3. Железо и его свойства

Железо является основой всех сталей и многих сплавов. Стали и сплавы черных металлов на сегодня являются главным конструкционным материалом.

Столь широкое использование железа связано не только с его большими природными запасами, пригодными для промышленной разработки, а также обусловлено способностью материалов на основе железа менять структуру и свойства при легировании и термической обработке.

Железо является d-переходным металлом. Его атомная масса 55,85; плотность 7,684-10 кг/м; конфигурация внешних электронных оболочек 3d4s2; кристаллографические модификации - о. ц. к. (а- и б-железо) и г.ц.к. (7-железо); параметры решетки: 0,286 нм (при -f20°C) для а-железа; 0,364 нм (при 950 °С) для 7-железа; 0,293 нм (при 1425 °С) для б-железа; атомный радиус (по Гольдшмндту) 0,127 нм (К=8, о.ц. к. решетка); 0,124 нм {К=\% г.ц.к. решетка).

Свойства железа зависят от его чистоты. В последнее время достигнут существенный прогресс в способах очистки железа от примесей. Наряду с широко применяемыми промышленными методами очистки (внепечное вакуумироща-ние, электровакуумное плавление, электрошлаковый переплав, карбонил-процесс, электролиз и др.) разработаны новые методы очистки: зонное плавление, рафинирование (отжиг) в водороде и высоком вакууме, электроннолучевая плавка и др. Особо чистое железо получают при сочетании разных методов очистки. Возможности некоторых методов глубокой очистки могут быть охарактеризованы приведенными ниже данными о содержании Си N [% (не более)] (Каменецкая Д. С, Пилецкая И. Б., Ширяев В.И.).

о 0,001 0,003 0,005 0,007 C+N,7o (ПОмассЕ)

Рис. 16. Зависимость предела текузести и временного сопротивления разрыву железа от степени его чистоты (Д. С. Каменецкая, И. Б. Пилецкая, в. И. Ширяев)

Зонное плавление .......

Зонное плавление-НЗОО ч рафинирования в водороде..... 10-

Зонное плавление --1000 ч рафинирования в водороде ....

10-5 10-

По степени чистоты железо условно принято делить на железо технической чистоты (Рвт.ч) и железо высокой степени чистоты (Рев.ч); к последнему относят материал с содержанием всех примесей Ю/о.

Температуры превращений в железе в сильной степени зависят от его чистоты. Ниже приведены температуры превращений, °С, в железе Рет., и Рев., (Д. С. Каменецкая, И. Б. Пилецкая В. М. Ширяев):

т. ч

Плавление . .

6-VV.....

7->-а ..... Парамагнетик - ферромагнетик .

1528-1535 1535-1540

1394*/1388 1394-1410*/1388

851-895*/845-865 908-916*/874-908

765-770

* в числителе - температуры превращений при иагреве, в знаменателе - при охлаждении.

Чистота железа определяет его механические свойства. На рис. 16 приведены данные по суммарному влиянию примесей внедрения - углерода и азота -на механические свойства железа. Наиболее чистое поликристаллическое железо (<10-%C-fN) имеет предел текучести 21-30 и временное сопротивление 50 МПа. Уже при содержании примесей (C-fN)10~*% временное сопротивление составляет 50-60 МПа, а в железе технической чистоты [(C-f-] +N)~10-3-10-2%], оно обычно равно 120-150 МПа. Необходимо отметить, что полученные значения предела текучести железа высокой степени чистоты (20 МПа) близки к теоретически рассчитанным значениям напряжения Пайерлса - Набарро (оп-н). Для металлов оно считается приблизительно равным

п-н = 2-10-40. (3)

где G - модуль сдвига металла.

Для железа G=8400 МПа и, следовательно, оп-н =17 МПа. Следовательно, в железе высокой степени чистоты единственным препятствием началу движения дислокаций являются силы трения решетки.

Необходимо также напомнить, что теоретическая прочность железа, рассчитанная впервые Я. М. Френкелем, составляет около 13000 МПа. Такие же значения прочности получены экспериментально на нитевидных кристаллах, (усах) железа. Следовательно, реальная прочность железа на два порядка меньше его теоретической прочности.

