Различие в максимальной концентрации углерода в a-Fe и g-Fe. Основные требования к сталям для изготовления режущего инструмента

Билет №8.

Вопрос 1. Объясните, с чем связано различие в максимальной концентрации углерода в    a-Fe и g-Fe. Почему растворимость элементов внедрения в металле зависит от присутствия других элементов внедрения. Приведите конкретные примеры.

Ч.С. Баррет, Т.Б. Массальский «Структура металлов» Т1, 1984, стр.259

А.П. Гуляев «Металловедение», 1986, стр.146

Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков «Физика металлов», 1978, стр.35

Х.Дж. Гольдшмидт «Сплавы внедрения» Т1, 1971, стр.97

Твёрдыми растворами называют такие твёрдые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться, при этом имея кристаллическую решётку одного из компонентов. Fe с C (также с N и H) образует твёрдый раствор внедрения. В кристаллах твёрдых растворов внедрения атомы растворённого элемента (в нашем случае С) располагаются в межатомных промежутках кристаллической решётки (Fe).

Положение внедрённого атома в межузлии устойчиво, если радиус внедрённого атома достаточно мал, чтобы не слишком смещать окружающие его атомы металла, и достаточно велик, чтобы с ними соприкасаться. В кристаллических решётках выделяют два вида пор: тетраэдрические (окружённые 4 атомами) и октаэдрические (окружённые 6 атомами). Ковалентный радиус С 0,77Å. Размер пор зависит от типа кристаллической решётки и атома (размеров) растворителя. α-Fe имеет оцк-решётку, а γ-Fe – гцк-решётку. Возможные позиции внедрённых атомов в этих решётках показаны на рис.

Если представить в структуре γ-Fe все атомы железа в виде соприкасающихся сфер, то в октапоре сможет разместиться атом радиусом 0,52Å, а в тетрапоре - радиус "безболезненно" внедренного атома составит лишь 0,28Å. Поэтому более крупные поры (окта) принимают в себя атомы углерода (0,77Å) пусть и с некоторой деформацией (расширением) пространственной решетки, а мелкие тетрапоры оказываются совершенно непригодными для растворения внедренных атомов.

В о.ц.к. металлах (α-Fe) тоже можно рассмотреть два типа пор. В данном случае тетраэдрические междоузлия являются большими по размеру и располагаются в точке с координатами ½¼0 и во всех эквивалентных точках. Если в α-Fe сферические атомы железа касаются друг друга, то в тетра-пору между ними можно поместить атом радиусом 0,36Å. Более мелкие октаэдрические поры в о.ц.к. структуре расположены в серединах ребер элементарной ячейки (00½ и т.д.) и в эквивалентной позиции ½½0, где они окружены шестью атомами растворителя, образующими слегка сплюснутый октаэдр; два атома располагаются ближе друг к другу, чем остальные четыре. В решетке α-Fe в окта-пору без деформации (нарушения контакта между атомами) можно вписать лишь сферу диаметром 0,19Å. Также многочисленные исследования делают очевидным тот факт, что атомы углерода в решетке α-Fe располагаются в (00½) октаэдрических позициях, а не в более крупных междоузлиях (внедрение атома в тетраэдрическую пору вызовет смещение всех четырех окружающих атомов, в то время как при попадании внедренного атома в октапору только два ближайших атома окажутся смещенными, что является наиболее благоприятным).

Таким образом, чисто геометрические соображения подсказывают, что образование твёрдого раствора внедрения С в α-Fe затруднительнее, чем в γ-Fe. Возможность растворения С в α-Fe обусловлено в первую очередь наличием дефектов (количество которых зависит от температуры) и увеличением среднего межатомного расстояния в кристаллической решётке Fe при повышении температуры.

Максимальная концентрация С в γ-Fe 2,14% при 1147°С, а в α-Fe 0,1% при 1499°С и 0,02% при 727°С.

Растворимость в рассматриваемом металле возрастает в порядке В—С—N—О—Н, т.е. в порядке уменьшения размеров растворяющихся атомов; кроме того, можно заметить, что скорость уменьшения растворимости в направлении Н→В понижается с возрастанием атомного номера. Однако в данном случае определяющим фактором является не только размер атомов, но также увеличение - в том же самом порядке электроотрицательности этих неметаллов; это означает, что (поскольку растворяемые атомы являются донорами электронов по отношению к исходному металлу-растворителю) имеется ослабление в указанном порядке - их донорной способности и задержка структурных изменений, связанных с образованием (первого) соединения.

Очень высокая растворимость углерода в твердом γ-Mn и в Re, т.е. в металлах VII группы с кубической и гексагональной плотноупакованными структурами, соответствует началу новых нисходящих последовательностей: Мn-Сu и Re-Аu - снова в согласии с увеличением электроотрицательности. Такое понижение растворимости выбранного элемента внедрения в различных металлах-растворителях совершенно аналогично падению растворимости различных элементов внедрения (как упоминалось выше, т.е. в последовательности Н—О—N—С—В) в одном и том же металле-растворителе, причем в обоих случаях это падение обусловлено увеличением радиуса внедрённого атома и повышением электронной концентрации.