Технические науки/Металлургия

Магистрант машиностроительного факультета Запорожченко В.В.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Особенности аустенитной высокомарганцовистой стали 110Г13Л

Высокомарганцовистая сталь 110Г13Л относится к сплавам, образующимся на основе γ-железа.

Как известно, для образования с γ-железом непрерывного ряда твердых растворов или твердых растворов в большом интервале концентраций должны быть выполнены следующие условия:

- кристаллическая решетка растворяемых элементов должна быть гранецентрированной;

- должно быть близкое значение атомных радиусов растворяемого элемента и у-железа;

- между атомами железа и атомами растворяемого элемента должна устанавливаться тесная металлическая связь.

Исходя из этих условий и из рассмотрения диаграмм состояния двойных сплавов следует, что на основе γ-железа при комнатной температуре устойчиво существуют только сплавы с элементами 8-й группы и марганцем.

Для создания промышленных аустенитных сталей могут быть использованы только Мп и Ni, так как остальные элементы (платина, иридий, палладий, родий и др.) очень дороги.

В системе железо-марганец (рис. 1.1) твердые растворы на основе γ-железа образуются в широком интервале концентраций.

Чистые сплавы Fe - Мп, не содержащие углерода, имеют аустенитную структуру только при очень большом содержании марганца (около 30% Мп) [1].

Марганцовистый аустенит обладает меньшей структурной устойчивостью по сравнению с никелевым и хромоникелевым.

Необходимая устойчивость аустенита при относительно небольшом содержании марганца обеспечивается за счет выбора определенного содержания углерода в сплаве.

При 1,0-1,3% углерода в сплаве устойчивая аустенитная структура образуется при 9,0-15,0% марганца.

Фазовыми составляющими медленно охлажденных сплавов Fe-Мп-С указанного состава являются твердый раствор у (аустенит) и карбидная фаза переменного состава (Fe, Мп)₃С.

Карбид (Fe, Мп)₃ С, образующийся при температуре 500-600° С в стали, содержащей примерно 13% марганца, является единственным, другие карбиды (МnзС; Мn₂С; Мn₇Сз), существование которых считается возможным в определенных температурных областях в виде самостоятельных фаз, в этой стали отсутствуют.

О структуре у-фазы и расположении углерода в гранецентрированной решетке продолжительное время дискуссировали. Высказывались предположения, что углерод в аустените находится в виде отрицательно заряженных ионов, имеющих значительный размер и находящихся в узлах решетки [2]. В других работах [3] указывалось, что углерод, образуя твердый раствор внедрения, находится в виде атомов. Разница в размерах атомов углерода и пор решетки γ-железа приводит к искажению решетки и препятствует заполнению атомами углерода всех пустот, т. е. ограничивает растворимость углерода в γ-железе.

Рисунок 1.1- Диаграмма состояния железо – марганец

Известно, что структура γ-железа представляет собой плотную трехслойную упаковку ионов железа с радиусами, равными 1,27 кХ.

Как указывает Н. Ф. Лашко и Н. И. Еремин [4], γ-железо имеет на 2,4% больший ионный радиус по сравнению с α-железом.

Можно было предположить, что атомы (или ионы) углерода, значительно меньшие по величине, должны размещаться в решетке γ-железа в пустотах между ионами железа. Такие пустоты могут быть двух видов:

1) октаэдрические, окруженные шестью ионами;

2) тетраэдрические, окруженные четырьмя ионами.

Центры октаэдрических пустот в гранецентрнрованной решетке совпадают с серединами ребер элементарной ячейки. В октаэдрических пустотах может разместиться ион или атом диаметром, равным 0,414 диаметра иона железа, т. е. равным 0,50 кХ.

Между тем радиус атома углерода, вычисленный из решетки алмаза, раной 0.77 кX. Если предположить, что углерод внедряется в решетку железа, то параметр кристаллической ячейки донжен измениться довольно значительно, чего в действительности не происходит. При продельном насыщении γ-железа углеродом (~2% по весу) параметр γ-решетки должен измениться на ~0,4-0,5 кХ, в действительности же он увеличивается только на сотые доли кХ [5].

Кроме того, отношение радиуса атома углерода к радиусу атома железа равно 0,60, в то время как согласно эмпирическому правилу Хегга отношение радиуса атомавнедренного элемента к радиусу металла не должно превышать 0,59.

В тетраэдрических пустотах атомы углерода не смогут находиться так как в них может поместиться только атом (или ион), равный 0,225 диаметра иона железа.

Исследованиями установлено, что при пропускании постоянного тока атомы углерода движутся к катоду и, следовательно, обладают положительным зарядом [6].

На основании этих данных наиболее вероятной формой растворений углерода в аустените следует считать раствор внедрения с расположением положительных ионов углерода в октаэдрических пустотах.

Благодаря особенности кристаллической решетки γ-железа марганцовистая аустенитная сталь при заданном напряженном состоянии обладает большей способностью к пластической деформации, чем ферритная.

Литература:

1. Гудремон Э. Ученье о специальных сталях. Металлургиздат, 1999.

2. Vogel R., During W. System Eisen – Zementit – Mangankarbid – Mangan. «Archiv fur das Eisenhuttenwesen», 1985. Jahrgang 9, H. 6, S.247.

3. Борчева Т.А. Исследование условий выделения карбидных фаз из стали Г13Л. Труды ЦНИИТМАШ, № 23ю Машгиз, 1992.

4. Isobe M. «Revue Metallurgie», 1983. N. 2, Р. 66.

5. Лашко Н.Ф., Еремин Н.И. Фазовый состав и структура аустенитных сталей. Машгиз, 1987.

6. Лебедев Т.А. Основные положения новой теории железоуглеродистых сплавов, ЛИУИ, 1939.