Склонность железа к хрупким разрушениям, оцениваемая по температуре перехода из вязкого в хрупкое состо-яние, также значительно увеличивается с ростом содержания примесей внедрения: углерода, азота и кислорода (рис. 17). Наиболее чистое железо [<10-*% (C-I-N) и lO-50/о О] имеет Гпр=-85°С при содержании примесей [4-10-3% (C-fN)-f О] Гпр=-12°С. При большем содержании примесей Тщ, лежит выше комнатной температуры.

КСи,МДж1м

-wo о 100

Рнс. 17. Зависимость ударной вязкости KCU от температуры испытания железа различной степени чистоты (Д. С. Каменецкая, И. Б. Пилецкая, В. И. Шнряев):

1. 2-(C+N<10-в%; о, %: /-<10-; 2-<10-*- 3-9 - 0,002-0,0004 % <C-bN); О, %: 3 - 0,001; 4 - 0,0037 ; 5 - 0,0046; 6 - 0,007; 7 - 0,011; - 0,057; 9 - 0,27

Рис. 18. Влияние содержания примесей внедрения (/-<10~ , %, 2-~10~* 3-10~*, %) иа предел текучести (а) и прирост предела текучести Д.о,р= -Ао -До+2 ° (б) железа (В. И. Саррак, С. О. Суворова, в. И. Ширяев)

Прнмесн внедрения обусловливают температурную зависимость предела текучести о. ц. к. металлов. Как известно, с уменьшением температуры испытания (особенно ниже комнатной температуры) возрастают значения предела текучести. Это существенно зависит от содержания в твердом растворе железа примесей внедрения (рис. 18). При содержании (C-fN) около Ю- % предел текучести возрастает с понижением температуры незначительно. Наиболее существенно возрастает предел текучести при содержании примесей (10--10-) % (рис. 18,а). Прирост предела текучести отожженного железа при изменении те.мперату-ры от комнатной (-f20°C) до температуры жидкого азота (-196°С) возрастает с увеличением концентрации примесей внедрения от 10- до 3-10- % (рнс. 18,6). При ббльшем содержании атомов внедрения в отожженном железе температурная зависимость предела текучести практически не изменяется.

Температурная зависимость предела текучести железа, как и других о. ц. к. металлов, обусловлена взаимодействием атомов внедрения

Как известно, температура перехода из вязкого в хрупкое состояние (Гпр) может быть определена как температура, при которой происходит резкое падение ударной вязкости или излом нз вязкого переходит в хрупкий (50 % волокна в изломе).

с дислокациями. По Коттреллу, упругое поле напряжений дислокаций взаимодействует с примесными атомами внедрения, поэтому вблизи дислокаций образуются скопления атомов внедрения - атмосферы Кот-трелла. При понижении температуры концентрация примесей около дислокации возрастает в соответствии с формулой;

С=Соехр(ШГ),

где С - концентрация атомов внедрения на дислокации; Со - средняя концентрация атомов внедрения в твердом растворе; Е - энергия связи атома внедрения с полем упругих искажений дислокаций; Т - температура; А -константа Больцмаиа.

Атмосферы Коттрелла закрепляют дислокации, при этом увеличивается прочность железа, этим и объясняется температурная зависимость предела текучести (ниже комнатной температуры).

При достаточном количестве атомов внедрения в твердом растворе (Со) ниже определенной температуры будут образовываться насыщенные атмосферы Коттрелла (С=1). Количество атомов внедрения в твердом растворе, необходимое для образования насыщенных атмосфер Коттрелла, будет зависеть от плотности дислокаций. Расчеты показали, что для закрепления всех дислокаций атмосферами Коттрелла в отожженном железе, имеющем плотность дислокаций 10-10* см- необходима концентрация атомов внедрения C-f +N~10- -10-3 % (по массе). Это подтверждается приведенными выше экспериментальными данными (см. рис. 17 и 18). Действительно, с увеличением концентрации примесей внедрения выше 10- % температурная зависимость железа увеличивается (растет АсГт) до значений концентрации примесей Со=ЗХ ХЮЗ 7о (по массе). Очевидно, что значение, находящееся в пределах вышеприведенных расчетных данных, является концентрацией, при которой все дислокации в отожженном железе будут закреплены насыщенными атмосферами Коттрелла (рис. 19).

При содержании атомов внедрения в железе менее 3-10-*% все они находятся в атмосферах Коттрелла. При увеличении их концентрации в сплаве выше этого значения возрастает концентрация атомов внедрения в твердом растворе, находящихся в несвязанном с дислокациями состоянии. С явлением сегрегации примесей внедрения у дислокаций и их закреплением атмосферами Коттрелла связано деформационное старение мягких сталей (см. гл. Х1П, п. 1).

Рис. 19. Распределение атомов внедрения в твердом растворе железа:

/ - атомы в атмосферах Коттрелла; 2 - атомы в твердом растворе (В. И. Саррак с. О. Суворова, в. И. Шнряев)

4. Структура и свойства легированного феррита

Феррит - одна из основных фаз во многих сталях. В конструкционных сталях его доля составляет около 95 %. поэтому знание свойств легированного феррита позволит правильно оценить общий уровень свойств сталей.

Легированный феррит представляет собой многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в а-железе. Изучению свойств легированного феррита посвящены работы советских ученых А. П. Гуляева, В. С. Меськина, М. М. Штейн-берга и др.

Дислокационные теории упрочнения твердых растворов при легировании (Мотта и Набарро, Флейшера) не дают для сплавов железа совпадения расчетов с экспериментом.

Эмпирически установлено, что количественная оценка упрочнения железа при легировании возможна на основе аддитивного вклада упрочняющего влияния отдельных легирующих элементов на свойства а-твердого раствора железа. Так, при одновременном легировании а-феррита атомами нескольких (4-5) легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано:

где Kf- коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1 % (по массе) t-того легирующего элемента: С*-концентрация i-Toro легирующего элемента, растворенного в феррите, % (по массе).

Значения Kt для легирующих элементов, входящих в состав феррита, приведены ниже:

Элемент C-bN Р Si Ti Al Си Мп Сг Ni Мо V

Kf. ДШа/Г%

(по массе) . . 4670 690 85 80 60 40 35 30 30 10 3

Необходимо отметить, что при оценке упрочнения феррита по приведенной формуле следует брать концентрацию легирующего элемента, растворенного в феррите, а не содержание этого элемента в стали.

На рис. 20 представлено влияние концентраций элементов замещения на свойства железа высокой чистоты. Эти данные показывают, что в области малых концентраций наибольшее упрочняющее влияние оказывает фосфор, тогда как хром, находящийся в феррите, в наименьшей степени упрочняет железо.

Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна d. Эта зависимость определяется соотношением Холла- Петча:

где CTi - напряжение трения или предел текучести в отсутствии сопротивления со стороны границы, т. е. предел текучести монокристалла; Ку-коэффициент, характеризующий вклад границ зерен в упрочнение.

В графическом выражении зависимости aT=f{d~) (рис. 21) ст,- представляет собой отрезок, отсекаемый на оси ординат при =о (d = oo), а Ку характеризуется тангенсом угла наклона прямолинейной зависимости.

4т, МПа

0 2 1

В 8 18

Рис. 21. Зависимость предела текучести железа от размера зерна (Петч)

О 0,5 1 1,5 1 2,5 3 Легирующий элемент,°/о(ат.)

Рис. 20. Зависимость предела текучести, железа от содержания легирующих элементов замещения (Аллеи)

Значение ст,- феррита будет зависеть от твердорастворно-го упрочнения, плотности дислокаций, наличия дисперсных частиц, а Ку от наличия примесей внедрения в твердом растворе, блокировки дислокаций примесями, угла разо-риентировки границ. Для низкоуглеродистых сталей, феррита технической чистоты значения Ку составляет 0,57-0,73, .а для железа высокой чистоты 0,16-0,19 МПаКм.

Таким образом, чем меньше размер зерна, тем выше должна быть прочность феррита. Эффективность зерногра-ничного упрочнения определяется степенью измельчения зерна.

Важнейшей характеристикой стали является значение порога хладноломкости Гхл или температуры перехода Гпр из вязкого в хрупкое состояние, характеризующее склонность стали к хрупкому разрушению.