Элемент VIII группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Оно сходно с никелем и кобальтом, внешние орбитали атомов этих элементов отличаются только добавлением одного d -электрона - 3d 6 s 2 (Fe), 3d 7 s 2 (Ni), 3d 8 s 2 (Co).
Было известно человечеству по крайней мере шесть тысячелетий до н. э., сначала в виде метеоритов, обычно содержащих 90% Fe; 8,5% Ni и 0,5% Со. В земной коре запасы этих металлов приблизительно соответствуют отношению 2 10 3 ; 2 10 2:1
Научились выплавлять из руд не позднее 15 столетий до н. э., в 1500 г. мировое производство его достигло 50 тыс. т, в настоящее время оно близко к 500 млн. т.
Чистое железо - серебристо-белый вязкий и ковкий металл, при плавлении он увеличивается в объеме на 4,4%.
В 1868 г. Д. К. Чернов открыл аллотропию железа, определил температуры превращений, назвал их критическими точками (рис ., а) и установил, что режим горячей обработки и условия последующего охлаждения определяют строение и свойства сплавов железа. Значение работ Д. К. Чернова трудно переоценить. В 1900 г. при открытии Всемирной промышленной выставки в Париже Поль Монгольфье заявил: «Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталеплавильное дело обязаны настоящим своим развитием и успехом в значительной мере труду и исследованиям русского инженера Чернова».
Рис . Система железо-углерод:
а - критические точки железа; б - диаграмма состояния
Модификация твердого железа α, β и δ различаются температурными интервалами стабильного существования, α- и β-железо имеют пространственную решетку центрированного куба, а γ-железо - решетку куба с центрированными гранями. Ниже температуры 768° С железо обладает ферромагнитными свойствами. Выше этой температуры оно теряет их. Поэтому модификации а и.р различаются только магнитностью.
С углеродом железо образует карбид (цементит) Fе3С. От крытие Черновым критических точек легло в основу диаграммы
состояния железо - (рис .,б), характеризующей фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах с изменением температуры. Сплав с содержанием 6,66% С представляет собой карбид железа Fe 3 C. Точка Е на диаграмме соответствует предельной растворимости углерода в твердом железе. железа с содержанием углерода до 2% называют сталью, свыше 2% -чугуном. Содержание углерода в значительной мере определяет свойства стали. С увели чением углерода повышается твердость и прочность стали с одновременным понижением пластичности.
На свойства стали существенно влияют и другие, часто входящие в ее состав элементы: , кремнии, и т. д. Так, содержащийся в любой стали от 0,2 до 1,0% и свыше 1 % в марганцовистых сталях, повышает способность стали закаливаться, увеличивает ее твердость, прочность, предел текучести, понижает пластические свойства - относительное сжатие, удлинение и вязкость. содержится в распространенных марках стали в количестве не более 0,4%, а в кремнистых сталях - свыше 0,5%. повышает способность стали к закалке и увеличивает ее предел прочности.
Некоторые другие являются специальными присадка ми. Их вводят в сталь для придания ей особых свойств. Сталь, содержащая присадки, называется легированной.
Вредными примесями в стали являются , растворенные газы. вызывает хрупкость стали в горячем состоянии (красноломкость), неоднородность слитка по составу, ухудшает механические и пластические свойства. Поэтому содержание серы должно быть не более 0,02-0,05%.
Повышает хрупкость стали в холодном состоянии (хладноломкость) и понижает ударную вязкость. Максимальное содержание фосфора не должно превышать 0,02-0,03%.
По назначению сталь делится на три основных класса: конструкционная (рессорная, котельная, шарикоподшипниковая, и др.), применяемая в машиностроении; инструментальная, применяемая для изготовления инструмента; сталь с особыми свойствами- нержавеющая, кислотоупорная, жароупорная, жаропрочная, сталь с особыми магнитными свойствами и т. д.
Железо по содержанию в земной коре занимает четвертое место (4,7%). Распространенность железа, высокая концентрация в крупных месторождениях, разнообразные высокие физико-технические свойства сплавов железа сделали его самым широко применяемым металлом. Чугун тверд, хрупок и трудно поддается обработке. Поэтому он не всегда может быть применен непосредственно, а служит черновым металлом для получения стали разнообразных марок и производства чугунного литья. Таким образом, современное производство стали осуществляется в две стадии: получение чернового металла - чугуна и его рафинирование для превращения в сталь.
