CC BY
9
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-3-27-29 УДК 621.745.35
Поступила 08.06.2022 Received 08.06.2022
НАНОСТРУКТУРНАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Е. И.МАРУКОВИЧ, В.Ю. СТЕЦЕНКО, Институт технологии металлов НАНБеларуси, г. Могилев, Беларусь, ул. Бялыницкого-Бирули, 11. E-mail: [email protected]
А. В. СТЕЦЕНКО, МОУВО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев, Беларусь, пр. Мира, 43
Показано, что перекристаллизация железоуглеродистых сплавов является наноструктурным процессом. Микрокристаллы вторичного цементита сталей и чугунов формируются из элементарных нанокристаллов железа и графита, свободных атомов графита и железоуглеродных комплексов. Микрокристаллы первичного а-феррита сталей образуются из элементарных нанокристаллов железа и графита, свободных атомов железа. Микрокристаллы вторичного графита чугунов формируются из элементарных нанокристаллов и свободных атомов графита. Микрокристаллы эвтектоида образуются из элементарных нанокристаллов железа и углерода, свободных атомов железа и углерода, железоуглеродных комплексов.
Ключевые слова. Сталь, чугун, перекристаллизация, наноструктурный процесс, нанокристаллы, свободные атомы, микрокристаллы, железоуглеродные комплексы. Для цитирования. Марукович, Е. И. Наноструктурная перекристаллизация железоуглеродистых сплавов / Е. И. Ма-рукович, В.Ю. Стеценко, А. В. Стеценко // Литье и металлургия. 2022. № 3. С. 27-29. https://doi. org/10.21122/1683-6065-2022-3-27-29.
NANOSTRUCTURED RECRYSTALLIZATION OF IRON-CARBON ALLOYS
E.I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, Institute of Technology of Metals of National Academy of Sciences of Belarus, Mogilev, Belarus, 11, Bialynitskogo-Biruli str. E-mail: [email protected] A. V. STETSENKO, Belarusian-Russian University, Mogilev, Belarus, 43, Mira ave.
Recrystallization of iron-carbon alloys has been shown to be a nanostructured process. Microcrystals of secondary ce-mentite of steels and cast iron are formedfrom elementary nanocrystals of iron and graphite, free atoms ofgraphite and iron-carbon complexes. Microcrystals ofprimary a-ferrita steels are formedfrom elementary nanocrystals of iron and graphite, free iron atoms. Microcrystals of cast iron secondary graphite are formed from elementary nanocrystals and free graphite atoms. Eutec-toid microcrystals are formed from elementary nanocrystals of iron and carbon, free atoms of iron and carbon, iron-carbon complexes.
Keywords. Steel, cast iron, recrystallization, nanostructured process, nanocrystals, free atoms, microcrystals, iron-carbon complexes.
For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostructured recrystallization of iron-carbon alloys. Foundry production and metallurgy, 2022, no. 3, pp. 27-29. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-3-27-29.
Металлический расплав является наноструктурной системой, а кристаллизация металлов и железоуглеродистых сплавов - наноструктурным процессом [1-3]. Микрокристаллы аустенита стали (Амкс) формируются из элементарных нанокристаллов железа (Fe3H), элементарных нанокристаллов графита (Сэн ), свободных атомов железа (Fea ) и железоуглеродных комплексов (ЖУК) [3]. Этот процесс можно выразить реакцией:
Feэн+Cэн+Fea+ЖУК=Aмкс. (1)
При охлаждении Амкс с содержанием углерода от 9 до 3,5 ат. % ниже линии ES диаграммы состояния «железо - углерод» ЖУК частично распадается на свободные атомы графита и железа, которые взаимодействуют с компонентами Амкс. В результате из него образуются микрокристаллы вторичного цементита (Цмкв ) [4, 5]. Они формируются из выделившихся вторичных элементарных нанокристаллов железа ^еэнв ) , вторичных элементарных нанокристаллов графита (Сэнв ), вторичных свободных ато-
28
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY 3 2022
мов графита (Сдд ) и вторичных железоуглеродных комплексов (ЖУКв ) следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы вторичного цементита (Цснв ) по реакции:
FeЭнв + Сэнв + Сав + ЖУКв = Цснв. (2)
Затем формируются центры кристаллизации вторичного цементита (Ццкв ) :
Цснв + Сав + ЖУКв = Ццкв . (3)
Заканчивается процесс образованием Цмкв по реакции:
Ццкв + Цснв + Сав + ЖУКв=Цмкв . (4)
После выделения вторичного цементита концентрация углерода в аустените стали уменьшается до 3,5 ат. %. После этого происходит эвтектоидная реакция: микрокристаллы эвтектоидного аустенита (Амкэ) распадаются на эвтектоидные элементарные нанокристаллы железа ^еэнэ), эвтектоидные элементарные нанокристаллы графита (Сэнэ ) , эвтектоидные свободные атомы графита (Саэ ) , эвтектоидные железоуглеродные комплексы (ЖУКэ ), эвтектоидные свободные атомы железа (Feаэ ), и из них совместно формируются микрокристаллы эвтектоидного цементита (Цмкэ ) и микрокристаллы эвтектоидного а-феррита (Фмкэ).
