Большая Советская Энциклопедия (ЖЕ)

Большая Советская Энциклопедия

Распространённость в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Ж. занимает второе место среди металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.). Ж. принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений (см. Железные руды). Ж. — металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере Ж. накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.

Важную роль в геохимии Ж. играют окислительно-восстановительные реакции — переход 2-валентного Ж. в 3-валентное и обратно. В биосфере при наличии органических веществ Fe³⁺ восстанавливается

до Fe²⁺ и легко мигрирует, а при встрече с кислородом воздуха Fe²⁺ окисляется, образуя скопления гидроокисей 3-валентного Ж. Широко распространённые соединения 3-валентного Ж. имеют красный, жёлтый, бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование — «красно-цветная формация» (красные и бурые суглинки и глины, жёлтые пески и т. д.).

Физические и химические свойства. Значение Ж. в современной технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддаётся прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.

Ж. может существовать в виде двух кристаллических решёток: a- и g- объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910 °С устойчиво a - Fe с ОЦК-решёткой (а = 2,86645

 при 20°С). Между 910°С и 1400°С устойчива g-модификация с ГЦК-решёткой (а = 3,64

). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решётка d-Fe (а = 2,94

), устойчивая до температуры плавления (1539°С). a - Fe ферромагнитно вплоть до 769°С (точка Кюри). Модификация g-Fe и d-Fe парамагнитны.

Полиморфные превращения Ж. и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов. Углерод образует с Ж. твёрдые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77

), размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26

). Твёрдый раствор углерода в g-Fe наз. аустенитом, а в (a-Fe— ферритом. Насыщенный твёрдый раствор углерода в g– Fe содержит 2,0% С по массе при 1130°С; a-Fe растворяет всего 0,02— 0,04%С при 723°С, и менее 0,01% при комнатной температуре. Поэтому при закалкеаустенита образуется мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в a- Fe, очень твёрдый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности (см. Железо - углеродистые сплавы.Термическая обработка металлов).

Физические свойства Ж. зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Ж., как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает т. н. красноломкость, фосфор (даже 10^{– 20}% Р) — хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Ж. (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^{– 7}—10^{– 9}% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.

Ниже приводятся физические свойства Ж., относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:

Атомный радиус 1,26

Ионные радиусы Fe²⁺O,80

, Fe³⁺O,67

Плотность (20^oC) 7,874 г/см³

t_пл 1539°С

t_kип около 3200^оС

Температурный коэффициент линейного расширения (20°С) 11,7·10^{– 6}

Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·К)

[0,177 (кал/см·сек·град)]

Теплоёмкость Ж. зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоёмкость (0-1000^oC) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/ (г·град)].

Удельное электрическое сопротивление (20°С)

9,7·10^{– 8}ом·м [9,7·10^{– 6}ом·см]

Температурный коэффициент электрического сопротивления

(0—100°С) 6,51·10^{– 3}

Модуль Юнга 190—210·10³Мн/м.²

(19-21·10³кгс/мм²)

Температурный коэффициент модуля Юнга

4·10^{– 6}

Модуль сдвига 84,0·10³Мн/м² [8,4·10³кгс/мм²]

Кратковременная прочность на разрыв

170-210Мн/м²[17-21кгс/мм²]

Относительное удлинение 45—55%

Твёрдость по Бринеллю 350—450 Мн/м²

[35—45 кгс/мм²]

Предел текучести 100Мн/м²[10 кгс/мм²]

Ударная вязкость 300 Мн/м² [30 кгс/мм²]

Конфигурация внешней электронной оболочки атома Fe 3d⁶4s². Ж. проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Ж.). С кислородом Ж. образует закись FeO, окись Fe₂O₃ и закись-окись Fe₃O₄ (соединение FeO с Fe₂O₃, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Ж. покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃·nH₂O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Ж. (см. Коррозия металлов). При нагревании Ж. в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Ж. — воронения. При нагревании в водяном паре Ж. окисляется с образованием Fe₃O₄ (ниже 570°С) или FeO (выше 570°С) и выделением водорода.