Строение и свойства стали

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Графическое изображение состояния стали и ее структуры в зависимости от температуры и содержания в ней углерода называется диаграммой состояния. На диаграмме состояний железо - углерод стали занимают область до 2, 14 % С

Основу стали составляет железо, а содержание углерода обычно не превышает 1, 5%. Если нужно получить сталь с какими-либо специальными свойствами (высокой прочностью, коррозионностойкостью, жаропрочностью и т. п.), то в нее добавляют различные элементы: хром, никель, вольфрам и.др. Элементы, вводимые в сталь, называются легирующими, а стали, имеющие специальные свойства, легированными. Суммарное содержание легирующих элементов обычно не превышает 30%, а часто бывает всего лишь 1-2%, во всех случаях основой стали остается железа.

Поэтому рассмотрим структуру железа.

Железо, как и все металлы, имеет кристаллическое строение. В каждом кристалле атомы железа располагаются в закономерном порядке; на определенном расстоянии друг от друга, образуя атомную решетку. Для того чтобы изобразить такую решетку, достаточно нарисовать куб и расположить в нем девять атомов: восемь - на вершинах углов И один в центре (рис. 7, а). В самом деле, вся решетка представляет собой повторение такого кубика. Решетка такого типа, когда в центре каждого кубика располагается один атом, называется объемно-центрированной.

Если железо нагревать, то по достижении определённой температуры (911 °С) произойдет перестройка атомов в более выгодное в энергетическом отношении положение, и образуется решетка, состоящая из кубиков с четырнадцатью атомами: восемью по вершинам углов и шестью — в центрекаждой грани (рис. 7, 6). Решетка такого типа называется гранецентрированной. Если в расплавленное железо добавить небольшое количество углерода,» например 1%, то при затвердевании будут образовываться кристаллы железа с гранецентрированной атомной решеткой, внутри которой располагаются атомы углерода. Получится так называемый

твердый раствор углерода в железе - аустенит (рис. 7, в). При повышенной температуре, когда железо имеет гранецентрированную решетку, в нее может внедриться до 2, 14% С. При снижении температуры до определенного предела атомная решетка железа перестраивается из гранецентрированной в объемноцентрированную. В такую решетку может внедриться всего лишь 0, 025% С. Образующийся при этом твердый раствор углерода в железе с объемноцентрированной решеткой называется ферритом. Где же находится остальной углерод, если к железу добавлен 1%? Остальная часть углерода образует с железом химическое соединение карбид железа F3С, которое носит название цементит.

При охлаждении расплавленной стали формирование ее структуры происходит в определенной последовательности. Рассмотрим, как можно воспользоваться частью диаграммы состояния (рис. 8) для определения структуры стали с заданным содержанием углерода при той или иной температуре.

Возьмем, например, образец стали марки Ст45, в которой со, 0, 45% С. Нагреем его до расплавления, а затем будем постепенно охлаждать. Какие при этом будут происходить превращения в стали? Какую структуру и следовательно, какие свойства будет иметь образец после охлаждения до комнатной температуры? На эти и многие другие вопросы, касающиеся термической обработки, позволяет ответить диаграмма состояния. Найдем на нижней горизонтальной линии диаграммы, где отложено содержание углерода в процентах точку, соответствующую 0, 45% С (точка М). По проведенной из нее вертикальной прямой можно на диаграмме проследить за всеми превращениями, происходящими в стали. При любой температуре выше линии АС сталь находится в расплавленном состоянии. При охлаждении ниже температуры точки 1 начнется ее затвердевание, и из жидкого расплава будут выделяться кристаллы аустенита. При температуре ниже точки 2 затвердевание полностью завершится, и сталь будет иметь структуру, состоящую только из аустенита. Затем, когда температура опустится ниже точки 3, начнется перестройка кристаллической решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Это значит, что появится феррит — твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной решеткой. Но в феррите, как мы уже теперь знаем, может содержаться лишь ничтожно малое количество углерода, и поэтому почти весь углерод сохраняется в оставшемся еще аустените. Поскольку количество аустенита по мере снижения температуры непрерывно убывает, то, очевидно, процентное содержание углерода в оставшемся аустените должно повышаться. Диаграмма построена таким образом, что линия 08 показывает, как изменяется содержание углерода в остающемся аустените. При температуре точки 4, лежащей на линии РЖ, содержание углерода в аустените будет соответствовать точке т. е. равно 0, 8%. При снижении температуры ниже точки 4 (727°С) из аустенита будут одновременно выделяться кристаллики феррита и цементита, образуя название перлит, так как после полировки и травления она по окраске шлифов напоминает перламутр. Таким образом, структура стали 45 после медленного охлаждения до комнатной температуры должна состоять из перлита и ранее выделившегося феррита. Подобную структуру будут иметь и другие стали, содержащие до 0, 8% С (например, стали 10, 20, 50 и др.). Различие будет лишь в том, что в сталях с небольшим содержанием углерода мало перлита, но много феррита, а в сталях с высоким содержанием углерода, наоборот, мало феррита, но много перлита. На рис. 9 показан вид этих структур при большом увеличении.

Чтобы правильно оценить свойства таких сталей, нужно учесть, что феррит мягок и пластичен, а перлит тверд, но более хрупок. Эти свойства перлиту придает цементит, входящий в его состав. В самом деле, перлитную структуру можно представить в виде слоеного пирога, состоящего из кристалликов мягкого феррита с прослойками твердого цементита. Вид такой структуры показан на рис. 10. Пластины цементита придают перлиту высокую твердость и износостойкость.