Статья на тему железа
Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них - сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо-углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.
1. КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД
Железо - металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит технические сорта Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации и Модификация -железа существует при температурах ниже 910 °С и выше (рис. 82). В интервале температур 1392-1539 °С a-железо нередко обозначают как -железо.
Кристаллическая решетка а-железа - объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры -железо магнитно (ферромагнитно). Температуру соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают
Плотность а-железа .
Рис. 82. Кривая охлаждения чистого железа (а) и схема микроструктуры феррита и аустенита -железо существует при температуре 910- 1392 °С; оно парамагнитно.
Кристаллическая решетка -железа гранецентрированная кубическая нм при
Критическую точку превращения ауфис. 82) при обозначают соответственно (при нагреве) и (при охлаждении). Критическую точку перехода при обозначают (при нагреве) и (при охлаждении).
Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность температура плавления атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метаста-бильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита, а в вшсокоуглеродистых сплавах и в виде графита.
В системе различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы-феррит и аустенит, а также цементит и графит.
Феррит - твердый раствор углерода и других примесей в -железе. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до и высокотемпературный -феррит в
предельной растворимостью углерода Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен .
Феррит (при 0,06 % С) . имеет примерно следующие механические свойства:
Аустенит - твердый раствор урлерода и других примесей в Атом углерода в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки (см. рис. 29, б), в которой может поместиться сфера радиусом атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.
Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в -железе по сравнению с растворимостью в -железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис. 82, в).
Железо обладает следующими свойствами:
более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное электрическое сопротивление ( примерно 0,1 мкОм×м), что ограничивает возможности применения железа как проводникового материала;
высокий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКр;
высокая механическая прочность;
дешевизна и доступность материала;
большая магнитная проницаемость и высокая индукция насыщения;
технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).
При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис.
Применение железа
Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электровакуумных приборах как материал для анодов, экранов и других элементов, работающих при температурах до 500 °С. Как ферромагнитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.
Стали
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,05% принято называть техническим железом, с содержанием углерода 0,05... 1,35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.
В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода всегда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1 ...0,37%); марганец Мп (0,2...0,8%); сера S (0,03...0,06%); фосфор Р (0,03... ...0,07%).
Кремний способствует устранению пузырей в слитке, повышает сопротивление разрыву и упругие свойства стали, а также повышает твердость.
Марганец повышает твердость стали и сопротивление разрыву, уменьшает удлинение и ухудшает свариваемость стали.
Сера является вредной примесью. Присутствие серы в количестве выше допустимого ухудшает прочность, пластичность и коррозионную стойкость, повышает истираемость и изнашиваемость изделий. Фосфор также является вредной примесью. Его повышенное содержание вызывает в стали хрупкость при обычных температурах и появление трещин при ударной деформации, ухудшает механические свойства за счет образования крупнозернистой структуры.
Кислород в стали содержится обычно в тысячных долях процента. При повышении содержания кислорода увеличивается хрупкость стали.
По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкционную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.
В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова “Сталь” ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь 10 (содержание углерода 0,1%).
Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, называются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значительной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.
Натрий
Натрий относится к перспективным проводниковым материалам, обладающим следующими свойствами:
удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза больше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;
низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводимости на единицу длины при нормальной температуре значительно легче, чем провода из любого другого металла;
химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой);
малый предел прочности при растяжении и других деформациях.
Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэтиленовые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.
Биметалл
В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.
Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечивает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.
Биметалл имеет механические и электрические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения: прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом, с другой - медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии (из тех же соображений применяется и расположение стали внутри конструкции в сталеалюминиевых проводах).
Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.
СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ
Сверхпроводники. При понижении температуры удельное сопротивление r металлических проводников уменьшается. Исключительный интерес представляет вопрос об электропроводности металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю.
В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Камерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению, значения.
Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью , температура Tс , при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, - температурой сверхпроводящего перехода , а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, - сверхпроводниками .
Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости g .
В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс , характерного для данного сверхпроводникового материала).
Такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В , закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс , но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода Bс .
