CC BY
10
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-2-23-25 УДК 621.745.35
Поступила 22.02.2022 Received 22.02.2022
О РАСПРЕДЕЛЕНИИ УГЛЕРОДА В АУСТЕНИТЕ Fe-C-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
На основании расчетов модели элементарной кристаллической ячейки у-железа показано, что в ее открытых порах не могут находиться ионы углерода. Углерод в Fe-C-сплавах растворяется и распределяется в основном в виде элементарных нанокристаллов графита. В аустените стали углерод находится в элементарных нанокристаллах графита и железо-углеродных комплексах. В аустените чугуна углерод присутствует в элементарных нанокристаллах графита.
Ключевые слова. Углерод, графит, атомы, ионы, аустенит, сталь, чугун, нанокристаллы, железо-углеродные комплексы. Для цитирования. Марукович, Е. И. О распределении углерода в аустените Fe-C-сплавов /Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стеценко //Литье и металлургия. 2022. № 2. С. 23-25. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-2-23-25.
ON CARBON DISTRIBUTION IN AUSTENITE Fe-C 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.
Based on the calculations of the model of the elementary crystal cell y-iron, it is shown that carbon ions cannot be present in its open pores. Carbon in Fe-C alloys dissolves and distributes mainly as elementary graphite nanocrystals. In steel austenite, carbon is found in elementary graphite nanocrystals and in iron-carbon complexes. In cast iron austenite, carbon is found in elementary graphite nanocrystals.
Keywords. Carbon, graphite, atoms, ions, austenite, steel, cast iron, nanocrystals, iron-carbon complexes.
For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. On carbon distribution in austenite Fe-C alloys. Foundry production and metallurgy, 2022, no. 2, pp. 23-25. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-2-23-25.
От распределения углерода в аустените Fe-C-сплавов во многом зависят свойства сталей и чугунов. Принято считать, что углерод в Fe-C-сплавах растворяется и распределяется в атомарном виде, образуя твердый раствор внедрения в кристаллической решетке у-железа (у-Бе) [1-4]. При этом выполняется уравнение:
dпyl = 0,4Ц, (1)
где dпyl - диаметр сферы, вписанной в пору, находящуюся в центре элементарной ячейки у-Бе; dy - диаметр атома железа у-Бе.
Известно, что dy = 0,257 нм [5]. Тогда dпyl, согласно уравнению (1), равно 0,105 нм.
Чтобы атом углерода внедрился в у-Бе, необходимо, чтобы диаметр атома углерода () не превышал 0,105 нм. Но из справочных данных известно, что = 154 нм [5]. Поскольку dc > dпyl, то принято считать, что атомы углерода в у-Бе находятся в ионизированном виде [6, 7]. Если атомы углерода отдают свои электроны в коллективизированную зону проводимости у-Бе и входят в поры его кристаллической структуры, то это должно способствовать увеличению электропроводности у-Бе. В действительности даже малые концентрации углерода значительно снижают электропроводность железа. Кроме того, известно, что на один атом у-Бе приходится одна пора с dпyl [1]. Если бы ионы углерода занимали все эти поры, то его максимальная концентрация в у-Бе была равна 50 ат. %. В действительности она составляет всего 9 ат. % [6]. Поэтому целью настоящей работы является определение возможного места нахождения атомов углерода в у-Бе. Для этого необходимо исследовать элементарную ячейку у-Бе.
Данную работу выполняли на модели. Атомы железа моделировали пенопластовыми шариками диаметром 40 мм каждый. Расстояния между ними выбирали в соответствующем масштабе исходя из
24
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY 2 2022
Рис. 1. Общий вид модели элементарной кристаллической ячейки у-железа
Рис. 2. Схема открытой поры элементарной кристаллической ячейки у-железа: 1 - атом железа; 2 - пора
определяющего размера элементарной ячейки y-Fe а = 0,364 нм [5]. Общий вид модели представлен на рис. 1. Из рисунка видно, что центральная пора элементарной ячейки y-Fe является изолированной. Поэтому ион углерода не может в нее попасть и там находиться. Но в элементарной ячейке y-Fe есть и открытые поры (рис. 1). Схематично вид такой поры показан на рис. 2. Из рисунка следует, что диаметр сферы, вписанной в открытую пору элементарной ячейки y-Fe (d,^ ), выражается следующим уравнением:
dín2 = 0,156dу . (2)
Поскольку dY = 0,257 нм, то d^2 = 0,040 нм.
Известно, что растворимость углерода в a-железе составляет всего 0,1 ат.% [6]. Считают, что атомы углерода не растворяются в кристаллической решетке a-железа (a-Fe) [2, 7, 8]. При этом выполняется уравнение:
dan = 0,29da, (3)
где dan - диаметр сферы, вписанной в пору элементарных ячеек a-Fe; da - диаметр атома железа a-Fe. Известно, что da = 0,248 нм [5]. Тогда dan, согласно уравнению (3), равно 0,072 нм. Поскольку dan > dyn2 , то ионы углерода не смогут попасть в поры элементарных ячеек y-Fe. Также не могут 9 ат.% ионов углерода находиться в вакансиях y-Fe, поскольку их атомная концентрация намного меньше углеродной. Известно, что в металлах и сплавах концентрация вакансий вблизи точки плавления составляет 0,1 - 0,01 ат. % [9]. Тогда возникает вопрос: где и как распределяется углерод в аустените Fe-C-сплавов? Для ответа на этот вопрос необходимо исследовать процессы растворения графита в жидком железе и кристаллизацию аустенита в стали и чугуне.
Молярная энтальпия плавления железа составляет только 3 % от его молярной энтальпии атомизации [10]. Поэтому при плавлении железа происходит реакция:
FeMK=Fe3H+Fea, (4)
где FeMK, Fe3H , Fea - соответственно микрокристаллы, элементарные нанокристаллы и свободные атомы железа. Расчетное значение диаметра элементарного нанокристалла железа составляет 6,6 нм [13].
Сталь и чугун можно получать растворением графита в расплаве железа или Fe-C-сплава. При этом молярная энтальпия растворения графита составляет 10 % от молярной энтальпии атомизации графита [10, 11]. Поэтому при растворении графита происходит реакция, аналогичная (4):
Смк=Сэн+Са, (5)
где CMK, Сэн, Са - соответственно микрокристаллы, элементарные нанокристаллы и свободные атомы графита (углерода).
При растворении графита в жидком железе происходит взаимодействие Fea с Са . В результате образуются железо-углеродные комплексы (ЖУК). Тогда микрокристаллы графита в расплаве железа будут распадаться на элементарные нанокристаллы по следующей реакции:
См^а=Сэн+ЖУК . (6)
Элементарными ЖУК являются соединения Fe3C.
Кристаллизация металлов и сплавов является наноструктурным процессом [14]. Тогда процесс кристаллизации аустенита в стали можно выразить следующим уравнением:
Feэн+Cэн+Feа+ЖУК=Aмкс, (7)
где Амкс - микрокристаллы аустенита в стали.
В расплаве чугуна, который кристаллизуется по стабильной диаграмме состояния Fe-C, образование микрокристаллов графита (Смк ) происходит по реакции:
Сэн + Са=Смк . (8)
Микрокристаллы аустенита в чугуне (Амкч ) формируются по реакции:
Feэн+Cэн+ЖУК=AмкЧ. (9)
Из уравнений (7) и (9) следует, что углерод не входит в y-Fe. В аустените Fe-C-сплавов углерод находится в основном в элементарных нанокристаллах графита.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лившиц Б. Г. Металлография: учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1990. 336 с.
2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
3. Новиков И. И., Золоторевский В. С., Портной В. К. и др. Металловедение. М.: Издательский Дом МИСиС, 2009, Т. 1. 496 с.
4. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. Материаловедение: учеб. для вузов. СПб.: Химиздат, 2017. 784 с.
5. Свойства элементов: справ. / Под ред. М. Е. Дрица. М.: Металлургия, 1985. 672 с.
6. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: справ. / Под ред. О. А. Банных и М. Е. Дрица. М.: Металлургия, 1986. 440 с.
7. Гуляев А. П. Металловедение: учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
8. Бунин К. П., Малиночка Я. Н., Таран Ю. Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969. 416 с.
9. Физическое металловедение. Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами / Под ред. Р. У. Кана и П. Хаазена. М.: Металлургия, 1987. Т. 2. 624 с.
10. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства: справ. / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976. 660 с.
11. Захарченко Э. В., Левченко Ю. Н., Горенко В. Г. и др. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. Киев: Наукова думка, 1986. 248 с.
12. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Наноструктурная теория металлических расплавов // Литье и металлургия. 2020. № 3. С. 7-9.
13. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Расчет параметров элементарных нанокристаллов жидких металлов при температуре плавления // Литье и металлургия. 2021. № 4. С. 16-18.
14. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Наноструктурная кристаллизация металлов // Литье и металлургия. 2021. № 2. С. 23-26.
REFERENCES
1. Livshic B. G. Metallografiya [Metallography]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1990, 336 p.
2. Lahtin Yu. M., Leont'eva V. P. Materialovedenie. [Materials]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990, 528 p.
3. Novikov IL, Zolotorevskij V. S., Portnoj V. K. Metallovedenie [Metallurgical Science]. Vol. 1. Moscow, Izdatel'skij Dom MISiS Publ., 2009, 496 p.
4. Solncev Yu. P., Pryahin E. I. Materialovedenie [Materials Science]. St. Petersburg, Himizdat Publ., 2017. 784 p.
5. Svojstva elementov. Spravochnik [Item Properties. Reference]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985, 672 p.
6. 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.
7. Gulyaev A. P. Metallovedenie [Metal Science]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986, 544 p.
8. Bunin K. P., Malinochka Ya. N., Taran Yu. N. Osnovy metallografii chuguna [Basics of metallography of cast iron]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1969, 416 p.
9. Fizicheskoe metallovedenie. Fazovye prevrashcheniya v metallah i splavah i splavy s osobymi fizicheskimi svojstvami [Physical metal science. Phase transformations in metals and alloys and alloys with special physical properties]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1987, vol. 2, 624 p.
10. Svojstva elementov. Ch. 1. Fizicheskie svojstva [Item Properties. Part 1. Physical Properties]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976, 660 p.
11. Zaharchenko E. V., Levchenko Yu.N., Gorenko V. G. Otlivki iz chuguna s sharovidnym i vermikulyarnym grafitom [Cast iron castings with spherical and vermicular graphite]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1986, 248 p.
12. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Nanostrukturnaya teoriya metallicheskih rasplavov [Nanostructural theory of metal melts]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2020, no. 3, pp. 7-9.
13. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Raschet parametrov elementarnyh nanokristallov zhidkih metallov pri temperature plavleniya [Calculation of parameters of elementary nanocrystals of liquid metals at melting temperature]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2021, no. 4, pp. 16-18.
14. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya metallov [Nanostructured crystallization of metals]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2021, no. 2, pp. 23-26.
