Строго говоря, единственным представителем собственно черных металлов является железо, однако к этому классу металлов относят и так называемые железные сплавы: чугун, сталь, ферросплавы.
Железо – пластичный блестящий металл серо-белого цвета, способный растворять углерод и другие элементы, что создает условия для получения сплавов на его основе. Железо легко куется в холодном и нагретом состоянии, поддается различным способам механической обработки (прокатке, штамповке, резанию и др.). Это наиболее доступный и дешевый металл.
В твердом состоянии оно имеет несколько кристаллических модификаций, которые могут переходить одна в другую при нагревании или охлаждении. Изменившееся строение кристаллической решетки, приобретенное металлом при более низкой температуре, принято обозначать буквой α (α -железо), при более высокой – буквой β (β -железо), при дальнейшем повышении температуры – буквой γ (γ -железо). Так, при нагревании свыше 723 °C α -железо переходит в γ -железо. Это наиболее важное превращение широко используют в термообработке. Оно сопровождается перестройкой решетки с распадом существующих кристаллов и образованием новых. При этом резко увеличивается способность железа растворять углерод и улучшаются механические свойства его сплавов.
Железо образует сплавы со многими металлами и неметаллами. Наиболее разнообразные свойства имеют железоуглеродистые сплавы, что связано с их структурой. К структурным составляющим железоуглеродистых сплавов относятся: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.
Феррит
Феррит – твердый раствор углерода (до 0,02 %) в a-железе. Поскольку α -железо растворяет углерод при комнатной температуре лишь в тысячных долях процента, то свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он имеет небольшую прочность и твердость, но очень пластичен. Эта структура преобладает у тонколистовой и низкоуглеродистой стали.
Аустенит
Аустенит – твердый раствор углерода (до 2 %) и легирующих элементов в α -железе. Твердость его в 2—2,5 раза больше, чем у феррита, при высокой пластичности. Такую структуру получают при термической и химико-термической обработке.
Цементит
Цементит – химическое соединение железа с углеродом (6,67 %), очень хрупкое, приближающееся по твердости к алмазу.
Перлит
Перлит – механическая смесь феррита с цементитом, образуемая при распаде аустенита, с содержанием 0,8 % углерода. Наиболее распространенная структурная составляющая сталей и чугунов.
Ледебурит
Ледебурит – одна из основных структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. В момент образования состоит из цементита и аустенита, а после охлаждения – из цементита и перлита. Содержит 4,3 % углерода, отличается высокой твердостью и хрупкостью.
Чугун
Чугун – сплав железа с углеродом (2 – 4,3%), содержащий постоянные примеси кремния (до 4,5%), марганца (1,5%), фосфора (до 1,5%) и серы (0,08%), а в ряде случаев и легирующие элементы (обычно металлы, например никель, хром, медь, алюминий), включаемые в сплавы для придания последним требуемых свойств.
Различают чугун передельный (как правило, белый), используемый для передела в сталь, и литейный (серый), служащий для получения отливок. Доля передельного чугуна в общем объеме выплавляемых чугунов составляет около 80 %.
Для улучшения свойств серый чугун модифицируют или легируют. Разновидностью легированных чугунов являются специальные чугуны, к которым относятся антифрикционные, жаростойкие, износостойкие и др. Более высокими механическими свойствами и меньшей по сравнению с серым чугуном хрупкостью обладает ковкий чугун, занимающий промежуточное положение между чугуном и сталью.