад твердого раствора на свободное от углерода железо и карбид железа. Твердость при этом снижается мало, а хрупкость сильно. Для пружин и рессор снижение твердости не существенно, поэтому их подвергают отпуску при более высоких температурах, при которых за счет значительного падения твердости достигается наибольшая упругость.

Свойства стали в закаленном состоянии зависят от содержания в ней углерода: чем больше в стали углерода, тем она тверже. Промышленность производит мягкие стали, стали средней твердости и твердые. Мягкие стали и стали средней твердости применяются для изготовления кровельного железа, болтов, гвоздей и т. д., а твердые стали - для изготовления инструментов.

Легированные стали. На примере закалки и отпуска сталей мы познакомились с еще одним способом изменять свойства сплавов без изменения их состава - с термической обработкой. Для придания сталям тех и других специальных свойств в состав сталей вводятся другие элементы. Такие стали называются легированными, а добавочные элементы - легирующими.

Так, инструмент из обычной стали - резцы и сверла - не выдерживает сильного разогрева при скоростной обработке металлов: сталь отпускается, теряет твердость и инструмент быстро тупится. Для удержания углерода в состоянии твердого раствора при высоких температурах стали легируют вольфрамом. Такая легированная сталь сохраняет закалку и при высоких температурах и называется быстрорежущей.

Наиболее широко в качестве легирующих элементов применяются хром и никель. Хромоникелевые стали отличаются высокой прочностью и стойкостью к действию окислителей. Применение легированных сталей позволяет значительно снизить вес металлических конструкций, повысить их прочность, долговечность и надежность в эксплуатации.

1. Опишите состав: а) чугуна, б) стали, свяжите с составом их свойства, а со свойствами - практическое применение.
2. Какие превращения происходят в стали: а) при закалке, б) при отпуске?
3. Какие вам известны способы изменения свойств сплавов без изменения химического состава сплава?
4. Что такое легированные стали, быстрорежущая сталь?
5. ^* Однажды небольшой алмаз был сплавлен с железом. Что получилось? Как этим опытом была раскрыта химическая природа алмаза?
6. ^* При вбивании в доску трех одинаковых гвоздей из одного и того же сорта стали первый согнулся, второй сломался, а третий вбился в доску. Какой термической обработке был подвергнут каждый гвоздь?