Используя Интернет, страница 51 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 11. Причины многообразия веществ. Глава II. Строение вещества - страница 51.

Условие.

Используя Интернет или дополнительную литературу, узнайте о полиморфизме железа и его значении в обработке этого металла.

Решение 2.

Полиморфизм (или аллотропия) — это способность вещества существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными (или аллотропическими) модификациями. Эти модификации отличаются друг от друга строением кристаллической решетки и, как следствие, физическими и химическими свойствами. Для железа и его сплавов, в первую очередь сталей, явление полиморфизма имеет фундаментальное значение, так как на нем основаны практически все виды термической обработки.

Полиморфные модификации железа

Чистое железо (Fe) в твердом состоянии может существовать в нескольких аллотропических формах в зависимости от температуры:

• $\alpha$-железо (альфа-железо, феррит). Существует при температурах ниже $912 \degree \text{C}$. Имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку. При температурах до $770 \degree \text{C}$ (точка Кюри) $\alpha$-железо является ферромагнетиком, а выше этой температуры становится парамагнитным, сохраняя ОЦК-решетку.
• $\gamma$-железо (гамма-железо, аустенит). Устойчиво в интервале температур от $912 \degree \text{C}$ до $1394 \degree \text{C}$. Обладает гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решеткой. Эта модификация не является магнитной.
• $\delta$-железо (дельта-железо). Существует в узком температурном диапазоне от $1394 \degree \text{C}$ до температуры плавления $1538 \degree \text{C}$. Как и $\alpha$-железо, имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку, но с большим параметром решетки из-за высокой температуры.

Переходы между этими состояниями ($\alpha \leftrightarrow \gamma$ и $\gamma \leftrightarrow \delta$) называются полиморфными превращениями и сопровождаются изменением объема и поглощением или выделением тепла.

Значение полиморфизма в обработке железа и его сплавов (сталей)

Ключевое различие между модификациями железа, которое используется в металлообработке, — это разная способность растворять в себе углерод, основной легирующий элемент в сталях. Гранецентрированная решетка аустенита ($\gamma$-Fe) имеет более крупные междоузлия (пустоты между атомами), чем объемно-центрированная решетка феррита ($\alpha$-Fe). Поэтому растворимость углерода в аустените значительно выше (до 2,14% по массе), чем в феррите (не более 0,02% по массе). На этом свойстве основаны важнейшие технологические процессы:

1. Термическая обработка (закалка, отпуск, отжиг, нормализация).
   Это основная область применения полиморфизма железа.
   • Закалка: Сталь нагревают до температур аустенитного состояния (выше $912 \degree \text{C}$), чтобы железо перешло в $\gamma$-модификацию и растворило в себе большое количество углерода. Затем сталь быстро охлаждают (например, в воде или масле). Из-за высокой скорости охлаждения не происходит обратного превращения $\gamma \rightarrow \alpha$ с выделением углерода. Вместо этого образуется пересыщенный твердый раствор углерода в $\alpha$-железе — мартенсит. Мартенсит имеет сильно искаженную кристаллическую решетку, что придает стали очень высокую твердость и прочность, но одновременно и хрупкость.
   • Отжиг и нормализация: Эти процессы также включают нагрев до аустенитного состояния, но последующее охлаждение происходит медленно (при отжиге — вместе с печью, при нормализации — на воздухе). Медленное охлаждение позволяет произойти равновесному превращению аустенита в более мягкие и пластичные структуры — феррит и перлит (смесь феррита и цементита, $Fe_3C$). Это позволяет снять внутренние напряжения, улучшить обрабатываемость и подготовить структуру к последующей закалке.
   • Отпуск: Закаленную хрупкую сталь снова нагревают, но уже до более низких температур (ниже точки превращения в аустенит), выдерживают и охлаждают. Это позволяет уменьшить хрупкость и внутренние напряжения, повысить вязкость, сохранив при этом высокую твердость. В процессе отпуска происходит частичный распад мартенсита.
2. Горячая пластическая деформация.
   Процессы ковки, прокатки, штамповки и прессования часто проводят при высоких температурах, когда сталь находится в аустенитном состоянии. ГЦК-решетка аустенита более пластична и легче поддается деформации, чем ОЦК-решетка феррита. Это позволяет изменять форму металла со значительно меньшими усилиями и без риска образования трещин.
3. Легирование сталей.
   Добавление различных химических элементов (хром, никель, марганец, молибден и др.) позволяет изменять температуры полиморфных превращений и свойства различных фаз. Например, никель и марганец являются аустенитообразующими элементами — они расширяют температурную область существования аустенита. При достаточном их содержании аустенит может быть стабилен даже при комнатной температуре (аустенитные нержавеющие стали). Другие элементы, например хром и кремний, наоборот, являются ферритообразующими. Управляя составом сплава, можно получать материалы с заранее заданными свойствами (жаропрочные, коррозионно-стойкие, немагнитные и т.д.).

Ответ: Полиморфизм железа — это его способность изменять тип кристаллической решетки в зависимости от температуры (ОЦК $\leftrightarrow$ ГЦК). Это явление имеет решающее значение в металлургии и металлообработке, поскольку различие в растворимости углерода в разных модификациях железа лежит в основе всех видов термической обработки сталей (закалки, отжига, отпуска), позволяя кардинально изменять их механические свойства — твердость, прочность, пластичность. Также полиморфизм определяет условия для горячей обработки металлов давлением и является основой для создания легированных сталей с широким спектром эксплуатационных характеристик.