Кристаллическая решетка железа: Модель “Кристаллическая решетка железа” (демонстрационная)

alexxlab | 03.06.1977 | 0 | Разное

микроструктура и кристаллическая решетка – steel-guide.info

Стали на 95 % состоят из железа. Поэтому хорошим началом для их понимания является изучение природы твердого железа. Небольшой кусок железа состоит из миллионов маленьких кристаллов – зерен. Типичный размер зерна от 30 до 50 микрометров. Границы между кристаллами называют границами зерен. Зерна вместе с границами между ними составляют микроструктуру железа.

Микроструктура железа

Возьмем пруток из чистого железа, например, диаметром 25 мм.  Из него вырежем диск в форме большой монеты. Поверхность этого диска отполируем, начиная с самой грубой полировки, и постепенно дойдем до самой тонкой, пока плоскость образца не будет иметь вид зеркала. Затем этот зеркальный диск погружаем приблизительно на 20-30 секунд в смесь с 2-5 % азотной кислоты с метиловым спиртом. Этот процесс называется травлением, после которого зеркальная поверхность нашего образца становится мутного серого цвета.

Если на эту поверхность посмотреть в оптическом микроскопе при увеличении 100х, то мы обнаружим картину, показанную справа на рисунке 1 – это и есть микроструктура железа.

Рисунок 1 – Микроструктура железа

Отдельные области микроструктуры , которые пронумерованы от 1 до 5, называются зернами железа, а границы между ними (такая как между зернами 4 и 5 и на которую указывает стрелка) называются границами зерен. Средний размер зерна весьма мал. При увеличении 100х этой фотографии длина 200 мкм показана обоюдоострой стрелкой.

Средний диаметр зерна в этом образце составляет 125 мкм (напомним, что 1 мкм = 1 микрометр = 0,001 мм). Микрометр (его иногда по старинке называют микроном) довольно маленькая величина. Толщина алюминиевой фольги и человеческого волоса равна приблизительно 50 мкм.  Хотя размер зерна нашего образца кажется весьма малым, он намного больше, чем у большинства промышленных железных прутков.

Кристаллическая решетка железа

Основными строительными блоками твердых веществ, таких как соль или лед, являются молекулы. Каждая молекула состоит из двух или более атомов, например, натрий+хлор (NaCl), как у поваренной соли и водород+кислород, как у льда (H₂O). В металлах, однако, такими строительными блоками являются отдельные атомы металла: атомы железа (Fe) в железном прутке или меди (Cu) в медной проволоке. Каждое зерно на рисунке 1 есть то, что называется кристаллом. В кристалле, который состоит из атомов, все атомы однородно расположены по слоям. Как показано на рисунке 2, если провести линии, которые соединяют центры атомов, то трехмерные ряды маленьких кубиков заполнят все пространство, занимаемое отдельным зерном. Эту трехмерную структуру и называют кристаллической решеткой атомов.  

Рисунок 2 – Кристаллическая решетка железа

Кристаллическая решетка феррита

В железе при комнатной температуре эти кубики имеют атомы в каждой из восьми углов и один атом прямо в центре куба. Эту

кристаллическую решетку называют объемноцентрированной, а геометрическое расположение атомов называют объемноцентрированной решеткой. Железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой называют ферритом.  Другое название для феррита – альфа-железо или α-железо.

Микроструктура железа: как образуются границы зерен

Природа границы зерен показана в нижней части рисунка 2. Эта граница является поверхностью, вообще неплоской, вдоль которой пересекаются два зерна с различной ориентацией. Плоскость А зерна 4 находится под значительно более крутым углом, чем плоскость А зерна 3. Если повернуть зерно 4 по часовой стрелке до совпадения с плоскостью А зерна 3, то граница зерна исчезнет и два зерна станут одним большим зерном.

Почему микроструктура так хорошо видна по микроскопом?

Для выявления микроструктуры железо (или сталь) травится в кислоте, его атомы химически удаляются с поверхности. Скорость удаления атомов железа при травлении образца зависит от ориентации кристалла, с которой он воздействует с кислотой. Поскольку каждое зерно представляет различную ориентацию, каждое зерно стравливается с различной скоростью. Например, плоскости, которые образуют грани объемноцентрированных кубов, травятся намного медленнее, чем другие кристаллические плоскости. Поэтому после некоторого периода травления по границам зерен образуются малые ступеньки, как это показано на рисунке 3. Например, по границе быстро травящегося зерна можно видеть ступеньку к окружающим его зернам. Эта ступенька обычно хорошо рассеивает свет и границы выглядят как темные линии.  Так микроструктура становится видимой при наблюдении в микроскоп. 

Рисунок 3 – Выявление микроструктуры железа          

Источник: John D. Verhoeven 

Возмущения кристаллической решетки объяснят свойства сверхпроводников на основе железа

Weiyi Wang et al./ Nature Communications, 2018

Физики обнаружили, что в сверхпроводниках на основе арсенида железа, у которых сверхпроводящие свойства появляются из антиферромагнитного состояния, при температурах значительно выше критической в тетрагональной кристаллической структуре возможно возникновение ромбических возмущений. В будущем возможность возникновения таких возмущений поможет связать между собой спиновые, магнитные и сверхпроводящие свойства этих материалов и объяснить их необычные свойства, пишут ученые Nature Communications.

Сверхпроводящие свойства сверхпроводников на основе арсенидов железа непосредственно связаны с возникновением магнитного порядка в кристалле. Из-за взаимодействия спинов электронов как между собой, так и с атомами кристаллической решетки, в таких материалах возможно образование большого количества фаз с тремя типами свойств — сверхпроводимостью, магнетизмом и возникновением анизотропной нематической структуры, при которой спины электронов выстраиваются в цепочки и образуют анизотропную структуру. Подробнее о сверхпроводящих материалах на основе арсенидов железа и возникающих в них фазовых переходах можно прочитать в нашем материале «Ниже критической температуры». Интересно, что несмотря на взаимосвязь магнитного порядка, спиновой структуры и сверхпроводящих свойств, в общем случае переход в каждое из возможных состояний происходит при своей температуре. Эти материалы были открыты сравнительно недавно, поэтому точные механизмы перестройки кристаллической и спиновой структуры в них до конца не изучены.

Чтобы более детально изучить процессы, которые определяют фазовые переходы в таких сверхпроводниках, ученые из США, Китая и Германии под руководством Пэнчэна Дая (Pengcheng Dai) из Университета Райса с помощью метода рассеяния нейтронов исследовали фазовую диаграмму материала состава NaFe

1−xNi_xAs. В экспериментах ученые изменяли температуру и состав кристаллов и следили за структурой кристаллической решетки и упорядочением спинов электронов.

Образцы исследованных сверхпроводников на основе арсенида железа с различным содержанием никеля

Rice University

Как и для других материалов этого класса сверхпроводников, для исследованного соединения характерно наличие антиферромагнитного и сверхпроводящего состояния. Переход в каждую из них происходит при своей температуре: при охлаждении сначала достигается температура Нееля T_N (при которой материал приобретает магнитный порядок и переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное), а затем при критической температуре T

C около −255 градусов Цельсия электроны образуют куперовские пары, и кристалл становится сверхпроводником.

Возможность магнитного перехода в этих материалах связана с тем, что еще до него (при температуре T_S ≥ T_N) происходит смена кристаллической структуры с тетрагональной (в которой элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, у которого по двум измерениям стороны одинаковые, а по третьему — отличается) на ромбическую (с ячейкой тоже в форме прямоугольного параллелепипеда, но у которого уже все три стороны — разные по длине).

Кристаллическая структура магнитной фазы исследованного материала и схематическое изображение структурных и фазовых переходов в кристалле при понижении температуры

Weiyi Wang et al./ Nature Communications, 2018

Известно также, что кроме этих трех фазовых переходов, при понижении температуры также происходит постепенное возникновение анизотропной нематической спиновой структуры, которая в дальнейшем влияет и на магнитный, и на сверхпроводящий переходы. Считалось, что нематический фазовый переход непосредственно связан с нарушением симметрии при смене типа кристаллической структуры.

Однако результаты проведенных экспериментов показали, что при относительно высоких температурах, когда кристалл еще находится в тетрагональном состоянии, в решетке могут возникать небольшие возмущения. Появление этих возмущений приводит к локальному нарушению симметрии и появлению в тетрагональной решетке небольших ромбических областей. Оказалось, что эти возмущения влияют и на возникновение нематической спиновой структуры. По словам физиков, обычно процесс возникновения упорядоченной структуры спинов конкурирует с появлением куперовских пар, необходимых для образования сверхпроводящего состояния, однако в данном случае эти флуктуации спиновой структуры изменяют температурную зависимость фазовых переходов и помогают кристаллу стать сверхпроводником.

Ученые отмечают, что обнаруженные возмущения кристаллической структуры наблюдаются не только в кристаллах с небольшим содержанием никеля, для которого характерны все три типа фазовых переходов (структурный, магнитный и сверхпроводящий), но и в соединениях, в которых никеля больше 1,2 процента, хотя в них вообще не наблюдается структурный переход (и соответственно, нет магнитной фазы), но возможно образование сверхпроводящего состояния. При этом, однако, в сверхпроводящем состоянии все эти возмущения полностью подавляются.