Образование Цмкэ происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы эвтектоидного цементита (Цснэ ) по реакции:
Feэнэ + Сэнэ + Саэ + ЖУКэ = Цснэ . (5)
Затем образуются центры кристаллизации эвтектоидного цементита (Ццкэ ) :
Цснэ + Саэ + ЖУКэ = Ццкэ . (6)
Заканчивается процесс формированием Цмкэ по реакции:
Ццкэ + Цснэ + Саэ + ЖУКэ = Цмкэ . (7)
Фмкэ содержит 0,1 ат. % углерода [4]. Поэтому образование Фмкэ происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы эвтектоидного а-феррита (Фснэ) по следующей реакции:
^энэ + ^ аэ + Сэнэ Фснэ (8)
Затем образуются центры кристаллизации эвтектоидного а-феррита (Фцкэ ) :
Ф + Fe = Ф (9)
снэ аэ цкэ
Заканчивается процесс формированием Фмкэ по реакции:
ф + ф + Fe = Ф (10)
цкэ снэ аэ мкэ
При охлаждении эвтектоида из Фснэ выделяются Сэн , которые присоединяются с помощью Саэ к Цмкэ . В результате концентрация углерода в эвтектоидном а-феррите уменьшается согласно диаграмме состояния «железо - углерод» [4].
При охлаждении стали с содержанием углерода от 0,5 до 3,5 ат. % ниже линии GS на диаграмме состояния «железо - углерод» ЖУК аустенита частично распадается на свободные атомы железа и графита. Они вступают в реакцию с компонентами Амкс . В результате образуются и выделяются первичные элементарные нанокристаллы железа (Feэнп) и первичные свободные атомы железа (Feап). Из них формируются микрокристаллы первичного а-феррита (Фмкп ).
Согласно диаграмме состояния «железо - углерод», в Фмкп должен находиться углерод [4]. Это обеспечивается тем, что в структуру Фмкп встраиваются первичные нанокристаллы графита (Сэнп) , которые выделяются из аустенита. Тогда образование Фмкп можно представить следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы первичного а-феррита (Фснп ) по реакции:
^энп + ^ ап + Сэнп Фснп
(11)
Затем образуются центры кристаллизации первичного а-феррита (Фцкп ) :
ф + Fe = Ф (12)
снп ап цкп
Заканчивается процесс формированием Фмкп по реакции:
Ф + Ф + Fe = Ф (13)
цкп снп ап мкп
Выделение Фмкп повышает концентрацию углерода в аустените стали до 3,5 ат. %. Последний затем превращается в Лмкэ . Его распад при эвтектоидной реакции происходит по реакциям (5) - (10).
Микрокристаллы аустенита чугуна образуются из Feэн , ЖУК и элементарных нанокристаллов графита (Сэн) . Этот процесс можно выразить уравнением [3]:
Feэн + Сэн + ЖУК = Лмкч . (14)
При охлаждении аустенита чугуна с содержанием углерода от 9 до 3,5 ат. % ниже линии ES на диаграмме состояния «железо - углерод» ЖУК частично распадается на свободные атомы железа и углерода. При их взаимодействии с аустенитом могут образовываться вторичные микрокристаллы цементита или вторичные миикрокристаллы графита (Смкв ) . Первые выделяются, если при эвтектической реакции формируется аустенитно-цементитная эвтектика, вторые - если образуется аустенитно-графитная эвтектика [5]. Цмкв формируется по реакциям (2) - (4). Смкв образуются из выделяющихся элементарных нанокристаллов вторичного графита (Сэнв ) и свободных атомов вторичного графита (Сав) следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы вторичного графита (Сснв ) по реакции:
Сэнв + Сав = Сснв . (15)
Затем образуются центры кристаллизации вторичного графита (Сцкв ) :
Сснв + Сав = Сцкв . (16)
Заканчивается процесс формированием Смкв по реакции:
Сцкв + Сснв + Сав = Смкв . (17)
Выделения Смкв или Цмкв снижают концентрацию углерода в аустените чугуна до 3,5 ат. %. Последний становится затем Лмкэ . Его распад при эвтектоидной реакции происходит по реакциям (5) - (10). Но если скорость эвтектоидной реакции мала, то распад Лмкэ может произойти с образованием Фмкэ и микрокристаллов эвтектоидного графита (Смкэ ) . При этом все ЖУКэ Лмк^ распадаются на Саэ и Feаэ.
Смкэ формируются следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы эвтектоидного графита (Сснэ ) по реакции:
Сэнэ + Саэ = Сснэ . (18)
Затем формируются центры кристаллизации эвтектоидного графита (Сцкэ ) :
Сснэ + Саэ = Сцкэ . (19)
Заканчивается процесс образованием Смкэ по реакции:
Сцкэ + Сснэ + Саэ = Смкэ . (20)
ЛИТЕРАТУРА
1. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Наноструктурная теория металлических расплавов // Литье и металлургия. 2020. № 3. С. 7-9.
2. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Наноструктурная кристаллизация металлов // Литье и металлургия.
2021. № 2. С. 23-26.
3. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Кристаллизация железоуглеродистых сплавов - наноструктурный процесс // Металлургия машиностроения. 2022. № 2. С. 20-22.
4. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: справ. / Под ред. О. А. Банных и М. Е. Дрица. М.: Металлургия, 1986. 440 с.
5. Лившиц Б. Г. Металлография: учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1990. 236 с.
REFERENCES
1. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Nanostrukturnaya teoriya metallicheskih rasplavov [Nanostractural theory of metal melts]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2020, no. 3, pp. 7-9.
2. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya metallov [Nanostructural crystallization of metals]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2021, no. 2, pp. 23-26.
3. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Kristallizaciya zhelezo-uglerodistyh splavov - nanostrukturnyj process [Crystallization of iron-carbon alloys - nanostructured process]. Metallurgiya mashinostroeniya = Metallurgy of Machinery Building,
2022, no. 2, pp. 20-22.
4. Diagrammy sostoyaniya dvojnyh i mnogokomponentnyh sistem na osnove zheleza: spravochnik [Status diagrams of dual and multi-component iron-based systems: Reference]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986, 440 p.
5. Livshic B. G. Metallografiya. Uchebnik dlya vuzov [Metallography. Textbook for universities]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1990, 236 p.
