Залізо властивості і історія технології - речі і речовини - каталог статей

Залізо: властивості і історія технології

У цій частині нашої розповіді про залозі нам треба буде розповісти про нудний і абстрактному. А саме - про фазових станах системи "вуглець-залізо" і про магічні перетвореннях, які, як ми пам'ятаємо, завжди супроводжують перетворення гидкого каченяти на прекрасного лебедя, незграбною дівчинки-підлітка в привабливу сексуальну дівчину, а заліза - в чавун або в сталь.

У фізичної реальності цей процес і справді описується абсолютно незрозумілою картинкою:

Майже вся металургія заліза міститься саме в ній. Тому постараємося розповісти про цю металургії максимально захоплююче, але не втрачаючи важливих фізичних деталей.

Спочатку нам треба розібратися з чистим залізом, яке не містить в собі будь-яких додаткових домішок і, особливо, вуглецю, який і задає таке радує око різноманітність фазових станів заліза на першій діаграмі.

Чисте залізо може мати два стану своєї кристалічної решітки, ще іменованих фазами.
Перша фаза називається α-залізо (альфа-залізо, ферит), яке стійке при температурах нижче 910 ° С і вище 1390 ° С і γ-залізо (гамма-залізо, аустеніт), стійке в інтервалі температур 910 ° -1390 ° С. Кристалічна решітка α-заліза - об'ємно-центрований куб, а γ-заліза - гранецентрированний куб.
Строго кажучи, при температурі вище 1390 ° решітка гамма-заліза перебудовується в решіт-ку з дев'ятьма атомами, що носить назву дельта-заліза. Ця решітка відрізняється від решітки альфа-заліза кілька великою відстанню між центрами ато-мов і зберігається до моменту розплавлення заліза, тобто до температури в 1535 ° С.
Однак, для нашого розуміння і для цілей цієї статті, дана деталь несуттєва - ніхто не годує свиню до 16 років не гріє залізо вище 1390 ° ні при куванні, ні при загартуванню.

На мікрорівні це виглядає ось так:

Зліва - це α-залізо або ферит, праворуч - це γ-залізо або аустеніт.

Що цікаво - всі ці тонкі перебудови кристалічної структури відбуваються всередині твердого шматка заліза просто при досягненні наступної критичної температури. Крім двох критичних точок, пов'язаних з переходами від фериту до аустеніту і від аустеніту до дельта-фазі заліза є ще одна критична точка - точка втрати магнітних властивостей фериту. При температурі вище 768 ° залізо втрачає здатність притягуватися магнітом. При дуже малій швидкості нагрівання та охолодження крити-етичні втрати і придбання магнітних властивостей не збігаються один з одним на 12 °. При збільшенні швидкості охолодження розбіжність критичних точок збільшується.

В результаті крива нагріву чистого заліза виглядає досить екзотично - замість того, щоб рівномірно нагріватися або охолоджуватися при постійному підводі тепла ззовні або втрати тепла в навколишнє середовище залізо періодично як би зупиняється і "думає про щось", при цьому жадібно поглинаючи енергію, яка витрачається на створення нової структури кристалічної решітки або безкоштовно віддає тепло назад, перебудовуючи структури решітки в зворотному напрямку.

"Полички" при нагріванні заліза. Вони дозволяють аустеніту бути краще фериту.

Що можна зрозуміти, дивлячись на картинки з кристалічними решітками двох фаз заліза? Відразу кидається в очі, що структура γ-заліза в порівнянні з α-залізом набагато більш "щільна" і, як наслідок, більш міцна. Власне кажучи, то ж демонструє і графік нагріву заліза - енергія, витрачена на "поличках" і визначає кращі якості аустеніту - в ньому в кристалічній решітці просто запасене більше енергії зв'язку, ніж знаходиться в фериті.

Це так і є на макрорівні - чистий аустенит перевершує чистий же феррит за сукупністю всіх фізичних властивостей - він міцніше, у нього вище міцність на розрив (він тягучий), і у нього вишетвёрдость за шкалою Брінелля. Твердість аустеніту по Бринеллю становить 170-220 одиниць. в той час, як у чистого фериту вона зазвичай не вище 60-100 одиниць.

Як ми побачили вище, при природному ході подій, існування чистого аустеніту при кімнатній температурі неможливо - він розпадається на ферит (і ряд інших фазових станів заліза, які ми опишемо трохи пізніше) при температурі нижче 898 ° С. Тому в давнину, отримуючи крічное залізо, люди, по суті справи отримували саме феррит. Способи легування сталей, які дозволяли зберегти аустенитную фазу заліза при низьких температурах, були винайдені людьми набагато пізніше - вже в ХХ столітті.

Найбільш поширеним способом домогтися аустенитной фази заліза при кімнатній температурі є додавання в залізо нікелю. Нікель зберігає аустенитную фазу (γ-залізо) навіть при нульовій і негативній температурах, при цьому даний ефект спостерігається починаючи з змісту нікелю всього в 10% від загальної маси сплаву.
Саме така якість сплаву "залізо-нікель" дозволяло робити в стародавності неперевершені клинки з аустенітного метеоритного заліза.
Наприклад, в гробниці фараона Тутанхамона було знайдено поруч два практично ідентичних клинка: один повністю золотий, а другий - з мечем з чистого метеоритного залізо-нікелевого сплаву.

Для розуміння міцності і твердості міді, бронзи, дерева та інших матеріалів - приведу вашій увазі невелику таблицю, в якій вказані значення твердості різних матеріалів поБрінеллю:

Як бачите, олов'яна бронза з твердістю по Брінеллю в 70-80 одиниць - була навіть краще. ніж перше, м'яке крічное залізо, що отримується в примітивних сиродутних печах, і яке являло собою практично чистий феррит (з міцністю іноді і в 60 одиниць по Брінеллю).

Тому, не лякайтеся нинішньої кризи, коли вам правильно кричать (і я в тому числі): "Людство в перший раз стикається з ситуацією, коли ми переходимо на паливо з більш низьким EROEI!". Це і справді так, це небезпечно і неприємно, але це аж ніяк не смертельно. Треба просто йти вперед і вгору.

Перехід від хорошого, старої-доброї бронзи і від міцного метеоритного аустеніту до м'якого Феритний Крічний залозу був для античних воїнів неменшою катастрофою, ніж для нас зараз є перехід до атомної енергії.
Яке було їм отримати обладунок або меч - не тільки більш важкий у виготовленні, ніж бронзовий, але ще й гірший за якістю? Єдине, що втішало їх в такій ситуації - дерево мало ще гіршими значеннями твердості - від 2 до 7 одиниць Брінелля. Тому м'який залізний меч або сокира була краще дерев'яного. ;)

Однак фазову діаграму, намальована на першому малюнку, містить ще одну вісь, крім осі температур. Це вісь показує відсоток вуглецю в залозі.
І ось ця деталь додає багато оптимістичних фарб в наш нудний розповідь про м'якому крічном залозі.

Вся справа в тому, що вуглець може знаходиться всередині зливка заліза в трьох основних станах: у вигляді твердого розчину в фериті або аустените, у вигляді хімічної сполуки з залізом (цементиту. Fe3 C - або карбіду заліза), або у вигляді включень чистого вуглецю ( графіту).

І саме ці три форми знаходження вуглецю в залозі і визначають все різноманіття якостей одержуваних сплавів заліза і вуглецю.

Найгірше доводиться вуглецю в фериті. Найбільше з-тримання вуглецю, яке може розчинитися в фер-рите - це всього 0,04%. Ферит буквально "виштовхує" з себе вуглець, не дозволяючи йому потрапити в свою кубічні грати α-заліза. В силу цього, залізо, отримують з болотних руд в перших, низькотемпературних сиродутних печах, було дуже чистим і, як наслідок - дуже маловуглецевих і дуже м'яким. що ми згадали в попередній частині нашої розповіді.

Аустеніт ж може розчинити в собі набагато більше вуглецю - близько 2%. Тому, як тільки температура в сиродутний печі починає підніматися вище 900 ° С - властивості одержуваного заліза починають магічним чином поліпшуватися. Це пов'язано з тим, що одного разу розчинившись в аустените, вуглець потім не може "втекти" куди-небудь з твердого шматка металу - йому треба кудись "сховатися" при охолодженні заліза і перехід з високотемпературного аустеніту в існуючий при більш низьких температурах феррит.

В результаті перліт представляє з себе справжній металевий композит. Він утворюється з аустеніту при його повільному охолодженні. Температура перетворення аустеніту в перліт дорівнює 723 ° С. При досить повільному пере-ході через цю температуру цементит утворюється у вигляді зерен (глобули), і тоді перліт називається зерни-простим. При більш швидкому охолодженні цементит приоб-РЕТА форму пластинок, і такий перліт називається пластинчастим.
При досить швидкому охолодженні в ре-док значного переохолодження аустеніту вме-сто перліту виходять інші структури, про які йтиметься трохи нижче.
Перліт магнітів, міцний і пластичний. Твердість його знаходиться в межах від 160 до 230 за Брінеллю і дорівнює твердості якісного аустеніту. Це пов'язано з тим, що другий компонент перліту - цементит, на відміну від фериту, набагато більш твердий - його твердість по Бринеллю становить 800-820.

В результаті складається унікальна ситуація - п ластичні, але м'який феррит в перліті ідеально доповнюється твердим, але крихким цементитом і в підсумку виходить вона - красуня і розумниця.

Адже перліт - це і є сталь.

Тобто, варто було стародавнім металургам перейти через критичну межу в 900 ° С - і магічним чином всі властивості одержуваного ними заліза стали поліпшуватися. Все більше і більше вуглецю попадало з аустеніту в перліт, в перліті зростала кількість цементиту по відношенню до фериту, а саме залізо ставало все краще і краще, перетворюючись крок за кроком в якісну вуглецеву сталь.

Крім того, додаткові кількості вуглецю дозволяли радикально знижувати температуру плавки і йти від потрібних раннє домішок-шлаків, які використовувалися в крічном сиродутном процесі для зниження температури плавки заліза.
Це чітко можна побачити на першій діаграмі - якщо чисте залізо плавиться при 1535 ° С, то залізо, що містить близько 4% вуглецю - вже при 1100 ° С.
При цьому, якщо древній сиродутний процес неминуче вимагав величезних зусиль ковалів на "видавлювання" шлаків з отриманої криці, то додавання вуглецю в процес дозволяло і піти від непродуктивної праці ковалів, і поліпшити якість Крічний стали.

Тому рецепт, який знайшли багато металурги в різний час і в різних країнах був простий і зрозумілий:
"Не можна гасити піч". Не можна знижувати температуру, не можна упускати тепло з печі, треба дертися все вище і вище за шкалою температур, чого б це не коштувало.

Сама ж Крічний сиродутних піч теж ставала все вище і все більше, щоб максимально зберегти тепло плавки і забезпечити температуру всередині себе. Адже, як ми пам'ятаємо з тексту про кораблях - куб росте швидше квадрата.

Хлопчик виріс. Крічний піч XIX століття в Англії.

Більше піч - більше можна засипати вугілля. Більше вугілля - вище температура печі. Більше вуглецю з вугілля в розплав - нижче температура плавки заліза. Нижче температура плавки заліза - менше можна терпіти шлаки, Менше шлаків - менше ковалів, яким треба кувати і кувати вперту крицю, видавлюючи з неї шлак. Більше вуглецю в аустеніт - вище якість перліту. Вища якість перліту - краще сталь.

Точка біфуркації була пройдена.

У литовському повчанні кінця XIV століття все ще сказано: «Коваль повинен стежити за жаром, і якщо склад набуває яскраво-солом'яний колір (це всього лише 1100 ° С), то потрібно остудити горн, бо цей колір - ознака перегріву сировини. Не можна піднімати температуру вище червоно-жовтого кольору (а це всього лише 900 ° С) сировини ».

Чому? Чому в Московській землі печі розпалювали все дужче й дужче, а в Великому Князівстві Литовському піч боялися раскочегарить вище магічної точки в 900 ° С, за якої, власне кажучи, і починалася основна віддача від плавки заліза?

Вся справа була в географії.
І ліс, і болота, і пов'язані з ними болотна руда і якісний деревне вугілля - це, в кінцевому рахунку - територія.
Більше піч - більше треба руди, щоб завантажити її під зав'язку. Більше руди - більше боліт навколо. Більше руди - більше треба вугілля, щоб перетворити руду в щось путнє. Більше вугілля - більше лісу. Більше лісу - більше вугільних печей. Більше вугільних печей - більше території, на якій треба зібрати ліс. Більше зібрали лісу - більше полів під жито.

Примітивні печі для випалювання деревного вугілля.

Ви часто чуєте слово синергія? Ось вам її наочний приклад:

Берези.
Відповідно до законів сукцессии, Березняки замінюються добривами або хвойними лісами, термін - від 100 до 200 років. З іншого боку, береза, як
невимоглива до умов і саме швидкозростаюче дерево - найкраще закриває суцільні вирубки. Виходить така картина, що ліс на території Русі регулярно вирубувався - інакше не було б такої кількості березових лісів на протязі всього другого тисячоліття нашої ери, а були б українські діброви та українські хвойні ліси.

Але ж береза ​​- дуже поганий будівельний матеріал, вона швидко гниє. Для меблів теж не дуже годиться - вона занадто м'яка. По суті, береза ​​хороша тільки для дров, для берести, а починаючи з ХХ століття - для фанери. З цих двох призначень явно головне - дрова, береста - явно побічний продукт.

Якщо розглядати вирубку лісу просто як варіант ведення підсічно-вогневого землеробства, то не треба вирубувати ліси в таких кількостях, а потім кидати. При тодішньої щільності населення стільки дров не потрібно. І посівних площ стільки не потрібно.

Однаков разі присутності металургійного центру на Русі картинка стає набагато більш цілісною.
Утворюється поселення, воно веде підсічно-вогневе землеробство, яке, як відомо, набагато ефективніше звичайного травопільних сівозміни. Зрубані дерева - спочатку що попадеться, а потім майже виключно берези, дають, крім усього, якісний деревне вугілля - використовуються для металургійного виробництва. І самозабезпечення їжею, і виробництво конкурентоспроможної продукції йде нога в ногу. Населення зростає, йому стає тісно в рамках існуючого поселення - поруч відразу ж утворюється нова громада з тими ж технологіями - благо боліт і лісів на Русі повнісінько.

А ось у Великому Князівстві Литовському ситуація інша.
Поліські болота далеко на півдні. Ліси є, але їх менше. Із заходу - море і пси-лицарі, зі сходу - Русь, яка вміє плавити і кувати метал не гірше Литви.
Тут вже мимоволі задумаєшся - чи варто розпалювати піч по-повній - або краще тихенько плавити крицю з мінімальними втратами металу в шлак, а потім кувати-кувати-кувати Крічний болванку в м'яке, чисте залізо.

Адже будь-який прорив у розвитку відбувається саме так. Спочатку ти біжиш без будь-якої надії на поличці біля критичної точки або по початковій ділянці S-кривої. безперервно вкладаючи сили в майбутній Прорив, а потім, раптом, за магічною температурою в 900 ° С отримуєш "все і відразу".
Сталь. Зброя. Хліб. Імперію.

Ось тобі, матінка, і Юріїв день.
Ось тобі матінка, і Прорив.
Ось тобі, матінка і Імперія.
Ось тобі, матінка, і реактори-брідери.

Адже це все - лише ланки одного тисячолітньої ланцюга яка тягнеться і тягнеться на цій холодній, захололої, болотної і лісистій рівнині ось уже більше тисячоліття.
Це характер - і це у нас в крові.
І в твердому розчині нашого аустеніту. Про якому, я сподіваюся, ви тепер знаєте набагато більше, ніж раніше.