Полиморфизм железа и принципы формирования твердых растворов

Железо, как и любой металл, имеет кристаллическое строение, то есть атомы железа расположены в пространстве в определенном порядке. При этом можно выделить группу атомов, которые при мысленном копировании и перенесении смогут образовать этот порядок, иными словами, можно выделить элементарную ячейку кристаллической решетки.
Согласно [1, стр. 19] кристаллическая решетка — это «правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях».
При различных условиях (различных температуре и давлении) железо (Fe) имеет разную кристаллическую решетку. Для чистого Fe, например, при нормальном атмосферном давлении справедливо следующее: ниже 911°С  Fe имеет объемоцентрированную кубическую решетку (ОЦК), при 911—1392 °С– гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), выше 1392 °C – опять ОЦК [1, стр. 50].
Выше 1539 Fe плавится, и понятно, что никакой решетки нет.

 

1392—1539 °C и <911°С

Объемоцентрированная кубическая (ОЦК)

[1, стр. 25]

911—1392 °С

Гранецентрированная кубическая (ГЦК)

[1, стр. 25]

А почему это происходит? С чего вдруг в одних условиях у железа один порядок атомов, а в иных – другой. А потому, что в природе все самопроизвольно протекающие процессы протекают в том направлении, которое в новых условиях будет обладать меньшим запасом энергии. Посмотрим на водопад: мы ведь никогда не увидим такой картины, что вода течет вверх. Вода в высшей точке водопада обладает потенциальной энергией (E1=mgh1), а в нижней E0=mgh0, а если h1>h0, то и E1>E0.

 

Так и с металлом: при нормальном атмсферном давлении при температуре 1392—1539°C энергетически выгодным является состояние с ОЦК. С 911 до 1392 – более выгодно ГЦК.

С полиморфизмом мы закончили. Переходим к твердым растворам.
Слова «чистое железо» выше выделены неслучайно, поскольку мы ведь реально-то имеем дело со сталями, а не с чистым железом.

Стали – твердые растворы на основе железа, с содержанием углерода до 2%, в которых помимо железа присутствуют другие элементы [2 стр.5, 3], которые влияют на положение этих критических температур и на другие свойства (это, кстати, отдельная тема и тоже обещанная статья).

Одни из элементов попадают в стали не по воле металлургов, а частично переходят из сырьевого материала (руда, агломерат, чугун, металлолом), частично в процессе производства (раскисление алюминием, добавление марганца, обработка кальцием и т.п.), другие элементы добавляют специально для целенаправленного влияния на свойства. Одни элементы могут раствориться в железе, другие не могут.

Железо образует твердые растворы со многими элементами: с металлами — растворы замещения, с углеродом, азотом водородом — растворы внедрения [1, стр. 145].

Чем ближе размер атома к атому железа, тем вероятнее, что растворение будет по принципу замещения, например, таким будет раствор Ni или Co в железе. Это как с яблоками на картинке: размер один, а сорта разные.

Рассмотрим идеальную углеродистую сталь (это значит только железо и только углерод, и ничего более). Углерод, имея меньший атомный радиус, растворяется в железе по принципу внедрения. Представим, что среди стройных рядов высоких солдат на Красной площади кое-где засели гражданские или что среди яблок «Грени Смит» лежит «Китайка». Углерод как раз сидит в свободном пространстве кристаллической решетки между атомами железа, внедряется в свободное пространство.

Растворы внедрения и замещения можно различить один от другого, измеряя период решетки, например, с помощью рентгеноструктурного анализа или измерения плотности сплава.

Есть два интересных момента, которые указаны выше и которые связаны с полиморфным превращением:
1. при превращении меняется параметр решетки;
2. при превращении меняется тип решетки.
А интересные моменты заключаются в том, что в ГЦК решетке атомы железа стоят друг от друга дальше, центр ячейки вообще свободный (см. рис. выше). А что делать нашим растворенным атомам хрома и углерода, когда с понижением температуры происходит превращение ГЦК в ОЦК? А тут как в игре со стульями, кто успел – тот и сел, остальные – из игры выбывают. То есть часть атомов остается в решетке, а другим придется уходить за ее пределы, например, образуя соединения. Углерод, например, когда уходит, может прихватить с собой как атомы хрома, так и железа, и образует с ними карбиды.
В следующей статье разберем вопрос микроструктур подробнее.

Ссылки

1. Гуляев А.П. — Металловедение, М. «Металлургия», 1986, 282 с.

2. Steel Manual

3. EN 10020

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.





coded by nessus

Рубрика: Легирование. Метки: . Добавьте постоянную ссылку на эту страницу в закладки.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *