Кристаллическая решётка железа (ОЦК (α-Fe) / ГЦК (γ-Fe), параметр a, нм) — атомы железа упакованы в решётку ОЦК (α-железо, феррит) или ГЦК (γ-железо, аустенит); переход между ними при нагреве — основа всей термообработки.
Суть
Твёрдое железо — не хаотичный набор атомов, а кристалл: атомы занимают узлы правильной пространственной решётки, которую удобно описывать её наименьшей повторяющейся частью — элементарной ячейкой. У железа таких ячеек две. Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК): атомы в вершинах куба и один в центре, координационное число 8, плотность упаковки 68 %. Гранецентрированная кубическая (ГЦК): атомы в вершинах и в центрах граней, координационное число 12, плотность упаковки 74 %.
Способность одного и того же металла существовать в разных решётках называется полиморфизмом (аллотропией). До 911 °C устойчива ОЦК-модификация — α-железо; от 911 до 1394 °C — ГЦК-модификация, γ-железо; выше 1394 °C и до плавления решётка вновь становится ОЦК (δ-железо). Точки перехода обозначают A3 (911 °C) и A4 (1394 °C); при 768 °C (точка Кюри, A2) α-железо теряет ферромагнетизм, но решётка при этом не меняется.
Именно решётка определяет, сколько углерода железо может «спрятать» между своими атомами. В ГЦК-ячейке межузельные пустоты крупнее, поэтому γ-железо растворяет до 2,14 % C, образуя аустенит, а тесная ОЦК-решётка α-железа вмещает лишь сотые доли процента — это феррит. Избыточный углерод в α-области выделяется в виде цементита Fe₃C. Так полиморфизм железа связывает воедино диаграмму железо–углерод и все структуры стали.
Почему это основа термообработки
Любая термическая обработка стали — это управление переходом ОЦК ↔ ГЦК. При нагреве выше критических точек феррит и перлит превращаются в аустенит, растворяющий углерод; при охлаждении решётка перестраивается обратно, и от скорости этой перестройки зависит результат:
- Медленное охлаждение (отжиг, нормализация) — углерод успевает выйти из решётки, образуется феррит + перлит: мягкая, вязкая структура.
- Резкое охлаждение (закалка) — углерод остаётся запертым в ОЦК-решётке, она искажается в тетрагональную; это мартенсит, твёрдый и хрупкий.
- Легирование Ni, Mn, Cr — расширяет или сужает γ-область: в аустенитных нержавеющих сталях ГЦК-решётка сохраняется вплоть до комнатной температуры, отчего они немагнитны.
Решётка объясняет и механическое поведение. Пластическая деформация — это скольжение дислокаций по плотноупакованным плоскостям решётки; холодная деформация размножает дислокации и искажает решётку — так возникает наклёп. Упругие же свойства заданы силами межатомной связи в решётке, поэтому модуль упругости практически одинаков для всех марок стали, как и плотность: состав меняет прочность, но не саму решётку железа.
Ключевые числа
| Решётка α-железа (феррит), до 911 °C | ОЦК; параметр a ≈ 0,2866 нм при 20 °C; координационное число 8 |
|---|---|
| Решётка γ-железа (аустенит), 911–1394 °C | ГЦК; параметр a ≈ 0,364–0,365 нм при 900–950 °C; координационное число 12 |
| Решётка δ-железа, 1394 °C — плавление | ОЦК; параметр a ≈ 0,293 нм |
| Температура плавления чистого железа | ≈ 1539 °C |
| Точка Кюри (A2) | 768 °C — потеря магнитных свойств без смены решётки |
| Плотность упаковки атомов | ОЦК — 68 %; ГЦК — 74 % |
| Предельная растворимость C в α-Fe (ОЦК) | ≈ 0,02 % при 727 °C (диаграмма Fe–Fe₃C) |
| Предельная растворимость C в γ-Fe (ГЦК) | 2,14 % при 1147 °C (диаграмма Fe–Fe₃C) |
Где встречается в трубах
В трубном производстве полиморфизм железа работает на каждом переделе: горячая прокатка и прошивка заготовки идут в γ-области (аустенит пластичнее и однороднее), а свойства готовой трубы задаёт то, как ГЦК-решётка вернулась в ОЦК при охлаждении или последующей термообработке.
- Нормализация горячедеформированных бесшовных труб по ГОСТ 8732 и термообработка сварного шва электросварных труб — см. термообработку труб.
- Ферритно-перлитные трубные стали 20 и 09Г2С — сталь с ОЦК-решёткой; аустенитные нержавеющие трубы из 12Х18Н10Т — с ГЦК.
- Немагнитность аустенитной нержавейки — простой полевой признак типа решётки; подробнее в статье о нержавеющих трубах.
- Как решётка и структура связаны с маркой и назначением — в обзоре сталей для труб.
Связанные термины
- Феррит, перлит, аустенит, мартенситСтруктурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.
- Термическая обработка сталиУправляемый нагрев и охлаждение, меняющие структуру и свойства без изменения формы: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
- Железо и углеродОснова любой стали: железо задаёт пластичность и свариваемость, углерод — прочность и твёрдость.