Jern Fe (ferrum) – egenskaper, struktur og betydning i stål

Jern (Fe, latin ferrum) er grunnelementet i de fleste materialer som kalles stål og støpejernDens spesielle betydning innen metallurgi skyldes ikke bare dens høye tilgjengelighet og industrielle produksjonsmuligheter, men fremfor alt dens evne til å forekomme i forskjellige allotrope former og danne faste løsninger med kull og en rekke legeringselementer.
Det er de strukturelle endringene som skjer i jern og dets legeringer med karbon som danner grunnlaget for de fleste prosesser. varmebehandling av stålEvnen til å omdanne ferritt til austenitt og deretter oppnå ferritt, perlitt, bainitt eller martensitt ved avkjøling gjør det mulig å forme de mekaniske egenskapene til stål over et ekstremt bredt spekter.
I mange tiår, fra slutten av 1800-tallet, var utviklingen av metallurgi uløselig knyttet til studiet av systemet. jern–karbonDette skyldtes den enorme praktiske betydningen av jernlegeringer, som har blitt et av de grunnleggende byggematerialene i den moderne sivilisasjonen.

Jern – Fe – grunnleggende data

Eldre teknisk litteratur antyder litt forskjellige verdier, som et smeltepunkt på 1535 °C, et kokepunkt på omtrent 3070 °C eller en Curie-temperatur på 768 °C. Disse forskjellene stammer blant annet fra historisk brukte data og målemetoder. Moderne fysisk-kjemiske tabeller for rent jern antar et smeltepunkt på omtrent 1538 °C , et kokepunkt på omtrent 2862 °C og en Curie-temperatur på omtrent 770 °C.

Jernisotoper

Naturlig jern består av fire stabile isotoper:

Den desidert vanligste isotopen er ^56Fe . Det veide gjennomsnittet av massene til de naturlig forekommende isotopene gir en relativ atommasse for jern på omtrent 55,845 u.

Forekomst av jern i naturen

Jern er et av de viktigste grunnstoffene i jordens struktur. Det forekommer hovedsakelig i jordskorpen i form av kjemiske forbindelser fordi det reagerer relativt lett med andre grunnstoffer.
De viktigste industrimineralene og jernmalmene inkluderer:

• hematitt Fe₂O₃,
• magnetitt Fe₃O₄,
• goetitt FeO(OH),
• sideritt FeCO₃.

Jern kan også forekomme i sulfider, silikater og andre mineraler.
Naturlig jern er svært sjeldent i naturen. Det er mye mer vanlig i en kjemisk bundet form. Et spesielt tilfelle er jernet som finnes i jernmeteoritter, hvor det kan danne legeringer med nikkel.

Rent jern og teknisk jern

Det er teknologisk vanskelig å utvinne jern med svært høy renhet. Industrielle metallurgiske prosesser resulterer i et materiale som inneholder små mengder av andre elementer.
Teknisk jern kan blant annet inneholde:

• karbon C,
• mangan Mn,
• silisium Si,
• fosfor P,
• svovel S,
• oksygen O,
• nitrogen N,
• hydrogen H

Selv små mengder av disse elementene kan påvirke de fysiske, mekaniske og teknologiske egenskapene til jern og dets legeringer.

Tekniske varianter av jern

Tekniske varianter av jern inkluderer blant annet:

• elektrolytisk jern – fremstilt ved elektrokjemiske metoder og kjennetegnet ved høy renhet,
• karbonyljern – oppnådd ved nedbrytning av jernpentakarbonyl Fe(CO)₅, preget av svært høy renhet,
• høyrent jern – fremkommet ved spesielle raffineringsmetoder,
• ARMCO-jern – teknisk rent jern utvunnet ved metallurgiske metoder.

Ytterligere økning av materialets renhet er mulig ved bruk av spesielle metoder, f.eks. sonesmelting i vakuum.

