Твердые растворы

Фазы Fe-С сплавов — аустенит и феррит — представляют собой твердые растворы внедрения. Кристаллическая решетка, как обычно в этом случае, соответствует решетке растворителя (железа). Углерод размещается в свободных местах (пустотах, порах) решетки, искажая ее и увеличивая ее размеры.

Вопреки некоторым утверждениям можно считать достоверно установленным, что вне зависимости от того, находятся ли твердые растворы в равновесии с графитом или с цементитом, углерод в этих растворах всегда существует в виде атомов (ионов), а не в виде громоздких молекул цементита. Это вытекает из того, что углерод характеризуется большим коэффициентом диффузии и что все рентгеновские исследования фиксировали до сих пор в кристаллических решетках растворов наличие только атомов углерода. Так как эксперименты показывают, что углерод под действием постоянного тока передвигается в аустените от анода к катоду, то можно заключить, что твердый раствор углерода носит ионный характер и что в нем имеется металлическая связь между атомами железа и углерода. Образование твердого раствора изменяет, таким образом, состояние атомов. Углерод отдает при этом часть своих валентных электронов 3d полосе железа, вернее — в общее электронное облако кристалла, превращаясь, таким образом, в положительно заряженный ион и приобретая металлическое состояние.

Наиболее вероятным (подтвержденным экспериментально) местоположением атомов (ионов) углерода в решетке аустенита является центр гранецентрированного куба (октаэдрические поры), хотя рентгенографически все междуузлия (центр куба или середина ребра) являются равноценными (рис. 4, в). При этом каждый атом (ион) углерода окружен 6 ближайшими атомами железа. Таким образом, аустенит представляет ионизированный твердый раствор углерода в у-железе с расположением положительно заряженных ионов в центре элементарных ячеек куба (или, что то же, октаэдров) гранецентрированной решетки, причем это справедливо как для стабильной, так и для метастабильной системы. Указанное опровергает ранее пропагандировавшуюся гипотезу о наличии двух разных по природе твердых растворов: бойденита, находящегося в равновесии с графитом и представляющего атомарный раствор замещения, и аустенита, находящегося в равновесии с цементитом и будто бы представляющего молекулярные раствор внедрения. В результате экспериментов и дискуссий полностью восторжествовала точка зрения, поддержанная многими советскими учеными, что в Fe — С сплавах существует только один твердый раствор — аустенит с разной растворимостью углерода в зависимости от природы свободной фазы и других фактов ров, при которых осуществляется равновесие.

В реальном чугуне а- и у-твердые растворы являются более сложными. Они представляют собой одновременно как растворы замещения (часть атомов железа заменена атомами Si, Mn, Р, Ni, Cr и другими элементами), так и растворы внедрения, причем роль внедренных атомов играют не только углерод, но и водород, и азот. Очевидно, что под влиянием всех этих элементов решетки твердых растворов Fe — С сплавов еще больше деформируются, искажаются и напрягаются.