Extremums at temperature dependencies physico-mechanical properties of iron, as a result of transformation in it at ~ 650ºс

Cover Page

Abstract


In the presented work on the basis of extrema on curves: efforts of resistance of draft, parameters of thin structure, metalgraphic structure depending on temperature and also numerous literary data on anomalies of physicomechanical properties of iron and staly transformation is declared at ~ 650 ºC. The research was conducted on samples from almost pure iron (0,008% C). An experiment (the metalgraphic research, the X-ray diffraction analysis, resistance to draft (Gleeble-3800) carried out through each 20 ºC.


Full Text

Введение

Большинство углеродистых и низколегированных сталей имеют структуру продуктов перлитного превращения или высокого отпуска (после закалки).

Максимальная пластичность или ударная вязкость достигаются, когда температуры перлитного превращения tП или высокого отпуска tО равны ~ 650 ºC. Это аномально, так как в обоих случаях снижению прочностных свойств или твердости соответствует уменьшение пластичности или вязкости, то есть охрупчивание [1−6].

Охрупчивание при tО > 650 ºC описано в 1915 г.: «Наиболее благоприятным в смысле получения хорошего сжатия при разрыве… оказался отпуск при 650 ºC» [7]. Но по поводу природы охрупчивания имеются взаимоисключающие суждения: огрубление карбидов по границам зерен [2] или «увеличение размеров кристалликов α-железа» [3]. Наиболее взвешенная позиция, на наш взгляд, у А. П. Гуляева, показавшего зависимость ψ до tО ~ 680 ºC с максимумом при tО ~ 640 ºC, а монотонные зависимости σВ, σ0,2, НВ и δ до tО ~ 640 ºC [4]. Можно предполагать, что подход А. П. Гуляева обусловлен отсутствием версии природы охрупчивания при понижении твердости и прочности.

Охрупчивание при tП > 650 ºC в работах [2] и [7] не комментируется, а Э. Гудремон сводит его к дисперсности карбидов [1]. Это вызывает возражение, так как «оценка свойств стали преимущественно при помощи какой-либо одной из структурных составляющих стали не является достаточной» [8]. «Значение свойств ферритной составляющей, помимо дисперсности карбидной фазы… подчеркивается в работах С. С. Штейнберга» [8].

Цель работы – исследование физико-механических свойств железа при ~ 650 °С, что, возможно, предопределяет аномалии на температурных зависимостях его производного железа – сталей.

Методика

Эксперимент проводили на образцах из железа, содержащего 0,008 % С, и сталях с различным содержанием углерода. Исследование микроструктуры (оптический микроскоп «Zeiss», растровый электронный микроскоп (JSM-7001F), рентгеноструктурный анализ, сопротивление осадке (установка Gleeble-3800), твердость и микротвердость проводили через каждые 20−40 ºC.

Результаты исследований

Несмотря на то, что Сорби описал перлит в 1886 г., «реалистической теории» [5] перлитного превращения «нет» [5].

Важнее другое: нет данных по значениям твердости (HRC) после изотермического перлитного превращения эвтектоидной стали в интервале ~ 620–670 ºС как в «классической работе Гензамера» [7], так и в работе [5], хотя значения σ0,2, σВ, σ-1, ψ (но не δ) для этого интервала приведены. Это странно, т. к. HRC определяется гораздо проще. Можно предположить, что значения твердости определены, но опущены, т. к. не устраивали Гензамера с соавторами.

Нами исследовано влияние изотермического отжига в диапазоне температур 580–680 ºС (рис. 1) на твердость и микротвердость углеродистых (У8 и 45) [9] сталей и чистого железа (0,008 % С). После нагрева до 820 ºС 1 ч образцы переносили в другую печь и выдерживали 24 ч при 580–680 ºС, а затем охлаждали в печи. Сравнение вели с образцами, которые непрерывно охлаждали в коробке с песком в печи от 850 до 630 ºС, а затем на воздухе в той же коробке.

 

Рисунок 1 – Зависимость от температуры изотермической выдержки (24 ч) твердости (НВ) стали У8 (а), стали 45 (б); микротвердости (HV) перлита стали У8 (в); микротвердости перлита и феррита стали 45 (г, д); твердости (HRB) железа (0,008 % С) (е) (▲ – твердость после непрерывного охлаждения)

 

Максимальную твердость и микротвердость структурных составляющих (феррита и перлита) обеспечивают ступени при 630 или 650 ºС. Повышение температуры изотермической выдержки до 660 ºС почти в полтора раза увеличивает твердость железа (0,008 % С). Это нонсенс, который требует хоть какого-то объяснения. Им может быть превращение в железе при ~ 650 ºС – основе сталей.

Проведение металлографического исследования после нагрева на 850 ºС и изотермической выдержке (2 ч) от 580 до 680 ºС через каждые 20º (рис. 2 а, б, в) шлифов железа (0,008 % С) показало, что после выдержки при 640 ºС травимость (в 4 % HNO3 в спирте) разных соседних зерен резко различна (рис. 2б), в отличие от выдержек при других температурах (рис. 2 а, в). Контрастная травимость может быть следствием геометрического совершенствования кристаллографических плоскостей относительно плоскости шлифа. Совершенствование может быть вызвано движением атомов во время максимального магнитострикционного изменения объема при ~ 650 ºС [10], т. е. превращением.

 

Рисунок 2 – Микроструктура чистого железа после нагрева на 850 ºС и изотермической выдержки при 620 (а), 640 (б) и 660 ºС (в), х200

 

Наряду с контрастной травимостью изотермическая выдержка при 640 ºС приводит к измельчению зерна по сравнению с выдержками при 580 и 680 ºС. Измельчение зерна отчетливо фиксируется как в оптическом (рис. 3 а, б, в), так и в электронном микроскопе (рис. 3 г, д, е, ж, з, и).

 

Рисунок 3 – Микроструктура чистого железа после нагрева на 850 ºС и изотермической выдержки (2 ч) при 580 (а, г, ж), 640 (б, д, з) и 680 ºС (в, е, и)

 

Измельчение зерна при изотермической выдержке при 640 ºС свидетельствует о прохождении рекристаллизационных процессов в железе. «Для рекристаллизации необходим обмен атомов местами» [1]. Полагаем, причиной «обмена атомами» может быть предполагаемое превращение.

Нами проведено рентгеновское исследование характеристик тонкой структуры (параметр решетки, ширина линий (110) и (220) железа с 0,008 % С, подвергнутого отпуску (нагреву) от 500 до 900 ºС через каждые 20º. Исследование проводили по двум сериям эксперимента, на каждом образце трижды снимали показания. По усредненным по шести замерам данным построены кривые для параметра решетки, ширины линий (110) и (220). На кривых видны острые минимумы при ~ 650 ºС (рис. 4 а, б, в). Их нельзя обнаружить при большем шаге эксперимента. Экстремумы свидетельствуют о значительных изменениях в атомном строении железа.

 

Рисунок 4 – Зависимость усредненного по трем точкам уширения дифракционных максимумов линии 110 (В110) (а), 220 (В220) (б), параметра решетки (в) от температуры отпуска чистого железа. Серия эксперимента № 1 и № 2

 

Проведение металлографического исследования шлифов железа (0,008 % С) (рис. 5 а, б, в) после закалки от 1050 ºС (вода) и отпуска в интервале 580–680 ºС (через 20º) показало, что после отпуска при 640 ºС (рис. 5б) наблюдается максимальная травимость границ зерен (выдержка для всех образцов в 4 % HNO3 в спирте составляла 20 сек). Изменение травимости границ зерен объясняют «как относительным обогащением, так и относительным обеднением приграничных зон зерен какими-то элементами» [11]. Для «обогащения или обеднения» необходимо изменение скорости диффузии. Такое ускорение возможно при превращениях, например, вблизи точки Кюри железа.

 

Рисунок 5 – Микроструктура чистого железа после закалки от 1050 ºС (вода) и отпуска (2 ч) при 600 (а), 640 (б), 680 ºС (в), х100

 

Горячая осадка (540–740 ºС) на половину высоты образцов ø 10´15 из железа с 0,008 % С проводилась на установке Gleeble-3800, испытания проводили через каждые 20º. При 640 ºС (рис. 6) кривая имеет отчетливый изгиб, повторяя кривую «горячей» твердости М. Г. Лозинского [12], что свидетельствует о качественном изменении сопротивления деформации.

 

Рисунок 6 – Зависимость усилия при деформации на половину высоты образца железа (0,008 % С) при температуре от 540 до 740 °С

 

Перегибы на кривых твердости характерны не только для железа, но и для других полиморфных металлов (кобальта, кальция, стронция и лантана), что позволяет, пользуясь методом аналогий, предполагать превращение в железе приблизительно при 650 ºС.

Заключение

Экстремальные значения на кривых зависимости физико-механических свойств железа и сталей от температуры при ~ 650 °C могут быть следствием превращения в железе, что, вероятно, определяет аномалии механического поведения и сталей.