Polymorfisme og allotropi av jern

En av de viktigste egenskapene til jern fra et metallurgisk synspunkt er dets polymorfisme, dvs. evnen til å forekomme i forskjellige krystallstrukturer avhengig av temperatur.
For rent jern ved atmosfærisk trykk kan man skille mellom tre grunnleggende strukturelle områder:

Endringen i krystallstrukturen til jern er et av de grunnleggende fenomenene som muliggjør varmebehandling av stål.

α-jern – ferritt og BCC-gitter

Under omtrent 912 °C forekommer rent jern som alfajern om et vanlig romlig sentrert nettverk – BCC (kroppssentrert kubisk).
Den faste løsningen av karbon og andre elementer i α-jern kalles ferritt.
Ferritt er karakterisert ved svært lav løselighet kullDen maksimale løseligheten av karbon i ferritt er omtrent 0,02 vekt% nær eutektoidtemperaturen og avtar med synkende temperatur.
Ferritt er relativt mykt og duktilt. I lavkarbonstål er det en av de grunnleggende komponentene i mikrostrukturen deres og har en betydelig innvirkning på duktiliteten og plastiske formbarheten deres.

Jernferromagnetisme og Curie-temperaturen

Alfajern er ferromagnetisk under Curie-temperaturen på omtrent 770 °C.
Etter å ha overskredet Curie-temperaturen, mister jern sin ferromagnetiske orden og blir paramagnetisk, men det er ingen endring i BCC-krystallgitteret.
I eldre litteratur ble paramagnetisk α-jern som oppsto mellom Curie-temperaturen og α→γ-overgangstemperaturen noen ganger referert til som β-jern.
Det er imidlertid ikke en distinkt allotrop av jern. Betegnelsen β har for tiden primært historisk betydning.

γ-jern austenit og FCC-nettverket

Etter å ha oversteget omtrent 912 °C, omdannes BCC-strukturen til rent jern til en flatesentrert kubisk struktur. FCC (flatesentrert kubisk). Det oppstår deretter γ-jern.
Den faste løsningen av karbon og andre elementer i γ-jern kalles austenit.
Austenitt er grunnleggende for varmebehandling av stål fordi den kan løse opp betydelig mer karbon enn ferritt. Dette skyldes den forskjellige geometrien til FCC-krystallgitteret.
I det metastabile Fe–Fe-systemet₃C er den maksimale løseligheten av karbon i austenitt omtrent 2,1 vekt% ved en temperatur på omtrent 1147 °C.
Det er muligheten til å løse opp karbon i austenitt og deretter transformere denne fasen under avkjøling som gjør det mulig å utføre stålherding og oppnå strukturer med svært høy hardhet.

δ jern – en høytemperaturvariant av jern

Ved en temperatur på omtrent 1394 °C omdannes FCC γ-jern tilbake til BCC-strukturen. Høytemperaturformen kalles δ jern.
δ-jern forekommer fra omtrent 1394 °C til et smeltepunkt på omtrent 1538 °C.
I likhet med α-jern har det et BCC-gitter, men det forekommer i et helt annet temperaturområde.
Jern δ er spesielt viktig når man analyserer stålstørkningsprosesser og tolker høytemperaturdelen av jern-karbon-systemet.

Jern og jern-karbon-systemet Fe-C

System jern–karbon er det grunnleggende likevektssystemet som brukes i metallurgien av stål og støpejern.
I praksis analyseres følgende primært:

• metastabilt system Fe–Fe₃C, hvor sementitt forekommer,
• stabilt system Fe–C, hvor karbon kan forekomme i form av grafitt.

Jern-karbon-systemet inkluderer blant annet:

• ferritt – fast løsning av karbon i α-jern,
• austenit – fast løsning av karbon i γ-jern,
• Fe-sementitt₃C – jernkarbid,
• perlitt – en blanding av ferritt og sementitt som følge av eutektoidtransformasjonen,
• ledeburitt – en blanding dannet under den eutektiske transformasjonen,
• grafitt – en fri form for karbon som forekommer i et stabilt Fe–C-system.

Detaljert informasjon om ferritt, austenitt, sement, perlitt, ledeburitt og grafitt er også beskrevet på siden Karbon C – karboneum og jern-karbon-systemet.

Hvorfor kan jern lage stål?

Jerns eksepsjonelle betydning som byggemateriale skyldes muligheten til å forme dets egenskaper i stor grad gjennom karboninnhold, legeringstilsetninger og varmebehandling.
Teknisk sett er rent jern i seg selv relativt mykt og formbart. Tilførsel av karbon fører imidlertid til fundamentale endringer i strukturen og egenskapene.
Avhengig av karboninnhold og termisk historie er det mulig å oppnå strukturer med svært forskjellige egenskaper – fra myke og plastiske ferritiske strukturer til svært harde martensittiske strukturer.
Derfor er jern ikke bare den viktigste kvantitative komponenten i stål. en matrise der faseendringer skjer som bestemmer materialets egenskaper.

Effekten av karbon på jern- og stålegenskaper

Kull er det grunnleggende elementet som bestemmer strukturen og egenskapene til klassisk stål.
Med økningen i innholdet – når man sammenligner lignende strukturelle tilstander – er det mulig å øke:

• hardhet,
• utholdenhet,
• herdbarhet og evnen til å oppnå martensittiske strukturer.

Samtidig kan høyere karboninnhold føre til en reduksjon i:

• plastisitet,
• duktilitet,
• slagstyrke,
• sveisbarhet.

Imidlertid kan ikke karbonets påvirkning vurderes isolert fra mikrostrukturen, legeringstilsetningene og den anvendte varmebehandlingen.

Jern som en matrise av legeringsstål

Stålets egenskaper kan endres ved å introdusere passende utvalgte legeringselementer i jernmatrisen.
De viktigste inkluderer:

• krom Cr – øker herdbarheten, slitestyrken og i passende konsentrasjon korrosjonsbestandighet,
• Nikkel Ni – stabiliserer austenitt og kan forbedre duktilitet og korrosjonsbestandighet,
• mangan Mn – påvirker herdbarheten og stabiliteten til austenitt,
• silisium Si – fungerer som et deoksidasjonsmiddel og kan øke styrken,
• molybden Mo – forbedrer herdbarhet og anløpingsmotstand og er viktig i stål som opererer ved forhøyede temperaturer,
• vanadium V – skaper slitesterke karbider og påvirker kornforfiningen,
• wolfram W – skaper harde karbider og øker motstanden mot anløping,
• titan Ti – lager slitesterke karbider og nitrider,
• niobium Nb – danner karbider og karbonitrider og kan begrense kornvekst,
• kobolt Co – brukes blant annet i noen verktøy- og hurtigstål.

Effektene av legeringstilsetninger er mer komplekse enn bare å øke eller redusere en enkelt egenskap. Elementer kan påvirke fasetransformasjonstemperaturer, herdbarhet, kornstørrelse, karbidtype og stabilitet, korrosjonsbestandighet og materialoppførsel under varmebehandling.

Jern og ferritiske, austenittiske og martensittiske stål

Allotropiske former av jern er også grunnlaget for navngivingen av mange strukturer som finnes i stål.
Ferritiske stål har en ferrittisk matrise med en BCC-struktur. Et eksempel er Rustfritt stål H17 / X6Cr17 / 1.4016 / AISI 430.
Austenittiske stål har en austenittisk matrise med en FCC-struktur, stabilisert primært av en passende kjemisk sammensetning. Et klassisk eksempel er 0H18N9 / 1.4301 / AISI 304.
Martensittiske stål kan oppnå en martensittisk struktur som et resultat av passende avkjøling av austenitt. Et eksempel er 1.4313 / X3CrNiMo13-4.
Det finnes også stål med blandede strukturer, f.eks. ferritisk-austenittisk dupleks stål np 1.4460, 1.4462, 1.4501, 1.4410

Varmebehandling av jern og stål

Transformasjonen av α-jernstrukturen til γ-jern og omvendt er grunnlaget for mange prosesser. varmebehandling av stål.
Ved oppvarming av passende valgt stål til austenittisk område, austenittiseringKarbon og noen legeringselementer kan gå i løsning i austenitten.
Den videre effekten avhenger av kjølemetoden.
Langsom avkjøling tillater diffusjonstransformasjoner og dannelse av strukturer nær likevekt. Rask avkjøling kan imidlertid hemme diffusjonstransformasjoner og føre til dannelse av martensitt.
Prosessene med herding, normalisering og en rekke varianter av gløding er basert på dette prinsippet.
Etter herding er det svært vanlig å bruke herdet stål, noe som gjør det mulig å redusere spenningen og sprøheten i den herdede strukturen og oppnå den nødvendige kombinasjonen av hardhet, styrke og duktilitet.

Jern og stålets mekaniske egenskaper

Stålets mekaniske egenskaper skyldes ikke utelukkende tilstedeværelsen av jern. De er et resultat av samspillet mellom:

• kjemisk sammensetning,
• karboninnhold,
• type og mengde legeringselementer,
• kornstørrelse,
• mikrostrukturer,
• varmebehandling,
• termokjemisk behandling,
• plastforedling,
• tilstand av indre spenninger.

Denne evnen til å modifisere mikrostrukturen betyr at jernbaserte materialer kan variere fra myke og svært duktile ståltyper beregnet for dyptrekking til høyfaste konstruksjonsstål, fjærstål, lagerstål, verktøystål, rustfritt stål, varmebestandig stål og stål beregnet for bruk under ekstreme forhold.

Jern i termokjemiske behandlingsprosesser

Jernmatrisen muliggjør også diffusjon av elementer som med vilje introduseres i overflatelaget under termokjemisk behandling.
Avhengig av prosessen kan overflatelaget blant annet berikes med:

• kull - mens karburisering,
• nitrogen - mens nitrering,
• karbon og nitrogen – under karbonitrering og nitrokarburisering.

Disse prosessene utnytter elementære atomers evne til å diffundere i jernkrystallgitteret og tillate produksjon av overflatelag med egenskaper som er forskjellige fra elementets kjerne.

Jerns betydning i moderne stål

Til tross for utviklingen av aluminium, titan, nikkellegeringer, kompositter og andre ingeniørmaterialer, er jern fortsatt grunnlaget for den viktigste gruppen av metalliske strukturmaterialer.
Dette skyldes en unik kombinasjon:

• tilgjengeligheten av råvarer,
• relativt lave produksjonskostnader,
• et svært bredt spekter av mekaniske egenskaper,
• muligheter for å endre den kjemiske sammensetningen,
• evne til å gjennomgå fasetransformasjoner,
• muligheter for bruk av ulike varmebehandlingsmetoder,
• mottakelighet for plast og mekanisk bearbeiding,
• muligheter for resirkulering.

Jern er derfor ikke bare hovedkomponenten i stål, men fremfor alt matrisen som muliggjør utformingen av dens mikrostruktur og funksjonelle egenskaper.

Jern Fe – betydning i metallurgi og stål

Jerns betydning i metallurgi skyldes først og fremst dets allotropiTransformasjoner mellom BCC α-jern, FCC γ-jern og høytemperatur δ-jern muliggjør en rekke strukturelle transformasjoner som brukes under stålproduksjon og -bearbeiding.
Av spesiell betydning er γ-jernets evne til å løse opp mye større mengder kull enn α-jern. Dette gjør det mulig å produsere austenitt og deretter – gjennom passende valgt kjøling – oppnå ulike mikrostrukturer og mekaniske egenskaper.
I kombinasjon med karbon og legeringselementer som f.eks. krom, nikkel, mangan, molybden, vanadium, wolfram, titan czy niob, jern danner en enorm familie av materialer med egenskaper som kan tilpasses svært forskjellige tekniske anvendelser.
Derfor er jern-karbon-systemet fortsatt et av grunnpilarene i moderne metallurgi, og kunnskap om jernfasetransformasjoner er grunnlaget for å forstå prosessene herding, gløding, normalisering, temperering og termokjemisk behandling av stål.

Jern Fe – den viktigste informasjonen