Полученные данные авторам также удалось подтвердить с помощью компьютерного моделирования. Исследователи утверждают, что в будущем возможность возникновения ромбических флуктуаций в тетрагональном кристалле при относительно высоких температурах поможет более точно объяснить механизмы и причины возникновения сверхпроводящих свойств в материалах на основе арсенидов железа и связать эти свойства с изменениями нематической спиновой структуры.

Впервые возможность существования в этом классе материалов сверхпроводящего состояния без магнитного упорядочения физики обнаружили в прошлом году. C помощью нейтронной дифракции ученые обнаружили, что в сверхпроводнике состава ThFeAsN в окрестности критической температуры не происходит перестройки магнитной и кристаллической структуры.

Александр Дубов

Кристаллическая решетка – железо – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Кристаллическая решетка – железо

Cтраница 1

Кристаллическая решетка железа при комнатной температуре – кубическая объемно центрированная. Это означает, что элементарной ячейкой является куб, во всех вершинах которого, а также в центре – на пересечении пространственных диагоналей – находятся атомы железа. Сколько атомов приходится на объем, равный объему одной элементарной ячейки в кристалле железа.  [1]

Кристаллическая решетка железа кубическая. Молярная масса железа А 56 10 – 3 кг / моль.  [2]

Кристаллическая решетка железа относится к системе кубических объемно-центрированных решеток. Определите магнитный момент, приходящийся на один атом железа, в магнетонах Бора.  [3]

Кристаллическая решетка железа кубическая.  [4]

Искажение кристаллической решетки железа, увеличивающееся по мере увеличения разницы в атомных размерах, оказывает влияние на свойства феррита. Практически все элементы при содержании больше 1 % снижают ударную вязкость феррита. Исключение составляет только никель.  [5]

Искажение кристаллической решетки железа, увеличивающееся по мере увеличения разницы в атомных размерах, оказывает влияние на свойства феррита. Практически все элементы при содержании больше 1 % снижают ударную вязкость феррита.  [7]

Например, кристаллическая решетка железа имеет кубическую форму, причем различают модификации: центрированный куб Fe a ( фиг. Гексагональная форма решетки свойственна цинку, кадмию и другим цветным металлам ( фиг.  [8]

Кислород в кристаллической решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа FeO, Fe203 и других элементов. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластические свойства стали.  [9]

Углерод, растворенный в гранецентрированной кристаллической решетке железа, понижает температуру ее перекристаллизации в объемно-центрированную. Полная перекристаллизация заканчивается при температуре 727 С. Формирование структуры заканчивается при температуре 727 С, когда еше не распавшийся аустенит переходит в перлит. Процесс превращения аустенита в перлит протекает за определенный промежуток времени. Наиболее наглядно этот процесс прослеживается на стали, содержащей 0 8 % углерода. Такая сталь до температуры 727 С состоит из одного аустенита. При температуре 727 С определенное время сталь продолжает иметь структуру аустенита, затем происходит перекристаллизация граиецептрнрованпей кристаллической решетки железа в объемно-центрированную. Сразу же после перекристаллизации внутри объемно-центрированной кристаллической решетки железа остается 0 8 %, углерода, столько же, сколько било внутри гранецентрированной. Однако при температуре 727 С внутри объемно-центрированной кристаллической решетки может быть растворено только 0 025 % углерода. Поэтому избыточный против этого количества углерод выделяется из кристаллической решетки железа. Выделившиеся атомы углерода вступают во взаимодействие с железом, образуя цементит.  [10]

Вследствие значительной разницы в кристаллических решетках железа и графита и наличия сильных связей в растворе между железом и углеродом энергетически выгоднее, чем графиту, кристаллизоваться из раствора промежуточной фазе – цементиту. При наличии готовой зародышевой фазы ( с размером не меньше критического) возможна при длительных выдержках, повышенных температурах и медленном охлаждении непосредственная кристаллизация графита ив пересыщенных растворов.  [11]

Различие размеров протонов и параметров кристаллической решетки железа ( не менее чем на пять порядков) обусловливает протекание диффузии путем перемещения протонов через междоузлия.  [12]

Любое внедрение атомов углерода в кристаллическую решетку железа энергетически не выгодно, так как это приводит к ее деформации и искажению. Скопления атомов углерода могут привести к образованию не пластинчатого, а замкнутого, в виде фуллеренов, строения.  [14]

Образовавшийся перенасыщенный раствор углерода в объемно-центрированной кристаллической решетке железа называют мартенситом.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении :: Технология металлов

Строение стали

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

 

 

Рис. 1. Строение    кристаллической    решетки:    а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

 

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

 

 

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

 

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

 

 

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

 

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки A_C1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A_6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe₃C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм² по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше R_c= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

 

 

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного   перлита и называется   эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

 

 

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а – с содержанием углерода -0,1%

б – с содержанием углерода -0,85%

в – с содержанием углерода -1,1%

 

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке A_с1 перлит переходит в аустенит.
2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К₁  перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К₁на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К₂— верхней критической точкой А_с1,.
3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При температуре 723° в точке Pi перлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение закончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней критической точкой Ас1, а точка Ρ2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозначается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии А_cт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки A_Cl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры – мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

 

 

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

б — сорбит.

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей,   и   мартенсит   образуется   при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже A_с1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.  

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

 

 

Рис. 7.  Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А _с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия М_н — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью R_c=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Основные сведения о металлических материалах | Основы металлургии

Современная судостроительная промышленность потребляет большое количество черных и цветных металлов. Металлы являются веществами кристаллическими. Большинство металлов имеет один из следующих видов кристаллических решеток: объемно центрированную кубическую (о. ц. к.) — Cr, Mo, V и др.; гранецентрированную кубическую (г. ц. к.) — Ni, Аl, Cu и др.; гексагональную плотноупакованную (г. п. у.) — Mg, Zn, Cd и др.

Ряд металлов изменяют вид кристаллической решетки в зависимости от температуры. Это явление называют полиморфизмом. Например, железо может находиться в двух полиморфных модификациях: Fe α (α -железо) с о. ц. к. решеткой, устойчивой в двух температурных интервалах — ниже 911 и от 1392 до 1539 °С [высокотемпературная модификация иногда обозначается Feδ (δ-железо)]; Feγ (γ-железо) с г. ц. к. решеткой в диапазоне температур 911—1392 °С. Кроме железа полиморфные превращения претерпевают титан, марганец, кобальт и другие металлы.

Реальная кристаллическая структура имеет большое количество несовершенств (дефектов), которые по своим геометрическим признакам делятся на точечные (вакансии, примесные атомы), линейные (дислокации) и поверхностные (границы зерен). Плотность и характер распределения дефектов во многих случаях оказывают существенное влияние на механические свойства металлов.

Наиболее распространенным конструкционным материалом в судостроении является сталь — сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %.

Фазовый состав и структура сталей в зависимости от концентрации углерода и температуры описываются с помощью диаграммы, представленной на рис. 2.1. На оси абсцисс указано содержание углерода по массе. На оси ординат отмечены критические точки, соответствующие температурам фазовых превращений в чистом железе. Температуры 911 (точка G) и 1392 °С (точка N) являются температурами превращения Fe α ↔ Feγ, а 1539 °С (точка А) — температура плавления железа. В структуре сплавов в твердом состоянии образуются фазы: феррит, аустенит и цементит.

Феррит (Ф или α) — твердый раствор углерода в α -железе. Предельная растворимость углерода в феррите составляет 0,02 % при 727 °С (точка Р на диаграмме) и 0,1 % — при 1499 °С (точка Я). Эта фаза в структуре сплава обладает низкой твердостью и прочностью (НВ = 800 МПа, σв = 250ч÷300 МПа), но высокой пластичностью (6 = 50 %).

Аустенит (А или γ) — твердый раствор углерода в γ -железе (до 2,14 % углерода растворяется при 1147 °С — точка Е диаграммы). Он отличается невысокой прочностью (НВ до 200 МНа) и высокой пластичностью.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (карбид железа). Оно содержит 6,67 % углерода. Механические свойства цементита характеризуются высокой твердостью (НВ = 8000 МПа), но очень низкой пластичностью. Так как растворимость углерода в α -железе мала, при комнатной температуре он практически полностью связан в цементите.

Области феррита ограничены линиями GPQ и AHN, а область аустенита — линией NIESG. Линия ABC является линией ликвидус, выше которой все сплавы системы железо — углерод находятся в жидком растворе  (на этой линии лежат точки начала кристаллизации при охлаждении). Линия AHIEC — линия солидус, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии (линия, на которой лежат все точки конца кристаллизации сплавов).

Все сплавы системы железо — углерод, содержащие до 2,14 % С, после охлаждения до линии NIE приобретают аустенитную структуру.

Железо

Железо
Атомный номер	26
Внешний вид простого вещества	ковкий, вязкий металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	55,847 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	126 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	759,1 (7,87) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d6 4s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	117 пм
Радиус иона	(+3e) 64 (+2e) 74 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,83
Электродный потенциал	Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В
Степени окисления	6, 3, 2, 0, −2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	7,874 г/см³
Молярная теплоёмкость	25,14[1]Дж/(K·моль)
Теплопроводность	80,4 Вт/(м·K)
Температура плавления	1812 K
Теплота плавления	247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль
Температура кипения	3134 K
Теплота испарения	~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль
Молярный объём	7,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	2,866 Å
Отношение c/a	—
Температура Дебая	460 K

 

Fe	26
55,847
[Ar]3d64s2
Железо

Железо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

 

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2 % углерода) и чугун (более 2 % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

История

Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: «сидер» (а на латыни это слово значит «звёздный»).

Изделия из железа, полученного искусственно, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию и острова Средиземного моря (4—3-е тысячелетие до н. э.). Самый древний железный инструмент из известных — стальное долото, найденное в каменной кладке пирамиды Хеопса в Египте (построена около 2550 года до н. э.). Железо часто упоминается в древнейших (3-е тысячелетие до н. э.) текстах хеттов, основавших свою империю на территории современной Анатолии в Турции. Например, в тексте хеттского царя Анитты (около 1800 года до н. э.) говорится:

Когда на город Пурусханду в поход я пошел, человек из города Пурусханды ко мне поклониться пришел (…?) и он мне 1 железный трон и 1 железный скипетр (?) в знак покорности (?) преподнес.

В этом тексте железо обозначается словом «par-zi-lum» (сравните латинское «ferrum» и русское «железо»), что, скорее всего, значит «олово всадников» — от древнеарийских слов «PARSA» или «FERSY» (всадник — сравните этноним «персы», отсюда же шахматная фигура «ферзь», и латинские слова «persona» и «partia»), и корня «ZIL» (олово, и вообще белый металл).

В древности мастерами железных изделий слыли халибы, которых Геродот перечисляет в числе эллинских племён Малой Азии, подвластных Крезу. Халибы жили на севере державы Хеттов, у побережья Чёрного моря возле устья реки Галис (современный г. Самсун в Турции), и от их имени происходит греч. Χάλυβας — «сталь». Аристотель описал их способ получения стали: халибы несколько раз промывали речной песок их страны — видимо, таким способом (теперь это называют флотацией) выделяли тяжёлую железосодержащую фракцию породы, добавляли какое-то огнеупорное вещество, и плавили в печах особой конструкции; полученный таким образом металл имел серебристый цвет и был нержавеющим. Из этого процесса, видимо, возникло и название «руда», которое на латыни значит «мокрый» — то есть, «вымытый».

 

В качестве сырья для выплавки стали использовались магнетитовые пески, которые часто встречаются по всему побережью Чёрного моря: эти магнетитовые пески состоят из смеси мелких зёрен магнетита, титано-магнетита или ильменита, и обломков других пород, так что выплавляемая халибами сталь была легированной, и обладала отличными свойствами. Такой своеобразный способ получения железа не из руды говорит о том, что халибы, в основном, распространили железо как технологический материал, но их способ не мог быть методом повсеместного промышленного производства железных изделий. Однако их производство послужило толчком для дальнейшего развития металлургии железа.

 

Судя по греческому названию инструментальных металлов χαλκός (это слово обозначает и бронзу, и железо), можно понять, что арийские племена нашли способ выделки железа во время перехода в Азию через Кавказ, а именно — в Колхиде (др.-греч. Κολχίς), так как другого удобного сухопутного пути из Европы в Азию не было. Пройдя степи Причерноморья, они оставили многочисленные памятники культуры бронзового века (так называемая «пахотно-скотоводческая культура»), и двинулись дальше — на юг. Конечно же, по пути они искали сырьё для изготовления бронзовых орудий, и так обнаружили свойства причерноморских песков, дающих новый твёрдый металл — железо. Видимо, сперва они приняли его за олово (первые металлурги плохо различали металлы), и это подтверждается также тем, что название «сталь» в языках северных арийцев (романских, германских, славянских) явно происходит от слова «STANN» через аберрацию N-L, а у римлян это слово обозначало олово. То есть, пытаясь найти олово для бронзы, они обнаружили металл, который оказался крепким и без сплавления с медью, и стали называть его по аналогии с оловом. Найденный тогда способ выплавки стальных изделий не позволял получать их в больших количествах, однако использовался более тысячи лет, пока не была разработана технология выплавки железа из руды, добываемой в копях.

 

Климент Александрийский в своём энциклопедическом труде «Строматы» упоминает, что по греческим преданиям железо (видимо, выплавка его из руды) было открыто на горе Иде — так называлась горная цепь возле Трои (в Илиаде она упоминается как гора Ида, с которой Зевс наблюдал за битвой греков с троянцами). Произошло это через 73 года после Девкалионова потопа, а этот потоп, согласно Паросской хронике, был в 1528 году до нашей эры, то есть метод выплавки железа из руды был открыт примерно в 1455 году до н. э. Однако из описания Климента не ясно, говорит ли он именно об этой горе в Передней Азии (Ида Фригийская у Вергилия), или же о горе Ида на острове Крит, о которой римский поэт Вергилий в Энеиде пишет:

 

Остров Юпитера, Крета, лежит средь широкого моря,

Нашего племени там колыбель, где высится Ида …

А римляне, как известно, были потомками малоазиатских троянцев, переселившихся в Италию после разрушения Трои. Могила их предводителя Энея до сих пор существует в местечке Пратика-ди-Маре возле Рима, и в ней был обнаружен железный жезл — символ власти, и другие предметы из железа и бронзы.

Более вероятно, что Климент Александрийский говорит именно о фригийской Иде возле Трои, так как там были найдены древние железные копи и очаги железоделательного производства. Видимо, ознакомившись с методом халибов, древние троянцы развили свой способ выплавки стали из руды, оказавшийся более производительным.

 

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1 : 160 : 1280 : 6400. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие 3,11 описан «одр железный» рефаимского царя Ога. В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до н. э.) был найден кинжал из железа в золотой оправе — возможно, подаренный хеттами в дипломатических целях. Но хетты не стремились к широкому распространению железа и его технологий, что видно и из дошедшей до нас переписки египетского фараона и его тестя — царя Хеттов. Фараон просит прислать побольше железа, а царь хеттов уклончиво отвечает, что запасы железа иссякли, а кузнецы заняты на сельскохозяйственных работах, поэтому он не может выполнить просьбу царственного зятя. Как видно, хетты старались использовать свои знания для достижения военных преимуществ, и не давали другим возможности сравняться с ними. Видимо, поэтому железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны и падения державы хеттов, когда благодаря торговой активности греков технология железа стала известной многим, и были открыты железные месторождения и рудники. Так на смену «Бронзовому» веку настал век «Железный».

 

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл. Например, в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. Это железо ахейцы добывали у троянцев и сопредельных народов (Илиада 7,473), в том числе у халибов, которые воевали на стороне троянцев:

 

Прочие мужи ахейские меной вино покупали,

Те за звенящую медь, за седое железо меняли,

Те за воловые кожи или волов круторогих,

Те за своих полоненых. И пир уготовлен веселый…

Возможно, железо было одной из причин, побудивших греков-ахейцев двинуться в Малую Азию, где они узнали секреты его производства. А раскопки в Афинах показали, что уже около 1100 года до н. э. и позднее уже широко были распространены железные мечи, копья, топоры, и даже железные гвозди. В библейской книге Иисуса Навина 17,16 (ср. Судей 14,4) описывается, что филистимляне (библейские «PILISTIM», а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги) имели множество железных колесниц, то есть, в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.

Гомер в «Илиаде» и «Одиссее» называет железо «многотрудный металл», и описывает закалку орудий:

Расторопный ковач, изготовив топор иль секиру,

В воду металл, раскаливши его, чтоб двойную

Он крепость имел, погружает…

Гомер называет железо многотрудным, потому что в древности основным методом его получения был сыродутный процесс: перемежающиеся слои железной руды и древесного угля прокаливались в специальных печах (горнах — от древнего «Horn» — рог, труба, первоначально это была просто труба, вырытая в земле, обычно горизонтально в склоне оврага). В горне окислы железа восстанавливаются до металла раскалённым углём, который отбирает кислород, окисляясь до окиси углерода, и в результате такого прокаливания руды с углём получалось тестообразное кричное (губчатое) железо. Крицу очищали от шлаков ковкой, выдавливая примеси сильными ударами молота. Первые горны имели сравнительно низкую температуру — заметно меньше температуры плавления чугуна, поэтому железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Чтобы получить крепкую сталь приходилось много раз прокаливать и проковывать железную крицу с углём, при этом поверхностный слой металла дополнительно насыщался углеродом и упрочнялся. И хотя это требовало больших трудов, изделия, полученные таким способом, были существенно более крепкими, чем бронзовые.