Рис. 1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода
Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на рис.1. Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс . Наибольшая возможная температура перехода Т с0 (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита -при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная область OPQ на рис. 1 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ - нормальному состоянию материала. Если материал работает при температуре и магнитной индукции, соответствующих точке X на диаграмме состояния, то сверхпроводимость может быть нарушена нагревом (переход через кривую PQ в точке Y), повышением магнитной индукции (переход через кривую PQ в точке Z), а также в общем случае и одновременным изменением как Т , так и В , что переводит материал в нормальное состояние (кривая PQ пересекается в любой ее точке).
Рис. 2. Диаграммы состояния элементарных сверхпроводников первого рода для наиболее известных элементов
Рис. 3. Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником
В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнитная проницаемость m скачком падает от m = 1 до m = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис. 3.).
Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тс . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.
Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые .
К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура.
Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической индукции магнитного поля В с0 . Сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.
К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.
Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:
при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;
некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Т с , но и относительно высокие значения критической магнитной индукции В с0 ;
при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;
имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;
зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.
По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:
1) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];
2) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb,Sn).
Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры. В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.
Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.
Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведены в табл. 3.9.
Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость.), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающее таким свойством, называются криопроводниками.
Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.
Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности.
Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.
В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.
Сплавы - это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Самый распространенный способ получения сплавов - затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов. Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов.
Сплавы на основе железа
Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы - хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же они сравнительно недороги.
Благодаря этим достоинствам стали - основной конструкционный материал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.
Чугун. Чугуном называется сплав железа с содержанием углерода 2-4%. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.
Возрастающие требования техники к металлическим материалам, прежде всего в отношении их механических свойств, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах привели к созданию новых сплавов железа, содержащих Cr, Ni, Si, Mo, W и др.
Кроме того, для введения в сталь легирующих элементов применяются особые сплавы железа, получившие название ферросплавов.
В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.
Элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной. К важнейшим легирующим элементам относятся Cr, Ni, Mn, W, Мо. Широко применяются жаростойкие сплавы на основе никеля (нихром, содержащий никель, хром и другие).
В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно.
Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, т.е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.
Легированной считают сталь, в которой содержание определенных химических элементов не менее: 0,0001% бора; 0,1% титана, циркония, ниобия, ванадия и молибдена и 1,0% других легирующих элементов.
В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов - до 5%, в среднелегированных - 5-10% и высоколегированных - более 10%.
Чем выше легированность стали, тем больше ее стоимость. Наиболее дорогими являются стали с такими легирующими элементами, как Ni, Mo, W, Со.
Низколегированные стали наиболее широко применяются в строительстве. В машиностроении используют средне- и высоколегированные стали. В этих сталях обычно содержится 0,8-1,8% Мп; 0,4-1,2% Si; 0,8-1,0% Cr; 1,0-4,5% Ni; 0,15-0,4% Mo; 0,5-1,2% W; 0,06-0,3% V; 0,03-0,09% Ti; 0,002-0,005% B.
Рассмотрим особенности и область применения различных легированных сталей.
- 1. Жароустойчивые стали - легируют хромом, кремнием, алюминием и никелем, которые при высоких температурах образуют плотные оксидные пленки. Сталь, содержащую 1% кремния и 15% хрома, можно эксплуатировать при температуре 800°С. Такие стали применяют при производстве газовых турбин, клапанов моторов, реактивных двигателей.
- 2. Нержавеющие стали - должны содержать до 12% хрома и не более 0,23% углерода, что позволяет им быть устойчивыми против коррозии в щелочных, кислотных условиях и при высокой минерализации. Используют при изготовлении конструкций, эксплуатируемых в морской воде, например, арматура для опор Крымского моста.
- 3. Износоустойчивые стали - содержат до 1,3% углерода и 14% марганца, обладают большой способностью к упрочнению. Из такой стали изготавливают технику для строительства, ковши экскаваторов, стрелки на железнодорожных путях.
- 4. Конструкционные стали - это прежде всего хромированные и никелированные. Содержание хрома до 1,5% позволяет повысить прочность и твердость стали, а значит, расширить ее эксплуатационные характеристики при возведении высотных и большепролетных зданий. Введение до 5% никеля позволяет повысить коррозионную устойчивость в агрессивных средах, в том числе и газовых, что позволяет эксплуатировать изделия из них в нефтегазовой промышленности.
