Классификация сталей в зависимости от содержания примесей

	Р	S
Обыкновенного	0.040	0.050
Качественные	0.035	0.035
Высококачественные	0.025	0.025
Особовысококачественные	0.025	0.015

1.2Твердые растворы на основе железа

1.2.1 Железо и его свойства

Железо является d-переходным металлом.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают М. главных и побочных подгрупп. М. главных подгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти М. характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s- и p- электронных оболочек. В атомах М. побочных подгрупп (подгруппы б), называемых переходными, происходит достраивание d и f- оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы – лантаноиды и актиноиды. (В подгруппу б входят 33 переходных металла d-группы.)

Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d- элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова.

Например, Cr и Mo (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d⁵4s¹ и 4d⁵5s¹, тогда как у W она 5d⁴6s². В атоме Pd (подгруппа VIII б) два внешних электрона перешли на соседний валентный подуровень, и для атома наблюдается d¹⁰ вместо ожидаемого d⁸s².

Атомная масса железа 55,8; плотность 7.684 г/см³; конфигурация внешних электронных оболочек 3d⁶4s²; кристаллографические модификации – о.ц.к и г.ц.к.; атомный радиус 0.127 нм (о.ц.к. решетка); 0.124 н.м. (г.ц.к. решетка).

Свойства железа зависят от его чистоты. По степени чистоты железо подразделяют на технически чистое Fe_т.ч. (С+N ~10^-3…10^-2 %) и железо высокой степени чистоты Fe_в.ч. (содержание всех примесей до 10^-4 %).

	Feтч	Feвч
Температура плавления	1528…1535	1535…1540
δ→γ	1394*/1388	1394…1410*/1388
γ→α	851…895*/845…865	908…916*/874…908
Точка Кюри	765	765…770
Предел текучести	120…150 МПа	50…60 Мпа
Ткр	- 12 ºС	- 85 ºС

* - при нагреве

1.2.2 Твердые растворы замещения

Легирующие элементы в сталях не являются самостоятельными компонентами, а образуют фазы. Такими фазами могут быть твердые растворы и промежуточные фазы (карбиды, нитриды, интерметаллиды и т.п.). Структура и свойства сталей определяются составом и строением фаз, их распределением в структуре и взаимодействием между собой.

По растворимости легирующих элементов в железе твердые растворы подразделяются на непрерывные, ограниченные с широкой областью гомогенности (в железе растворяется более 2 % элемента), ограниченные с узкой областью гомогенности (от 02. % до 2 %), с незначительной растворимостью (менее 0.2 %).

Растворение легирующих элементов в железе может происходить по типу замещения и внедрения.

Твердые растворы замещения образуются в случае выполнения условий Юм-Розери:

1. изоморфизм, т.е. однотипность решеток компонентов, составляющих раствор; (это условие необходимо, но недостаточно α-железо – Mo, W или γ-железо – Cu, Al образуют ограниченные твердые растворы)

2. соотношение атомных размеров компонентов («размерный фактор»)

При образовании неограниченных твердых растворов на основе железа атомные радиусы растворителя и растворенного элемента должны различаться не более 8 %, а для ограниченных твердых растворов не более 15 %.

Атомный металлический радиус представляет собой половину наименьшего расстояния между атомами в их кристаллической решетке. Атомный радиус железа и легирующего элемента в стали и сплаве может отличаться от тех же параметров в чистых металлах. Размеры атомов в твердых растворах характеризуются эффективным атомным радиусом.

Атомные радиусы железа: α – 0.124 нм, γ – 0.127 нм.

Атомные размеры Ni, Co, Mn, Cr, V отличаются от атомных размеров изоморфных с ними модификаций железа не более, чем на 8 %.

Ограниченные твердые растворы с широкой областью гомогенности образуют эти же элементы с неизоморфными модификациями железа.

Mo (10%) и W (11%) образуют с обеими модификациями железа ограниченные растворы с широкой областью гомогеннности.

Элементы на пределе размерного фактора (Ti, Nb, Ta) образуют ограниченные растворы с узкой областью гомогенности или практически не растворимы в железе.

Когда размерный фактор выходит за пределы ± 15% (Zr, Hf, Pb), элементы имеют незначительную растворимость в железе.

3. Значения предельной растворимости зависят от взаимного расположения элементов в периодической таблице. Наибольшую растворимость в железе имеют элементы расположенные в наиболее близких к нему группах V…VIII группах. Как известно, по мере удаления от железа увеличивается различие в строении внешних d- и s- электронных оболочек d-переходных металлов изменяется металлическая валентность и электрохимические свойства элементов, т.е. обычно говорят, что изменяется сродство к электрону.

Атомный радиус, нм, приК=8 Растворимость в α-железе

1.2.3 Твердые растворы внедрения

Твердые растворы внедрения образуют элементы внедрения с малыми атомными размерами.

Элементы внедрения	B	C	N	O	H
rx,нм	0.091	0.077	0.071	0.063	0.046

Твердые растворы внедрения всегда ограничены, а растворимость в них зависит от кристаллической структуры металла-растворителя и размеров атома элемента внедрения. Ограниченность твердых растворов внедрения определяется тем, что они сохраняют решетку металла-растворителя, а атомы внедрения в них занимают лишь вакантные междоузлия – октаэдрические и тетраэдрические поры в решетке металла-растворителя.

	о.ц.к.	г.ц.к.	г.п.у.
Октаэдрические поры	0.154 rMe	0.41 rMe	0.412 rMe
Тетраэдрические поры	0.291 rMe	0.22 rMe	0.222 rMe

Наиболее благоприятными позициями расположения атомов вне­дрения в твердом растворе будут октаэдрические поры в α-железе и окта- и тетраэдрические поры в γ-железе. Междоузлие обязательно должно быть меньше, чем размер атома внедрения, так как в против­ном случае прочной связи между атомами металла-растворителя и атомами внедрения не будет. Однако размер поры не должен быть и слишком малым, так как внедрение атома вызовет ослабление связей между атомами решетки растворителя, и структура такого твердого раствора будет неустойчивой. Какая из пор является наиболее благо­приятной для размещения в ней атома внедрения, будет определяться не только ее размерами, но и количеством соседних атомов, претер­певших деформацию при образовании твердого раствора внедрения.

Положение октаэдрических (б, г) и тетраэдрических пор в г.ц.к. (а, б) и о.ц.к. (в, г) решетках

Растворимость атомов внедрения увеличивается с уменьшением размера атомов, т.е. возрастает в ряду B-C-N-O-H. Из перечислен­ных атомов внедрения наибольшее значение при рассмотрении ле­гированных сталей имеют углерод и азот. Данные по их раствори­мости в α-железе приведены на рисунке.