В дальнейшем научились делать более эффективные печи (в русском языке — домна, домница) для производства стали, и применили меха для подачи воздуха в горн. Уже римляне умели доводить температуру в печи до плавления стали (около 1400 градусов, а чистое железо плавится при 1535 градусах). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100—1200 градусов, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке), и не обладающий упругостью стали. Первоначально его считали вредным побочным продуктом (англ. pig iron, по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилось, что при повторном прожигании в печи с усиленным продуванием воздуха чугун превращается в сталь хорошего качества, так как лишний углерод выгорает. Такой двухстадийный процесс производства стали из чугуна оказался более простым и выгодным, чем кричный, и этот принцип используется без особых изменений многие века, оставаясь и до наших дней основным способом производства железных материалов.

Происхождение названия

Схема атома железа (условно)

Версии происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, болг. желязо, укр. залізо, польск. Żelazo, словен. Železo).

 

Наиболее вероятно, что это название происходит от древнеарийского корня «ZIL», которым обозначали олово и вообще белые металлы (в том числе серебро — «zilber», и название «цинк» получилось из этого же слова аберрацией L-N). От него же, видимо, происходит и санскритское «жальжа», что означает «металл, руда». Другая версия усматривает в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия), третье связывает с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь. Есть также связь между словом «желе» и студнеобразной консистенцией «болотной руды», из которой некоторое время добывался металл.

 

Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от sidereus — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Изотопы железа

Изотоп железа ⁵⁶Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд, а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых.

Геохимия железа

Гидротермальный источник с железистой водой. Окислы железа окрашивают воду в бурый цвет

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %.

Геохимические свойства железа

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe₂O₃ характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe²⁺ близок к ионам Mg²⁺ и Ca²⁺ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe₂O₃; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe₂O₄, Fe₃O₄; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH₂O), а также шпатовый железняк (сидерит, карбонат железа(II), FeCO₃; содержит около 48 % Fe). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe(₃PO₄)₂·8H₂O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа — пирит FeS₂ (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. Содержание железа в морской воде — 1×10⁻⁵—1×10⁻⁸ %.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

2C + O₂ → 2CO↑.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂↑.

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):

CaCO₃ → CaO + CO₂↑.

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃.

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор — обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Физические свойства

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу^[4], 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.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

• От абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в α-железе называется ферритом.

• От 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

• От 910 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в δ-железе (также как и в α-железе) называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо — углерод).

• В области высоких давлений (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.

Химические свойства

Основные степени окисления железа — +2 и +3.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe₂O₃·xH₂O.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₃O₄, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe₂O₃. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200—300 °C. При хлорировании железа (при температуре около 200 °C) образуется летучий FeCl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeCl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа(II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η⁵-C₅H₅)₂Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная плёнка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑;

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑.

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа(III):

2Fe + 6H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O.

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)₂. Оксид железа(III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)₂, основание Fe(OH)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O.

Гидроксид железа(III) Fe(OH)₃ проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(OH)₃ + 3КОН → K₃[Fe(OH)₆].

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)₃.

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ → 3FeCl₂.

При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) до железа(III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)Cl₂.

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂O.

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ — железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ — железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) образуются соединения железа(VI) — ферраты, например, феррат(VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа(VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами SCN^–. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами SCN^– образуется ярко-красный роданид железа Fe(SCN)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтой кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]⁴⁻ выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

4K₄[Fe(CN)₆] + 4Fe³⁺ → 4KFe^III[Fe^II(CN)₆]↓ + 12K⁺.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe²⁺ и [Fe(CN)₆]³⁻ выпадает осадок турнбулевой сини:

3K₃[Fe(CN)₆] + 3Fe²⁺ → 3KFe^II[Fe^III(CN)₆]↓ + 6K⁺.

Интересно, что берлинская лазурь и турнбулева синь — две формы одного и того же вещества, так как в растворе устанавливается равновесие:

KFe^III[Fe^II(CN)₆] ↔ KFe^II[Fe^III(CN)₆].

Применение

Железная руда

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

• Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.

  Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.

  Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.

  Ультрадисперсный порошок магнетита используется в черно-белых лазерных принтерах в качестве тонера.

  Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.

  Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.

  Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.

  Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Биологическое значение железа

 

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 75 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

 

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

 

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

 

Неорганические соединения железа встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

 

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа — был потерян «лишний» ноль после запятой).

 

Суточная потребность человека в железе следующая: дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности — 33 мг. У женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс).

 

Содержание железа в воде больше 1—2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

 

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

 

Соединения железа

Оксиды железа

Гидроксиды железа

Железнение

Железо самородное

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=mgh2), а в нижней E0=mgh0, а если h2>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.

Поделиться ссылкой:

Вам также могут быть интересны эти статьи

coded by nessus

Структура железа | SpringerLink

• Werner Pepperhoff
• Mehmet Acet

Часть Инженерные материалы серия книг (ENG.MAT.)

Abstract

Железо имеет две различные кристаллические структуры при атмосферном давлении: объемно-центрированную кубическую (ОЦК) и гранецентрированную кубическую (ГЦК). В основном состоянии ОЦК α-фаза устойчива, и при температуре T = 1184 К (точка A ₃ ) α-Fe переходит в ГЦК α-Fe, которая устойчива до 1665 К (A ₄ точка).Выше этой температуры железо снова превращается в ОЦК-фазу (σ-Fe), которая остается стабильной до температуры плавления T _m = 1809 K. Поскольку α и σ-Fe изоморфны, их обычно не различают. в bcc Fe. Стали с ОЦК и ГЦК структурой обычно называют «ферритом» и «аустенитом» соответственно. Температура кипения железа около 3300 К. Третья форма железа, имеющая гексагональную плотноупакованную структуру (ГПУ), может быть стабилизирована при высоких давлениях.

Ключевые слова

Трехточечный атомный объем Икосаэдрическая структура Ромбический додекаэдр Железо Железо

Эти ключевые слова были добавлены машиной, а не авторами. Это экспериментальный процесс, и ключевые слова могут обновляться по мере улучшения алгоритма обучения.

Это предварительный просмотр содержимого подписки,

войдите в

, чтобы проверить доступ.

Предварительный просмотр

Невозможно отобразить предварительный просмотр. Скачать превью PDF.

Ссылки

1. 1.

   Х. М. Стронг, Р. Э. Тафт, Р. Э. Ханнеман, Металл, Пер.

   4

   , (1973) 2657

   CrossRefGoogle Scholar

2. 2.

   L. Lin-Gun, W. A. ​​Bassett, J. Geophys. Res.

   80

   , (1975) 3777

   CrossRefGoogle Scholar

3. 3.

   Л. К. Кауфман, Э. В. Клогерти, Р. Дж. Вайс, Acta Met.

   11

   , (1963) 223

   CrossRefGoogle Scholar

4. 4.

   F. P.Банди, J. Appl. Phys.

   36

   , (1965) 616

   CrossRefGoogle Scholar

5. 5.

   П. М. Джайлс, М. Х. Лангенбах, А. Р. Мардер, J. Appl. Phys.

   42

   , (1971) 4290

   CrossRefGoogle Scholar

6. 6.

   J. M. Leger, C. Susse, B. Vodar, Solid State Commun.

   4

   , (1966) 503

   CrossRefGoogle Scholar

7. 7.

   G. Cort, R. D. Taylor, J. O. Willis, J. Appl.Phys

   53

   , (1982) 2064

   CrossRefGoogle Scholar

8. 8.

   GP Görler, DFVLR, IB 333–86 / 4, 9

   Google Scholar

9. 9.

   H. Micklitz, DFVLR, IB 333–86 / 4, 10

   Google Scholar

10. 10.

    WB Pearson,

    Справочник по интервалам решеток металлов и сплавов

    , (Пергамон, Нью-Йорк, 1958)

    Google Scholar

11. 11

    KH Jack, Proc.Рой. Soc. (A)

    208

    , (1951) 200

    CrossRefGoogle Scholar

12. 12.

    R. C. Ruhl, M. Cohen, Trans. AIME

    245

    , (1969) 241

    Google Scholar

13. 13.

    Н. Ридли, Х. Стюарт, Л. Зуэлл, пер. AIME

    245

    , (1969) 1834

    Google Scholar

14. 14.

    S. V. Radcliffe, M. Schatz, Acta Met.

    10

    , (1962) 201

    CrossRefGoogle Scholar

15. 15.

    M Acet, H. Zähres, E. F. Wassermann, W. Pepperhoff, Phys. Rev. B

    49

    , (1994) 6012

    CrossRefGoogle Scholar

16. 16.

    Х. Р. Мао, В. А. Бассет, Т. Такахаши, Дж. Апл. Phys.