- 5. Инструментальные стали - при строительстве требуется большое число инструментов, которые по прочности должны быть выше, чем строительные материалы. Наиболее высокая износоустойчивость достигается при введении в качестве легирующей добавки вольфрама до 1,5%, но поскольку он дорог, то его заменяют композициями Сг 1,2-1,6%, Мп 0,4-1,1%, Si 0,4%.
Термин «железоуглеродистые сплавы» применяют для обозначения большой группы металлических сплавов, основой которых является железо — сталей. Несмотря на разработку в последние десятилетие новых выдающихся материалов, сплавы железа до сих пор являются наиболее важными и широко применяемыми металлическими материалами, которые применяют в промышленной практике. Их количество во всем мире, раз в десять превышают количество всех других металлических материалов вместе взятых.
Железоуглеродистые сплавы – стали
Популярность сталей можно объяснить несколькими факторами:
1) Руды, из которых производится железо, относятся к наиболее доступным минералам, которые находят в земной коре. Около 4,2 % земной коры составляют различные железные руды. Из этих руд железо можно извлекать относительно простыми и дешевыми методами по сравнению с другими металлами.
2) Точка плавления чистого железа составляет 1536 °С. Ниже этой температуры железо существует в виде различных модификаций – альфа-железа, гамма-железа и дельта-железа – в различных температурных интервалах. Поэтому существует много различных термических процессов – и при не слишком высоких температурах – которые дают возможность выгодно модифицировать свойства сплавов железа в очень широком диапазоне.
3) Ниже температуры 769 °С – точки Кюри – железо становится ферромагнитным, что делает возможным применение стали во многочисленных электротехнических приложениях.
Легирующие элементы как примеси
Сплавы железа, кроме самого железа – основного или базового металла – всегда содержат углерод, который является для них основным легирующим элементом. Стали обычно также содержат в небольших количествах и другие элементы. В ходе процесса производства чугуна и стали все стали неизбежно получают некоторое содержание марганца, кремния, серы и фосфора. Эти элементы входят металл, как примеси из исходного сырья или продуктов сгорания. В некоторых случаях эти элементы добавляют к исходному сырью намеренно для получения специальных свойств сплава.
Поэтому можно сделать вывод, что сплавы железа являются многокомпонентными металлическими сплавами. Однако, пока количества перечисленных элементов не превысят неизбежные уровни содержания, связанные с производством чугуна и стали (0,05-0,4 % кремния – 0,15-0,7 % магния – 0,035 % серы и фосфора), они не оказывают существенного влияния на равновесную фазовую диаграмму двухкомпонентного сплава системы железо-углерод. Поэтому для обыкновенных, нелегированных сплавов железа считают справедливой двухкомпонентную, то есть бинарную, равновесную фазовую диаграмму железо-углерод.
Модификации железа — рычаг термической обработки
Температура плавления чистого железа составляет 1536 °С. В твердом состоянии чистое железо обладает тремя аллотропическим модификациями, а именно:
— дельта-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 1392 до 1536 °С;
— гамма-железо – гранецентрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 911 до 1392 °С;
— альфа-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура при температуре до 911 °С.
Среди всех аллотропических превращений самую важную роль играет превращения альфа → гамма и гамма → альфа. Именно эти превращения дают теоретическую базу для большинства процессов термической обработки.
Железо образует твердые растворы со многими неметаллическими элементами. Оно образует растворы замещения с хромом, никелем, кобальтом и ванадием, тогда как с углеродом образует очень важный раствор внедрения.
Углерод и железо
Растворимость углерода в альфа-железе – феррите – очень незначительная – при комнатной температуре только 0,006 %. В гамма-железе – аустените – растворимость железа на несколько порядков выше – 2,06 % при температуре 1147 °С.
Железо образует с углеродом не только твердые растворы, но металлические соединения. Заместительным соединением железа и углерода является карбид железа – цементит – Fe 3 C. Основным свойством карбида железа является его высокая твердость (твердость по Викерсу около 900) и высокая хрупкость. Карбид железа практически не поддается никакой деформации. Температура плавления карбида железа – 1250 °С. Карбид железа не может считаться равновесной фазой. При определенных условиях он распадается на свои компоненты – железо и углерод. Этот углерод – графит – является уже равновесной фазой.
Loading...