2. Газы в стали

1. Водород в стали.

Растворимость водорода в железе и влияние на свойства стали.

Водород растворяется в железе и его сплавах в атомарном (ионном) состоянии. Атомы (ионы) водорода из-за своих малых размеров распределяются в промежутках между атомами железа, образуя растворы внедрения.

Растворимость водорода в железе может быть описана уравнениями:

1/2H₂=[H]; G=36500+30,46T Дж.

и ,

т.е. растворимость водорода пропорциональна корню квадратному из величины его давления (закон Сивертса).

Растворимость водорода зависит от температуры и скачкообразно изменяется при аналогичных превращениях (меняется К_н).

Из рис. видно, что растворимость водорода при повышении температуры повышается.

При Fe_Fe превращении, а также в точке плавления, она скачкообразно увеличивается, а при Fe Fe_ несколько снижается.

Другие элементы влияют на растворимость водорода в жидком железе. Это влияние характеризуется параметрами взаимодействия:

e^O_H=3,7; e^Si_H=0,227; e^C_H=0,06; e^Ti_H=-0,081.

Следовательно, кислород, кремний и углерод понижают растворимость водорода в жидком железе. Титан, напротив, повышает растворимость водорода. Влияние других элементов (Ni,Al,Cr и др.) незначительно.

Особое значение имеет резкое понижение растворимости водорода при затвердевании металла и дальнейшем понижении температуры. Так, при 1600С и Р_Н2=1 атм растворимость водорода в жидком железе 2,5•10^-30%,а в твердом железе при комнатной температуре она равна практически нулю. Вследствие этого во время кристаллизации водород в значительной мере переходит в маточный раствор, что вызывает его сильную зональную ликвацию в слитке, а после затвердевания полностью выделяется из раствора в металле. Выделяется водород в пустоты металла и дефектные места решетки. Здесь атомы водорода соединяются в молекулы, и он переходит в газообразное состояние. Если объем пустот достаточно велик, как в литом металле, давление водорода в них невелико, и он не влияет на свойства стали. Если же объем пустот небольшой, как кованном и катаном металле, то возникает высокое давление, отрицательно влияющее на свойства стали. Если это давление суммируется с внутренними напряжениями (структурными, термическими, остаточными деформациями), то в этом случае образуются внутренние разрывы - флокены. Чувствительны к образованию флокенов конструкционные стали, с содержанием >(2-3)•10^-4% [H]. Чувствительность к образованию флокенов увеличивается в повышением степени легирования таких сталей вследствие увеличения структурных и, часто, термических напряжений.

Флокены ухудшают механические свойства металла и являются недопустимым пороком стали. Для предупреждения их образования применяют термическую обработку, обеспечивающую снятие внутренних напряжений и некоторое удаление водорода. Однако это требует значительного времени и средств.

Удаление водорода из жидкого металла в процессе плавки и после нее является важной задачей сталеплавильщиков.