    38

    , (1967) 272

    CrossRefGoogle Scholar

Информация об авторских правах

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001

Авторы и аффилированные лица

• Вернер Пепперхофф
• Mehmet Acet 932199
Rheurdt, Германия
• 2.TieftemperaturphysikGerhard-Mercator Universität Duisburg, Дуйсбург, Германия

4.2.2 Быть железом

© H. Föll (шрифт Iron, Steel и Swords)

	4.2.2 Быть железом
	Опять же: Около 30% всех металлов, включая железо, неужели не хочет быть рядом упакованы. Они считают, что наличие 12 близких соседей, таких как вульгарные fcc и hcp металлов многовато; 8 должно быть достаточно хорошо. Почему ? Вы узнаете, как только узнаете настоящее имя тех атомы. Это, конечно, секрет, поэтому все, что я могу сказать, это то, что эти атомы притягивают другие атомы тоже во всех направлениях, но несколько больше в 8 особых направлениях Как это учесть, когда мы снова начнем складывать шары?
		Это просто: просто начните с упаковки ваши апельсины прямо на нижнем слое вместо шестиугольника.В результате вы получаете то, что мы называем “объемно-центрированным кубическим кристаллом “. решетка, или bcc для краткости, как показано ниже. Почему этот тип кристаллической решетки получил название «тело ». по центру “очевидно, если вы посмотрите на правый рисунок. также обратите внимание, что особые направления склеивания не находятся в той плоскости, в которой мы делаем квадратная упаковка, но по диагоналям.
		Объемно центрированный куб (ОЦК) кристалл Как мы складываем атомы, когда делаем кристалл железа. Полученная объемно-центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая решетка. Красные линии показывают предпочтительное соединение. направления.
	Мы рассмотрели аттракционы в во всех направлениях , что дает плотно упакованный элемент кристаллы и аттракционы во всех направлениях, но с некоторыми предпочтениями в особых направления, дающие (среди прочего) структуру bcc сверху. Если только для черт возьми, мы смотрим на другую крайность притяжения только в некоторых особых направлениях, мы получаем, для например, алмаз структура, излюбленная структура большинства полупроводников.Еще раз там Нет другого выбора, кроме как сформировать кристалл, когда эти атомы собираются вместе.
	Теперь у нас есть три основных типа кристаллической решетки , и если вы найдете что сбивает с толку, считайте, что на самом деле существует , четырнадцать, принципиально разных решетки типа или решетки Bravais . Вам лучше поверить мне в этом; Я, в свою очередь, верю Огюсту Браве , который доказал это в 1849 году.Разобраться в этом самостоятельно довольно утомительно и вовлекает ненавистных “новых” математика ».
		До сих пор я избегал объяснять тонкое, но существенное различие между терминами «решетка » и «кристалл », но теперь нам нужно дать этой теме Беглый взгляд. Ссылка на науку дает подробную информацию, эта ссылка будет просто проиллюстрируйте и расширите то, что следует здесь. Решетка – это математическое понятие, повторяющаяся последовательность точек в пространстве.Кристалл получается, когда вы помещаете атомы в эти точки решетки. Ты всегда можешь поместите один атом в узлы решетки одного из этих 14 типов решеток, чем вы получаете кристалл элемента. Но никто не мешает вам поставить более сложные однако там есть такие объекты, как молекулы. Возьмите молекулы воды (H 2 O) и вы делаете, например, ледяной кристалл.
		Учитывая, что вы может поместить вашу молекулу воды в какую-либо точку решетки с кислородом вверх или с водород вверх, и что могут быть и другие пути, теперь вы понимаете что всего ровно 230 возможности для создания различных базовых схем таких объектов, как молекулы на узлах решетки 14 основных решеток. Ха-ха – шучу. Я уверен, что вы не смогли вычислить это число. Я, конечно, не мог; по крайней мере, не в открытую. Однако я могу найти его и проверьте, правильно ли поняли это хорошие люди, которые этим занимаются. Они сделали. Просто Поверьте мне. Используйте эту ссылку, чтобы немного сбейте вас с толку, если вы думаете, что это указано. Если вы посмотрите немного глубже, а я не рекомендую, еще больше возможностей появляются, о которых вы определенно не хотите знать. Это просто показывает, как огромная сложность – кристалл ДНК, лезвие меча, кузов автомобиля – может исходят из нескольких очень простых принципов.
		Минералоги знают все о Решетки Браве и тд, и им нравятся говорить об этом. Так что вам следует избегать их на вечеринках, если вам не нравится симметрии , точек группы , пространственные группы , наборы , пересечение устанавливает и другие вещи из “Новой математики”, которые вы так ненавидели еще в старшей школе.
	А нет, это не почти все равно.Если вы посмотрите на таблицу ниже, где перечислены некоторые металлы и их типы решеток, и сравните это к старому списку металлов, где я различал всегда пластичное поведение, всегда довольно хрупкое поведение или промежуточное поведение с хрупким и пластичным переходе, вы понимаете, что чем более пластичны металлы с ГЦК, тем более хрупкими являются одни – ГПУ, а ОЦК-металлы – между ними.
		Вы чувствуете, что мы получаем ближе к каким-то ответам? Что ж, мы делаем, но мы также придумываем новые большие вопросов:
		Почему металлы кристаллизуются в различных типах решетки?
	Почему это происходит даже с металлами, которые похожи во всех других аспектах, как никель (Ni; fcc ) и кобальт (Co; hcp )? Если вы читаете довольно долго, вы в конце концов узнаю.
	А сейчас сделаем небольшой список типов решеток, в которые любят кристаллизоваться наиболее известные металлы и элементы. Однако сначала я должен дать вам несколько советов о том, как «читать» Цифры вроде следующих:
		На рисунках показано решетки или кристаллов. Маленький синий сферы на фигурах могут представлять точки решетки в пространстве или атомов.Поскольку истинные математические точки бесконечно малы и атомы чрезвычайно малы, настоящие вещи просто не видимые, и нам нужно изобразить их каким-нибудь символом – например, кругом. Это Тогда вам решать, как интерпретировать этот символ. Линии только там, чтобы направлять взгляд так что он может видеть пространственное соотношение точек, которые образуют решетку . Извините, мы не можем сделать лучше. Если бы я нарисовал реальные (крошечные) точки для решетки и никаких линий, вы просто не увидите много; проверьте здесь. Если поместить атомы в узлы решетки, получится кристалл! Если вы символизируете атомы кругов, в результате получается кристаллов фигур выглядит так же, как решетка фигур , но показывает совсем другое! Подробнее о том, как «читать» такие цифры в этом ссылка
		Решетка: fcc Кристалл: fcc, элементарная, плотноупакованная 12 следующих соседей Решетка: bcc Кристалл: bcc, элементарная 8 следующих соседей Решетка: hex Кристалл: hcp, элементарный, плотно упакованный. 12 следующих соседей Ag (серебристый) Au (золото) Al (алюминий) Cu (медь) Si (кремний) Ge (германий) Co (кобальт) Fe (железо) Mn (марганец) Sr (стронций) C (углерод) Fe (железо) Cr (хром) W (вольфрам) Ta (тантал) Mn (марганец) Ti (титан) Zr (цирконий) Sr (стронций) Cd (кадмий) Co (кобальт) Mg (магний) Ti (титан) Zn (цинк) Zr (цирконий) C (углерод) Типы решеток / общая кристаллическая структура металлы и некоторые другие общие элементы Синие кружки = атомы и точек решетки.Розовые кружки = только атомы (два атома на точку решетки). Обратите внимание, что гексагональный кристалл с плотной упаковкой (ГПУ) получается только тогда, когда вы помещаете «розовые» атомы в позициях, где нет узлов решетки. Это обман. Фактически вы помещаете ансамбль из 2 атомов в 1 решетку. точка. Подробности можно найти здесь.
	Сюрприз! Некоторые металлы (и многие элементы, не указанные в списке) бывают более чем одного типа кристаллов – в таблице они обозначены цвет.Большое слово для этого – “ аллотропия ” (конечно, от древнегреческого, означает изменение, разные виды, перерастание во что-то другое). Эти кристаллы тогда будут « аллотропные ». Как придешь?
		Прежде чем ответить на этот вопрос, я Прежде всего нужно отметить, что это в первую очередь температура , которая определяет, какой тип кристалла вы найдете. В давление тоже важно.Углерод обеспечивает в качестве хорошего примера: алмаз образуется из графита при высоком давлении (и температура).
		Выключатели из чистого железа от структуры bcc к структуре fcc при 912 o ° C (1674 o F) и обратно в bcc при 1394 o C (2541 o F), в то время как Cu или Au прилипают к своей ГЦК-структуре при всех температурах ° F. Кобальт (Co), марганец (Mn), титан (Ti) и т. Д. Также претерпевают какие-то фазовый переход (также называемый фазовым переходом ) от одного вид решетки на другой, если изменить температуру.
		Конечно, теперь вам понадобится чтобы высказать большой вопрос: «Откуда вы все это знаете! В конце концов, вы не можете возможно, посмотрите на атомную структуру какого-нибудь металла при очень высоких температурах с электроном микроскоп. Не говоря уже о том, что все это было известно задолго до появления электронных микроскопы даже существовали “. Правда. Вы абсолютно правы. Даже сегодня мы не исследуем основные кристаллическая структура материалов с помощью электронного микроскопа.Мы используем интерференционные эффекты рентгеновского излучения. Если вы видели компакт-диск или DVD, воспроизводящий спектр цветов, когда вы сияете при ярком свете вы видели так называемые эффекты интерференции.
		Обычный набор крошечных канавок на диск мешает свету воспроизводить цвета радуги. Подумать о это, капли воды мешают свету, чтобы вызвать радугу.Там – у вас есть видны интерференционные эффекты! Обычный массив атомов в кристалле делает то же самое с рентгеновскими лучами. что обычный набор крошечных бороздок на DVD делает со светом. Сияй рентген луч на кристалл, и это вызовет явления, похожие на то, что производит все разновидности «радуг» с видимым светом. Запись этого с надлежащим детекторы и много математических вычислений позволяют вычислить структуру кристалла за минуту Детали. Это называется дифракция рентгеновских лучей . рентгеновский снимок дифракционные машины – это своего рода математический микроскоп. Они не производят какое-то прямое изображение из кристалла, просто абстрактные данные – числа – о р. кристалл. Научный модуль предоставит подробную информацию.
	Но вернемся к фазовым изменениям, которые мы только что узнал о. Фазовый переход из углерод от алмаз до графит , если подумать, это просто замена атомов углерода, расположенных в решетке fcc (алмаз), на атомы углерода, расположенные в шестигранник решетка (графит).Иллюстрация ссылка показывает подробности.
	Только в 1772 г. Антуан Лавуазье показал, что единственный продукт горения (= горение) из алмазы представляли собой диоксид углерода (CO 2 ), что доказывает, что алмазы состоят из углерод и ничего больше. История выяснения этого достаточно интересная оценить собственный модуль.
		Конечно, никто сразу поверил в эту чушь.Поскольку Лавуазье совершил другие серьезные ошибки суждения, такие как вмешательство от имени ряда ученые иностранного происхождения, включая (ныне чрезвычайно известного) математика Джозеф Луи Лагранжа , он был осужден, осужден и гильотинирован 8 мая 1794 г. в Париже в 50 лет. Призывает пощадить его жизнь, чтобы он мог продолжить свои важные эксперименты, было прервано судьей: “La République n’a pas besoin de savants ni de chimistes; Le Cours De La Justice Ne Peut être suspendu.”(” Республике не нужны ни ученые ни химики; отправление правосудия нельзя откладывать “) – это печально известный цитата, которая идет с ним. Есть причины, по которым ученые не так любят юристов.
		Конечно, в наш просвещенный век такого не может быть, об этом позаботятся наши современные юристы. Все те ученые (и художники, почти то же самое), которые во многих странах проводить время в тюрьме прямо сейчас, есть веские причины, мы должны предполагать.
	Измените тип решетки, и вы заменить алмаз на графит. У нас точно то же самое для fcc и bcc железо! Фаза bcc при комнатной температуре (названная феррит , кстати) совсем другой из высокотемпературной фазы fcc (названной аустенит ) по свойствам обеспокоенный. Вы не знаете об этом, потому что ГЦК-железо существует только при высоких температуры, а затем все выглядит все равно (светится желто-красным).Но свойства очень разные. Спросите у кузнец.
		Но вы не должны спрашивать, знаете ли что. Вы стали свидетелями ужасных последствий этого фазового перехода. место. Когда сталь в World Trade Центры стали настолько горячими, что переход от прочной стали с ОЦК-фазой к слабая сталь с ГЦК-фазой, катастрофа была неизбежна.
	С другой стороны, фаза ОЦК-ГЦК переход одна из нескольких причин почему железо – такой замечательный материал.Когда кузнец меча нагревает свое железо или стали, он хорошо использует фазовый переход ОЦК-ГЦК в железе, как мы см.
		Мы подошли к моменту, когда я не могу ласка вокруг действительно большой “ почему ” вопрос больше.
		Почему все происходит именно так?
		Каков руководящий принцип? только я рассматривать “вещи, которые должны произойти” в неодушевленном мире, конечно, поскольку вы уже знаете некоторые руководящие принципы в анимационном мире.Для Например, когда ваша жена спрашивает, следует ли ей надеть костюм A или B для каких-то функция, руководящий принцип для последующего обсуждения: Вы не можете выиграть! Никогда. Всегда.

3A (1) Конструкции из железа и стали

Стальные изделия, с которыми мы сталкиваемся повседневные поликристаллические материалы, состоящие из многих зерен стали.Атомы железа упорядоченно располагаются в одном кристалле, и направление расположения атомов различается между зернами. Диаметр атома железа составляет 0,25 нанометра, а диаметр атома зерно обычно от 10 до 20м.

Атомы железа образуют одну из двух стабильных кристаллических структур. называется объемно-центрированной кубической структурой и гранецентрированной кубическая структура. Объемно-центрированная кубическая структура железа, которая называется ферритом, стабилен при (i) температуре 1665K (1392) или выше и (ii) при 1184K (911) или ниже, кристаллические формы называются железом и железом, соответственно.Гранецентрированная кубическая структура, которую называют аустенит, стабилен в диапазоне температур везде между вышеупомянутые два температурных диапазона, и железо этого структура в этом диапазоне температур называется железом. Феномен при котором кристаллическая структура меняется на другую из-за изменения по температуре называется фазовым превращением. В температура, при которой происходит это явление, называется превращением температура.Температура превращения зависит как от характер и количество легирующих элементов.

В реальных зернах есть порции, в которых регулярность позиции атомов железа теряются, эти части называются дефекты решетки. Особенно важными дефектами решетки являются (i) «вакансии» – точечные дефекты, в которых атом железа отсутствует в узле решетки, и (ii) «дислокации», которые являются линейными дефектами.Вакансии играют важную роль в диффузия атомов, а пластическая деформация происходит, когда дислокации двигаться. Посторонние атомы, размер которых отличается от размера железа атомов, присутствуют в стальном зерне. Эти атомы существуют в двух в различных формах, т.е. в виде «твердого раствора», в котором они присутствуют в структуре решетки железа, как показано на фигура, и как «осадок», в котором они образуют другую кристаллическую структуру и присутствуют в зерне или на границах зерен.Твердые растворы делятся на промежуточные. твердые растворы и твердые растворы замещения. В бывшем типа, углерода, азота и других атомов, намного меньших, чем железо атомы расположены в пространстве между атомами железа. В последнем типа, атомы большего размера (алюминий, титан), атомы, имеющие почти такого же размера (никель, хром) или атомы меньше в размером (кремний, фосфор), чем атомы железа, занимают место некоторые из атомов железа.

Поликристалл состоит из множества зерен с разной ориентацией. Хотя поликристалл обычно не имеет ориентации в целом, он может принимать текстуру с множеством зерен с определенной ориентацией при определенных условиях работы и термической обработки. Граница зерна имеет избыток энергии; поэтому, когда становится возможным для атомов двигаться, изменение происходит таким образом, что область межзеренная граница уменьшается; то есть происходит рост зерна.Меньший размер зерна, тем выше прочность и ударная вязкость. В других Словом, чем меньше размер зерна, тем лучше. Поэтому это необходимо уменьшить размер зерен. Зерна могут быть произведены заново двумя механизмами превращения и рекристаллизации. Трансформация обсуждалась выше. Рекристаллизация – это явление, при котором, когда материал нагревается после обработки за пределами критической деформации энергия деформации, накопленная работа освобождается от диффузии, которая меняет положение атомов, и образуются новые зерна.Таким образом, измельчение зерна достигается за счет использования этих механизмов.

Атом железа – обзор

6.2.1 Изменение объема

Преобразование аустенита в феррит включает перегруппировку атомов железа в структуре аустенита с ГЦК в ферритную структуру с ОЦК. В чистом железе указанные параметры решетки составляют: 0,3648 нм и 0,2906 нм для аустенита и феррита, соответственно, при 910 ° C (Basinski et al. , 1955; Goldschmidt, 1962; Kohlhaas et al., 1967; Onink et al. , 1993). Легирование добавок в твердый раствор приведет к изменению параметров решетки аустенита и феррита, часто линейно с количеством растворенного вещества в твердом растворе (закон Вегарда; Denton & Ashcroft, 1991). Параметры решетки феррита при комнатной температуре легко получить с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD), тогда как параметры решетки аустенита требуют высокотемпературной XRD (Гарсия де Андрес и др. , 1998; Коп и др. , 2001). Применение этих методов привело к идентификации отношений параметров решетки, приведенных в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Сводная информация о влиянии легирующих элементов в растворе на параметры решетки (нм) аустенита и феррита

Фаза	Взаимосвязь	Ссылка
γ при 300 K	0,3573 + 0,00733 [C] + 0,000095 [Mn] – 0,00002 [Ni] + 0,00006 [Cr] + 0,00031 [Mo] + 0,00018 [V] (мас.%)	Ridley et al. , 1969 Dyson & amp; Холмс, 1970
Без деформаций γ при 300 K (AISI 316)	0.35965 + (0,0028 ± 9,07 × 10 – 5 ) [C] (мас.%) Параметры расширения, представленные между 0,0028 и 0,0603 для доли пустот, заполненных C, и 0,0597 для пустот, заполненных N	Hummelshøj et al. , 2010
γ (C-Mn стали)	0,3577 + 0,00065 [C] + 0,0001 [Mn] – 0,00002 [Ni] + 0,00006 [Cr] + 0,00056 [N] + 0,00028 [Al] – 0,00004 [Co] + 0,00014 [Cu] + 0,00053 [Mo] + 0,00079 [Nb] + 0,00032 [Ti] + 0,00017 [V] + 0.00057 [Вт] ат.%	Lee & amp; Lee, 2005
γ при 300 K	0,35729 + 0,0001144 [Mn] ат.%	Li et al. , 2002
α 298 K	0,28664 + 0,00006 [Mn] – 0,00003 [Si] – 0,00007 [Ni] + 0,00005 [Cr] – 0,0001 [P] – 0,00031 [Ti] + 0,00027 [Ru] + 0,00035 [Rh] + 0,00029 [Re] + 0,00037 [Ir] + 0,0004 [Pt] ат.%	Lee & amp; Ли, 2005
α 298 K	0.28664 + 0,0000543 [Mn] ат.%	Li et al. , 2002