About the authors

Karen Yu. Shakhnazarov

Saint-Petersburg Mining University

Author for correspondence.
Email: karen812@yandex.ru

Russian Federation, 2, 21st line, Vasilevsky Ostrov, Saint-Petersburg, 199106

Associate Professor, Department of Material Science and Technology of Art Products

References

  1. Гудремон, Э. Специальные стали : в 2-х т. Т. 1 / Э. Гудремон. – Москва : Металлургиз-дат, 1959. – 952 с. – Текст : непосредственный.
  2. Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов / И. И. Новиков. – 3-е издание. – Москва : Металлургия, 1978. – 392 с. – Текст : непосредственный.
  3. Мороз, Л. С. Тонкая структура и прочность стали / Л. С. Мороз. – Москва : Металлургиз-дат, 1957. – 160 с. – Текст : непосредственный.
  4. Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. – 5-е издание. – Москва : Металлургия, 1986. – 544 с. – Текст : непосредственный.
  5. Перлит в углеродистых сталях / В. М. Счастливцев [и др.]. – Екатеринбург, УРО РАН, 2006. – 311 с. – ISBN 5-7691-1713-3. – Текст : непосредственный.
  6. Shakhnazarov, K. Yu. Relation between anomalies of ferrum physical properties at ~ 650°С with possible tpansformation in it / K. Yu. Shakhnazarov, E. I. Pryakhin // CIS Iron and Steel Review. – 2017. – Vol. 13. – P. 24–27.
  7. Беляев, Н. И. О пределе упругости стали / Н. И. Беляев, Н. Т. Гудцов. – Текст : непосред-ственный // Журнал Русского Металлургического общества. – 1914. – Ч. 1, № 3. – С. 332–414.
  8. Бокштейн, С. З. Структура и механические свойства легированной стали / С. З. Бок-штейн. – Москва : Металлургиздат, 1954. – 280 с. – Текст : непосредственный.
  9. Сергеев, Ю. Г. Экстремальные значения твердости и микротвердости фаз после изотер-мического превращения аустенита при 630–650º С сталей 45 и У8 / Ю. Г. Сергеев, О. В. Курочкина, К. Ю. Шахназаров. – Текст : непосредственный // Сборник трудов XIV меж-дународной научно-технической конференции «Проблема ресурса и безопасной эксплу-атации материалов и конструкций». – Санкт-Петербург : СПбГУНиПТ, 2008. – С. 105–107.
  10. Бозорт, Р. Ферромагнетизм / Р. Бозорт. – Москва : Издательство иностранной литерату-рыры, 1956. – 784 с. – Текст : непосредственный.
  11. Утевский, Л. М. Отпускная хрупкость стали / Л. М. Утевский. – Москва : Металлургиз-дат. – 1961. – 192 с. – Текст : непосредственный.
  12. Лозинский, М. Г. Высокотемпературная металлография / М. Г. Лозинский. – Москва : Машгиз, 1956. − 312 с. – Текст : непосредственный.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Figure 1 - Dependence of the hardness (HB) of steel U8 (a), steel 45 (b) on isothermal holding temperature (24 h); microhardness (HV) of pearlite of U8 steel (c); microhardness of pearlite and ferrite of steel 45 (d, e); hardness (HRB) of iron (0.008% C) (e) (▲ - hardness after continuous cooling)

Download (76KB) Indexing metadata
2.
Figure 2 - Microstructure of pure iron after heating at 850 ºС and isothermal holding at 620 (a), 640 (b) and 660 ºС (c), х200

Download (49KB) Indexing metadata
3.
Figure 3 - Microstructure of pure iron after heating at 850 ºС and isothermal holding (2 h) at 580 (a, d, g), 640 (b, e, h) and 680 ºС (c, f, i)

Download (163KB) Indexing metadata
4.
Figure 4 - Dependence of the broadening of diffraction maxima of the 110 (B110) line (a), 220 (B220) (b), averaged over three points, and the lattice parameter (c) on the tempering temperature of pure iron. Experiment series No. 1 and No. 2

Download (65KB) Indexing metadata
5.
Figure 5 - Microstructure of pure iron after quenching from 1050 ºС (water) and tempering (2 h) at 600 (a), 640 (b), 680 ºС (c), х100

Download (45KB) Indexing metadata
6.
Figure 6 - Dependence of the force during deformation at half the height of the iron sample (0.008% C) at a temperature from 540 to 740 ° C

Download (31KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 81

PDF (Russian) - 24

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2020 Shakhnazarov K.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies