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 ^-переходным металлом. Его атомная масса 55,85; плотность 7,684-IO3 кг/м3; конфигурация внеш­них электронных оболочек 3d64s2; кристаллографические модификации — о. ц. к. (а – и 6-железо) и г. ц. к. (у-железо); параметры решетки: 0,286 нм (при +20 °С) для а-железа; 0,364 нм (при 950 0C) для у – железа; 0,293 нм (при 1425 °С) для б-железа; атомный радиус (по Гольдшмидту) 0,127 нм (К=8, о. ц. к. решетка); 0,124 нм (К—12, 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 вакуумироца – 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.).

С N

Зонное плавление…………………………………………… IO-5 10—5

Зонное плавление+300 ч рафини­рования в водороде 10—7 10—7

О O7OOI 0,003 0,005 0,007 C+N, % (по массе)

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

Зонное плавление +1000 ч рафи­нирования в Водороде…. IO-8 10—8

По степени чистоты железо условно принято делить на железо технической чистоты (Fe1^) и железо высокой сте­пени чистоты (Fesi4); к последнему относят материал с со­держанием всех примесей ^10_4%.

Температуры превращений в железе в сильной степени зависят от его чистоты. Ниже приведены температуры пре­вращений, 0C, в железе Fe1 .ч и FeB.4 (Д. С. Каменецкая, И. Б. Пилецкая В. М. Ширяев):

Рет. ч рев. ч

Плавление. . . , 1528—1535 1535—1540

6-vy………………………….. 1394*/1388 1394—1410*/1388

765—770

765

Y-Hx 851—895*/845—865 908—916*/874—908 Парамагнетик —

Ферромагнетик. .

* B 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 (<10~7%C+N) имеет предел текучести 21—30 и временное сопротивление 50 МПа. Уже при содержании примесей (C+N) ~ 10~4% временное сопротивление сос­тавляет 50—60 МПа, а в железе технической чистоты [(C+] +N)~10-3—Ю-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 (<тп-н). Для металлов оно считается приблизительно равным

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 состо­яние[3], также значительно увеличивается с ростом содержа­ния примесей внедрения: углерода, азота и кислорода (рис. 17). Наиболее чистое железо [<10"®% (C + N) и 10~5% О] имеет Tnр=—85 0C при содержании примесей [4-10"3% (C+N)+0] Гдр==—12°С. При большем содержа­нии примесей Tnv лежит выше комнатной температуры.

КСи, МДж1мг

-100 О 100

500

Примеси Внедрения, °/с

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

J, 2—(C+N<10—6 %; 0,%: / —<10~6; 2 — <10~’*• 3—9 — 0,002—0,0004 % (C+N); О, 3 — 0,001; 4 — 0,0037 ; 5 — 0,0046; 6 — 0,007; 7 — 0,011; « — 0,057; S — 0,27

Рис. 18. Влияние содержания прнмесей внедрения (/—<10 7 , %, 2—~10 ‘ 3—10 3, %) иа предел текучести (а) и прирост предела текучести Aar=

=До~"196°С — До+20°С (б) железа (В. И. Саррак, С. О. Суворова,

Т т

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 (С+N) около Ю-7 % предел текучести возрастает с понижением температуры незначительно. Наиболее существенно возрастает предел текучести при содержании примесей (Ю-3—Ю-4) % (рис. 18,а). При­рост предела текучести отожженного железа при изменении температу­ры от комнатной (+20 °С) до температуры жидкого азота (—196 0C) возрастает с увеличением концентрации примесей внедрения от IO-7 до 3- IO-4 % (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 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:

C= C0 exp (Е/kT), (4)

Где С — концентрация атомов внедрения на дислокации; C0 — средняя концентрация атомов внедрения в твердом растворе; E — энергия связи атома внедрения с полем упругих искажений дислокаций; T — темпера­тура; k — 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 (C0) ниже определенной температуры будут образовываться насыщен­ные атмосферы Коттрелла (C=I). 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 IO7—IO8 см-2, необходима концентрация атомов внедрения C+ +N — 10-4—IO-3 % (по массе). Это под­тверждается приведенными выше экспе­риментальными данными (см. рис. 17 и 18). Действительно, с увеличением концентрации примесей внедрения выше Ю-7 % температурная зависимость же­леза увеличивается (растет ЛсГт) до зна­чений концентрации примесей С0=ЗХ X103 % (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"4% 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. XIII, п. 1).