Таким образом, образование феррита из аустенита в чистом железе включает изменение объема на -0,55%, которое будет изменяться вместе с составом при изменении параметров решетки и при изменении температуры превращения. Последний фактор также будет изменяться в зависимости от скорости охлаждения, поскольку более высокие скорости охлаждения имеют тенденцию понижать температуру превращения аустенита в феррит. Разницу в молярном объеме феррита и аустенита в легированных сталях можно оценить с помощью соотношений в таблице 6.1, при условии, что количество растворенного вещества в растворе известно. Для этого потребуются знания и / или предположения относительно степени отклонения от равновесия во время зародышеобразования и роста и степени любого осаждения. Затем коммерческие термодинамические пакеты можно использовать для прогнозирования состава фаз до и после превращения и, таким образом, изменения молярного объема. Изменение объема означает, что образование феррита в аустенитной матрице вызовет некоторое упругое деформирование окружающей аустенитной матрицы.Продукты на основе ОЦК при более низких температурах, такие как мартенсит и бейнит, которые образуются по механизму смещения или сопряженного смещения-диффузии, приводят к потенциально большим деформациям сдвига в окружающей аустенитной матрице (Christian, 1965; Bhadeshia, 1985), так что деформации, приложенные извне, могут влияют на морфологию, температуру трансформации и степень трансформации для этих фаз (Tamura & Wayman, 1992; Shipway & Bhadeshia, 1995). Что касается большинства кристаллических материалов, модуль упругости аустенита уменьшается с повышением температуры; отчеты дают широкий диапазон значений, но сообщалось, что значения модуля уменьшаются ниже 50 ГПа при температурах от 600 до 800 ° C (Cooke, 1988).Это зависит от состава, и модуль упругости аустенитных нержавеющих сталей, не содержащих никеля, уменьшается со 195 до 140 ГПа в диапазоне 25–700 ° C (Piatti & Schiller, 1986). Кроме того, коэффициент теплового расширения феррита больше, чем у аустенита (17,5 × 10 ^{– 6} K ^{– 1} ср 19,5 – 24,7 × 10 ^{– 6} K ^{– 1} ; Basinski et al. , 1955; Goldschmidt, 1962; Gorton et al. , 1965; Kohlhaas et al. , 1967; Onink et al., 1993), так что энергия деформации значительно увеличивается при понижении температуры превращения, в то время как степень согласования решеток между двумя структурами уменьшается.

В приведенном выше диапазоне значений коэффициент теплового расширения рассматривается как постоянный, то есть коэффициент линейного расширения, тогда как ряд рентгеноструктурных и дилатометрических исследований показали, что тепловое расширение феррита можно рассматривать как серию линейных сегментов, действительных для различных диапазоны температур (Garcia de Andres et al., 2002; Choi, 2003) или квадратичным выражением по температуре ( T ) с экспоненциальной поправкой на температуру Кюри (Liu et al. , 2004). Коэффициент теплового расширения аустенита обычно определяется квадратичным выражением в T (например, Velthuis et al. , 1998; Garcia de Andres et al. , 2002; Choi, 2003; Liu et al. ). , 2004). Примеры значений энергии деформации и межфазной энергии варьируются от 400 Дж моль ^–1 для бейнита, образующегося при температуре от 440 до 560 ° C (Strangwood, 1987) до 1214 Дж моль ^–1 для мартенситной фазы в чистом железе, образующемся при 700– 750 ° C (Cohen et al., 1949 г .; Акерт и Парр, 1971). Теоретические предсказания энергии деформации с использованием когерентного интерфейса в 4–5 раз выше (Roitburd & Kurdjumov, 1979), что указывает на релаксацию межфазных условий. Преобразование из ГЦК-структуры в ОЦК-структуру может быть достигнуто за счет деформации Бейна (рис. 6.2) (Bain, 1924) и может рассматриваться как сжатие 0,203 вдоль [001] _γ , сопровождаемое растяжением 0,127 вдоль <110> _γ .В отсутствие диффузии на большие расстояния это проявляется как инвариантная линейная деформация (инвариантная плоская деформация + вращение твердого тела, как описано в последующих главах), так что связь компонентов сдвига и растяжения с приложенными извне напряжениями или напряжениями, создаваемыми преобразованием соседних объемов может оказать сильное влияние на преобразование.

6.2. Штамм Bain.

Влияние приложенных извне напряжений значительно снижается для образования феррита при более высоких температурах превращения, когда может происходить диффузия на большие расстояния.Во-первых, это происходит из-за пониженного модуля упругости аустенита при более высоких температурах в сочетании с уменьшенным изменением объема, уменьшающим энергию упругой деформации, генерируемой в аустените, окружающем область вновь образованного феррита. Кроме того, диффузия, обеспечивающая продвижение границы раздела α / γ в оставшийся аустенит (то есть перпендикулярно плоскости границы раздела), может сопровождаться диффузией внутри границы раздела, которая устраняет деформацию сдвига, связанную с преобразованием.Оставшаяся деформация тогда является дилатационной, и с энергией деформации можно справиться с помощью анализа Эшелби (Eshelby, 1957, 1959), но это обычно незначительно по сравнению с точностью методов измерения трансформации. Даже использование очень больших гидростатических давлений (100–1000 с бар) дало бы небольшое изменение температуры превращения (за счет обработки химической движущей силы Клаузиуса-Клапейрона) для небольшого изменения удельного объема при рассмотрении диффузионных превращений при низких переохлаждения.

6.2.2 Соотношения ориентации

Хотя энергия упругой деформации не имеет значения для образования феррита с преобладанием диффузии, кристаллография исходной фазы и фазы продукта действительно влияет на образование и морфологию феррита. Необходимость минимизировать межфазную энергию при зародышеобразовании и, в меньшей степени, росте приводит к принятию ориентационного отношения (OR) между аустенитом и ферритом. Зарегистрированные OR не предсказываются штаммом Bain ([001] _γ || [001] _α , <110> _γ || <100> _α ), но находятся в пределах 11 ° от него, что охватывает ориентационные отношения Курджумова-Сакса (KS) (Kurdjumov & Sachs, 1930) и Нишияма-Вассермана (NW) (Nishiyama, 1934; Wasserman, 1933) (Таблица 6.2). Отклонения от идеальной ориентации возникают из-за отсутствия плотноупакованной плоскости в ОЦК-фазе, и поэтому выравнивание атомов железа из двух решеток приводит к упругой деформации. Пять ориентационных соотношений, указанных в таблице 6.2, могут быть связаны друг с другом небольшими поворотами твердого тела вокруг общих осей (Dahmen, 1982). Таким образом, отношения ориентации KS и NW / Pitsch могут быть преобразованы в GT и GT ‘путем поворота на 2,41 ° и 2,86 ° вокруг <011> и <111> соответственно.Возникновение ряда тесно связанных ориентационных соотношений предполагает, что штраф за свободную энергию, связанный с размещением общей границы раздела между ГЦК- и ОЦК-решетками, имеет ряд локальных минимумов. Выбор любого конкретного варианта может определяться небольшими различиями в составе, параметре решетки и температурах превращения, например выбор GT ‘в высоконикелевых метеоритах (He и др. , 2006) и нержавеющей стали (Tsai и др. , 2002).Гораздо более тщательно изучен отбор вариантов для трансформаций смещения и смещения-диффузии, особенно для тренировки сплавов с памятью формы (Liu & Bunge, 1991; Kitahara et al. , 2005; Raghunathan et al. , 2008; Malet ). и др. , 2009). Развитие и широкое использование методов автоматизированной дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) в сканирующих электронных микроскопах высокого разрешения (Dingley, 2004; Randle, 2009a, 2009b) должны сделать идентификацию и количественную оценку кристаллографических соотношений для феррита, образованного термически при низких переохлаждениях. проще, позволяя проверить предположения о зародышеобразовании и росте.

Таблица 6.2. Сообщенные ориентационные отношения феррит / аустенит в железе и стали

Ориентационные отношения	Кристаллография	Комментарии
Курдюмов – Сакс (Канзас)	{110} | α {111} γ & lt; 111 & gt; α || & lt; 101 & gt; γ	Поворот на 5,6 ° приводит к NW
Nishiyama – Wasserman (NW)	{110} α || {111} γ & lt; 001 & gt; α || & lt; 101 & gt; γ	Хорошая атомарная подгонка только для 8% поверхности раздела между ферритом и аустенитом
Greninger – Troiano (GT)	{110} α 0.2 ° от {111} γ & lt; 111 & gt; α 2,7 ° от & lt; 101 & gt; γ	На полпути между KS и NW (Greninger & amp; Troiano, 1949)
Inverse GT (или GT ′)	{5 12 17} α || {7 17 17} γ & lt; 111 & gt; α || & lt; 101 & gt; γ	Наблюдается в метеорите Гибеон (He et al., 2006)
Pitsch	{101} α || {010} γ & lt; 111 & gt; α || & lt; 101 & gt; γ	Pitsch (1962)

Что происходит с металлами во время термообработки

опубликовал Во вторник, 29 октября 2019 г. в Блог

Сталь существует уже давно, даже римляне использовали ее еще в 223 году до нашей эры.C. Древние цивилизации смогли найти способ производить сталь, поскольку почти 5% земной коры состоит из железа, что делает его вторым по распространенности металлом на Земле [1].

Сталь

производится путем добавления углерода в железо (до 2%), что происходит при очень высоких температурах. Одна часть производства стали – это термическая обработка. Термическая обработка – это метод, позволяющий сделать металлы более прочными, твердыми и долговечными. Этот метод очень важен для многих стальных и металлических деталей.

Преимущества термообработки

Термическая обработка стали и других металлов может привести к:

• Повышенная износостойкость
• Повышенная устойчивость к деформации и короблению и
• Повышенная прочность или ударная вязкость

Как работает термическая обработка

Когда обычные металлы, такие как сталь, нагреваются до высоких температур, происходят значительные изменения на атомарном уровне.Атомы железа изначально организованы в кристаллические структуры, которые меняют форму при нагревании; из которых есть две общие структуры. На рисунке 1 изображена объемно-центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая структура, которая является обычным явлением для сталей при комнатной температуре. Обратите внимание, что девять атомов железа составляют элементарную ячейку для этого расположения атомов. На рисунке 2 изображена гранецентрированная кубическая (ГЦК) кристаллическая структура. Всего 14 атомов составляют элементарную ячейку для этого расположения атомов. Преобразование FCC происходит, когда сталь нагревается выше критической температуры.

Связи между атомами железа ослабляются из своего состояния ОЦК и трансформируются в структуру ГЦК. Важно отметить эффект увеличения количества атомов в решетке. Чем больше атомов, тем больше междоузлий, которые позволяют легирующим элементам связываться с железом и перемещаться в эти решетки. Одним из таких элементов является углерод, основной элемент для закалки стали. Из-за увеличения количества интерстициальных сайтов, подходящих для углерода, атомы углерода более свободно перемещаются вокруг железа при повышенных температурах.С большей вероятностью нарушить геометрию кристаллов сталь становится менее пластичной, что приводит к увеличению прочности. Чтобы увеличить количество углерода в железе (науглероживание), металл обычно помещают в атмосферу с повышенным уровнем углерода для диффузии дополнительного углерода в поверхность.

Простого нагревания этих сталей в атмосфере с повышенным содержанием углерода недостаточно, чтобы удержать его в этих решетках и повысить твердость. Медленное охлаждение позволит углю диффундировать обратно, поскольку структура медленно меняется с FCC на BCC.Чтобы противодействовать этому, можно использовать несколько различных закалочных средств для быстрого охлаждения материала. Закалка позволяет быстро изменить среду, в которой сталь подвергается термообработке, от высоких до низких температур. Он улавливает углерод и другие элементы в середине, поскольку не хватает времени для диффузии из стали до изменения кристаллической структуры. С этими захваченными атомами углерода в кристаллической структуре мы получаем измененную структуру ОЦК, известную как мартенсит.

Прокаливаемость

Не всякая сталь реагирует одинаково.Химический состав разных марок стали может сильно различаться. Некоторые легирующие элементы могут значительно повысить закаливаемость сталей, например никель (Ni), хром (Cr) и молибден (Mo). Прокаливаемость не зависит от твердости материала. Прокаливаемость напрямую связана со способностью металла образовывать мартенсит и мартенситную структуру при закалке, что указывает на то, насколько хорошо может быть достигнута твердость. Добавки Ni, Cr и Mo, а также более высокое содержание углерода позволяют образовывать больше мартенсита, таким образом, металл становится более «закаливаемым».«Высокая закаливаемость – это способность металла превращаться в мартенсит по всей детали, а не только с высокой твердостью на поверхности.

Если у вас есть дополнительные вопросы о термообработке, свяжитесь с нами по телефону (319) 232-5221 или заполните нашу форму быстрой связи.

Источники
[1] http://www.gsa.org.au/resources/factites/factitesIron.pdf
[2] http://www.ce.berkeley.edu/~paulmont/CE60New/review1.pdf

---

Загрузите PDF-версию здесь.

7.4: Iron and Steel – Chemistry LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF
Без заголовков

Еще одно очень важное место, где важна разница между твердостью ОЦК и плотноупакованного металла, – это выплавка стали.Между комнатной температурой и 912–^– ° C железо имеет структуру BCC и представляет собой прочный твердый металл («твердый как гвоздь»). При температуре выше 912–^– ° C чистое железо переходит на структуру FCC (аустенит), которая является гораздо более пластичной. Таким образом, горячее железо можно сгибать и обрабатывать в различных формах, когда оно очень горячее, но все еще твердое (плавится при 1535 ^o C). Быстрая закалка горячего железа – например, когда кузнец погружает раскаленную деталь прямо в холодную воду – охлаждает ее до комнатной температуры, но не дает времени для фазового перехода FCC -> BCC; поэтому такие детали все еще относительно податливы и им можно придать форму.

Фазовая диаграмма железо – карбид железа (Fe – Fe 3 C). Ниже 912 ° C чистое железо существует в виде альфа-фазы, феррита, который имеет структуру BCC. Между 912 и 1394 ° C чистое железо существует в виде гамма-фазы, аустенита, который имеет структуру ГЦК. Углерод более растворим в фазе FCC, которая занимает область «γ» на фазовой диаграмме, чем в фазе BCC. Процент углерода определяет тип сплава железа, который образуется при охлаждении из фазы FCC или из жидкого чугуна: альфа-железо, углеродистая сталь (перлит) или чугун.

Углерод (около 1% по весу) добавляется в железо для получения «углеродистой стали», которая является очень твердым материалом. Углерод довольно растворим в фазе ГЦК железа, но не в фазе БЦК. Следовательно, когда пластичная фаза FCC охлаждается и превращается в BCC («отпуск» стали, что означает ее достаточно медленное охлаждение, чтобы могло произойти преобразование FCC в BCC), железо больше не может растворять избыточный углерод. Углерод образует слои или зерна дополнительной фазы, Fe ₃ C («цементит» – очень твердый материал), которые расслоены или разбросаны по всей матрице зерен ОЦК железа.Эффект всех этих маленьких зерен Fe ₃ C заключается в том, чтобы остановить движение дислокаций, делая материал более твердым, но (с более высоким содержанием углерода) все более хрупким. Вот почему ножи и мечи закаливают после фазы FCC, обрабатывают холодным способом до нужной формы, а затем снова нагревают и закаляют (перед заточкой), когда они изготовлены. Предметы из чугуна (сковороды, радиаторы и т. Д.) Имеют более высокое содержание углерода и поэтому очень прочные, но имеют тенденцию к разрушению, а не изгибу из-за большей доли хрупкой фазы Fe ₃ C в сплаве.

При охлаждении высокоуглеродистые стали разделяются по фазе на смесь микроскопических зерен ОЦК-железа (светло-серый) и Fe3C (темно-серый).

Кристаллы железа в метеоритах: видманштеттенская структура

Кристаллы в поперечном сечении

Кристаллическая структура железных метеоритов трехмерна, поэтому узор выглядит по-разному в зависимости от того, как вы его разрезаете.Эти метеориты были вырезаны пилой и отполированы до плоскости, чтобы обнажить кристаллы в поперечном сечении.

Настоящая трехмерная структура состоит из множества плоских пластин камасита из сплава железа и никеля. Когда расплавленное железо и никель сначала охлаждают и затвердевают в ядре планеты, они образуют другой сплав – тенит. Но по мере охлаждения твердого тэнита сквозь него прорастают пластинки кристаллизованного камасита. Спустя миллионы лет, когда металл остывает настолько, что кристаллы перестают расти, готовый узор застывает на месте.

Йенберри

Информация о коллекции

YENBERRIE

Найдено 1918

Северная территория, Австралия

IAB

AMNH 290

Строение Видманштеттен

В металлических ядрах частично расплавленных астероидов железо-никелевые сплавы кристаллизовались по характерной структуре, известной как структура Видманштеттена.Этот узор назван в честь одного из первых людей, наблюдавших его около 200 лет назад, графа Алоиса де Видманштеттена. Этот узор формируется только глубоко внутри планетных тел, которым требуются миллионы лет, чтобы остыть. Железо никогда не кристаллизуется таким образом на поверхности Земли, поэтому любой металл с таким рисунком на Земле определенно образован из метеорита.

Кристаллы в железных метеоритах варьируются от очень грубых до очень мелких. Толщина кристаллов в узоре зависит в основном от количества никеля, которое они содержат, и от того, как медленно металл остывает.Имея эту информацию, можно оценить размер родительского тела метеорита, потому что более крупные астероиды охлаждаются медленнее, чем мелкие.

© AMNH / D.