Область применения железа в машиностроении

Применение железа в машиностроении продиктовано, в первую очередь, его физико-химическими свойствами [1].
Железо – серебристо-белый, ковкий и пластичный тугоплавкий (т. пл. 1535°C, т. кип. 2870°C) металл, при температурах ниже 769°C притягивается магнитом, то есть обладает ферромагнетизмом. Ферромагнитные свойства вызваны наличием в структуре металла отдельных зон – доменов, магнитные моменты которых под действием внешнего магнитного поля ориентируются в одну и ту же сторону.  
 Железо существует в форме нескольких полиморфных (аллотропных) модификаций. При температурах ниже 9100C При температурах ниже 9100C устойчиво железо с объемно-центрированной кристаллической решеткой (α-Fe, немагнитное α-железо существующее при 769–9100C называют β-Fe), в интервале температур 910–14000C – более плотная модификация с кубической гранецентрированной (γ-Fe), а выше этой температуры и вплоть до температуры плавления вновь становится устойчивой структура с объемно-центрированной ячейкой (δ-Fe).
Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:
1) α-Fe (феррит) существует до 7690 с объемно центрированной кубической рис 1 решtткой и свойствами ферромагнетика (769 °C - 1043 K - точка Кюри для железа)

Рис1.Объемно центрированная кубическая решетка
2) в температурном интервале 769-917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;
3) в температурном интервале 917-1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой рис.2.
Рис .2. Гранецентрированная кубическая решетка
4) выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмноцентрированной кубической решёткой.
Остановимся подробнее на полиморфнои превращение железа, Так, металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C - 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком - происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.
Рис 3

. Процесс преобразования ферромагнетика в парамагнетик
Для парамагнетика магнитные моменты атомов расположены хаотично
Для ферромагнетиков магнитные моменты атомов расположены параллельно
Все металлы, используемые в машиностроении, делят на цветные и черные. [2].Черные – это сплавы железа, в частности, сталь и чугун, . Соответственно,  производство, занимающееся выплавкой чугуна и стали, называется черной металлургией. На долю черной металлургии приходится 95% всех металлургических процессов. Разделяются черные сплавы таким образом:
Сталь – сплав железа с углеродом и другими ингредиентами, чья массовая доля не превышает 2,14%. Углерод придает стали пластичность и твердость. В состав могут входить также марганец, фосфор, сера и другие
Чугун – сплав с углеродом, где допускается большее содержание элемента – до 4,3%. Причем чугуны отличаются по своим свойствам в зависимости от того, в каком виде сплав содержит углерод: если вещество вступило в реакцию с железом, получают белый чугун, если включено в виде графита – серый;
Феррит – железо с минимальной примесью углерода и других элементов – 0,04%. Собственно, это и есть химически чистое железо;
Перлит – не сплав, а механическая смесь карбида железа и феррита. Свойства его заметно отличаются от свойств металла;
Аустенит – раствор углерода в железе с долей первого до 0,8%. Аустенит отличается пластичностью, магнитными свойствами не обладает
Конечно, наибольшее применение находят сталь и чугун, а их использование зависит от доли углерода в составе. По этому признаку различают углеродистые и легированные стали. В первом случае примеси носят постоянный характер, то есть, попадают в сплав из-за особенностей процесса выплавки. В легированные добавки вводят специально для придания материалу особых свойств. В качестве легирующих элементов применяют ванадий, титан хром, никель и так далее.
Углеродистые стали разделяются на 3 группы:
малоуглеродистые – доля элемента менее 0,25%, наиболее ковкие и пластичные;
среднеуглеродистые – с долей углерода до 0,6%;
высокоуглеродистые – содержание элемента превышает 0,6%.
Легированные стали тоже составляют собой 3 группы:
низколегированные – массовая доля всех компонентов составляет 2,5%:
среднелегированные – здесь суммарное содержание может достигать 10%;
высоколегированные – доля легирующих элементов превышает 10%.
Легированные стали обычно являются материалом для инструментов и машинных узлов, так как введение дополнительных ингредиентов повышает прочность сплава, придает ему жаростойкость или коррозионную стойкость