Железо и его физико-химические свойства

В твердом состоянии железо существует в трех модификациях. Ниже 911°С железо находится в ɑ-модификации с о.ц.к. решеткой и периодом решетки 0,28606 нм, выше этой температуры существует ɤ-модификация железа с г.ц.к. решеткой и периодом 0,3645 нм, которая при 1392 °С вновь претерпевает аллотропическое превращение в высокотемпературную δ-модификацию с о.ц.к. решеткой, устойчивой вплоть до температуры плавления железа (1539°С).

Превращение ɤ→ɑ при охлаждении сопровождается увеличением объема. Меньшая плотность ɑ-Fe по сравнению ɤ-Fe способствует повышению значений коэффициентов диффузии. До 768°С железо магнитно; при 768°С (точка Кюри) происходит переход в парамагнитное состояние.

Механические свойства чистого железа при 20°С составляют: ɑ_в = 250 МПа, δ_0,2 = 120 МПа, δ = 50%, ɤ = 85%.

Основные физические и механические свойства железа представлены в табл. 1.

Нормальный равновесный потенциал образования двухвалентных и трехвалентных ионов железа составляет -0,44 В, -0,036 В соответственно. Железо легко пассивируется в кислородной атмосфере, на воздухе железо также пассивируется, при этом потенциал принимает положительные значения.

Анодная поляризационная кривая железа характерна для пассивирующих металлов (рис. 1).

Критический ток пассивации, соответствующий потенциалу 0,46В, составляет 0,42 А/см², началу пассивного состояния отвечает потенциал 0,48В; ток пассивации равен 7•10^-6 А\см².

Из рис. 1 следует, что, несмотря на ярко выраженную способность железа к пассивации, в пассивном состоянии ток растворения у железа выше, чем у никеля, и значительно (на 2-3 порядка) выше, чем у хрома и молибдена. Этот факт объясняет необходимость легирования железа этими элементами для повышения его коррозийной стойкости. Так, введение в сталь 12% Cr переводит ее в класс коррозионностойких.

Скорость коррозии железа или малоуглеродистой стали в атмосферных условиях сильно зависит от влажности воздуха и присутствия в нем агрессивных примесей, например SO2, Сl2, Н2S, NH3 и др. В районах с сухим теплым климатом и достаточно чистой атмосферой скорость коррозии железа довольно низка (0,01 - 0,04 мм/год). В промышленной загрязненной атмосфере с повышенной влажностью скорость коррозии железа составляет 0,1 - 0,3 мм/год, а в промышленных приморских районах или полосе морского прибоя 0,2 - 0,6 мм/год. В пресной воде скорость коррозии железа составляет 0,01 - 0,07 мм/год в зависимости от жесткости, содержания кислорода и температуры; в морской воде она возрастает до 0,15 - 0,20мм/год.

Малые добавки меди (до 0,20%), фосфора (до 0,10%) и хрома (0,2 - 0,5%) повышают коррозионную стойкость железа и мало-углеродистых сталей в атмосферных условиях, что используется на практике. Железо устойчиво в разбавленном аммиаке при невысоких температурах и в концентрированном четыреххлористом углероде до температуры кипения. В кипящих растворах щелочей и особенно в расплавах железо неустойчиво. Оно активно корродирует в растворах кислот (минеральных и органических), особенно с повышением температуры.

Железо является металлом с высоким запасом пластичности в холодном и горячем состояниях, что позволяет деформировать его и малоуглеродистые стали в широком диапазоне температур. Вместе с тем для о.ц.к. ɑ- и δ-Fe характерна склонность к хладноломкости. Температура хрупко-вязкого перехода существенно зависит от содержания прежде всего углерода, азота и фосфора, а также других примесных и легирующих элементов.