Номер 2, страница 205 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 43. Железо - простое вещество. Глава 4. Металлы побочных подгрупп - номер 2, страница 205.

Условие.

2. Как влияет содержание примеси углерода на твёрдость железа?

Решение.

Решение 2.

Содержание примеси углерода является ключевым фактором, определяющим твёрдость и другие механические свойства железа. В общем случае, с увеличением содержания углерода твёрдость железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) возрастает. Это влияние можно объяснить на микроструктурном уровне.

Механизм упрочнения

Чистое железо представляет собой относительно мягкий и пластичный металл. Его кристаллическая решётка содержит дефекты, называемые дислокациями. Пластическая деформация металла происходит за счёт движения этих дислокаций. Атомы углерода значительно меньше атомов железа, поэтому они могут внедряться в междоузлия кристаллической решётки железа, образуя так называемый твёрдый раствор внедрения. Это приводит к искажению кристаллической решётки. Искажённая решётка создаёт внутренние поля напряжений, которые препятствуют движению дислокаций. Чем сложнее дислокациям перемещаться, тем большее внешнее усилие нужно приложить для деформации материала, что и означает увеличение его твёрдости и прочности.

Фазовый состав сплавов

В зависимости от концентрации углерода и термической обработки, в железоуглеродистых сплавах образуются различные фазы и структуры, каждая из которых имеет свою твёрдость:

Феррит (α-Fe): Практически чистое железо с очень низким содержанием растворённого углерода (до 0,025 %). Это мягкая и пластичная структура.

Цементит ($Fe_3C$): Химическое соединение карбида железа, содержащее 6,67 % углерода. Цементит является очень твёрдой и хрупкой фазой. Именно наличие цементита вносит основной вклад в повышение твёрдости сплавов.

Перлит: Эвтектоидная смесь, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит значительно твёрже феррита, и его твёрдость растёт с уменьшением расстояния между пластинками.

Мартенсит: Пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе, образующийся при очень быстром охлаждении (закалке) стали. Обладает игольчатой структурой и чрезвычайно высокой твёрдостью из-за сильных искажений кристаллической решётки.

Зависимость твёрдости от концентрации углерода

Влияние углерода можно рассмотреть на примере основных типов сплавов:

Техническое железо (содержание C < 0,025 %): Обладает низкой твёрдостью, так как его структура состоит в основном из мягкого феррита.

Сталь (содержание C от 0,025 % до 2,14 %): С увеличением содержания углерода в сталях (доэвтектоидных, с C < 0,8 %) растёт количество твёрдого перлита в структуре, а количество мягкого феррита уменьшается. Это приводит к монотонному росту твёрдости. В заэвтектоидных сталях (с C > 0,8 %) структура состоит из перлита и избыточного цементита, что ещё больше увеличивает твёрдость, но одновременно повышает и хрупкость. Максимальная твёрдость достигается при закалке стали, когда образуется мартенсит, и твёрдость мартенсита напрямую зависит от содержания в нём углерода.

Чугун (содержание C > 2,14 %): В чугунах присутствует большое количество углерода, который может находиться в виде цементита (белые чугуны) или свободного графита (серые, высокопрочные чугуны). Белые чугуны, где весь избыточный углерод образует цементит, обладают очень высокой твёрдостью и хрупкостью, что делает их износостойкими, но трудными в обработке. В серых чугунах графитовые включения нарушают сплошность металлической матрицы, что несколько снижает твёрдость по сравнению с белыми чугунами, но придаёт им другие полезные свойства (например, способность гасить вибрации).

Таким образом, увеличение содержания углерода в железе приводит к образованию более твёрдых структурных составляющих (перлита, цементита, а после закалки - мартенсита), что вызывает прямое и существенное повышение твёрдости и прочности сплава, но, как правило, сопровождается снижением его пластичности и вязкости.

Ответ: С увеличением содержания примеси углерода твёрдость железа и его сплавов (сталей и чугунов) возрастает. Это происходит из-за искажения кристаллической решётки железа атомами углерода и, что более важно, из-за образования в структуре сплава твёрдых фаз, таких как цементит ($Fe_3C$), и структур на его основе (перлит, мартенсит).