Основные сведения о структуре сталей

Химический состав сплава определяет его фазовый состав, свойства, режим термообработки. Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком. В твердых сплавах железа с углеродом, т.е. в сталях и чугунах, могут существовать 4 фазы: феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом пли при небольшом увеличении в 30 – 40 раз) и микроструктуру (строение металла пли сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при увеличениях от 50 и более крат).

При наблюдении в оптический микроскоп обычно видны не только фазы, но и области, состоящие из нескольких фаз, но представляющие собой единое целое в рамках зерна. Такие области называются структурными составляющими. Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Феррит и цементит могут образовывать структурную составляющую – перлит, который образуется в результате эвтектоидного превращения при охлаждении стали или чугуна после термической обработки. Аустенит и цементит образуют структурную составляющую – ледебурит - в результате эвтектического превращения. Обе эти структурные составляющие представляют собой механические смеси двух фаз, и при наблюдении в оптический микроскоп выглядят как единое целое.

Сталями называют сплавы железа с углеродом и некоторыми другими химическими элементами. Содержание углерода в сталях может доходить до 2,14 %. Однако в сталях, применяемых в машиностроении и строительстве, углерода содержится не более 1,3%. Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 %С). По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 0С) деформирования. По качеству стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойства стали, а также её технологичность во многом зависят от содержания газов (водорода, кислорода) и вредных примесей - серы и фосфора. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными.

По структуре стали подразделяют на доэвтектоидные , эвтектоидные, и заэвтектоидные (рисунок 3).

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие классы: перлитный; мартенситный; аустенитный; ферритный.

Сталь 0,2 % С. 250 Сталь 0,6 % С. 250

а б

Сталь 0,8 % С. 250 Сталь 1,2 % С. 250

в г

Рисунок 3 – Влияние концентрации углерода на структуру сталей

а, б – доэвтектоидные стали; в – эвтектоидная сталь; г – заэвтектоидная сталь

Эксплуатационные свойства изделий из статей во многом зависят от микроструктуры. Ферритные стали, содержащие один феррит (рисунок 4), отличаются высокой пластичностью при повышенных темперах, хорошей технологичностью при обработке давлением, однако не обладают высокой прочностью и твердостью. Перлитные стали, как правило, используются в качестве инструмента, поскольку отличаются высокой твердостью из-за присутствия в значительном количестве цементита (рис. 3г). Мартенситные стали также имеют высокие значения твердости, но при этом характеризуются высокими прочностными характеристиками, поскольку основной фазой в них является мартенсит (рис.) – продукт бездиффузионного превращения аустенита (рис.) при охлаждении. Аустенитные стали, как правило, высоколегированны. Постольку аустенит может быть легирован достаточно большим количеством специальных элементов, то аустенитные стали обладают специфическими эксплуатационными свойствами: высокой жаро- и коррозионной стойкостью, жаропрочностью. В отличие от ферритных, аустенитные стали хорошо деформируются при комнатных температурах.

200 200

а б

х500

в

Рисунок 4 – Стркутура сталей:

а – феррит, б – аустенит, в – мартенсит.

Свойства сталей зависят не только от вида фаз, но и от размеров и формы частиц или зерен. Важную роль имеет форма цеменитита, как наиболее хрупкой фазы. С точки зрения стойкости к растрескиванию и высоких показателей прочности предпочтительным является зернистый, а не пластинчатый цементит. Крупные частицы цементита облегчают рост трещин в стали и ускоряют разрушение в процессе приложения нагрузки. Важным показателем микроструктуры стали является размер зерна. Зерна металла – отдельные кристаллы поликристаллического конгломерата, разделенные между собой смежными поверхностями, называемыми границами зерен. На рисунке 5 показаны структуры сталей с различным размером зерна. Стали, имеющие мелкие зерна. Обычно обладают более высокими механическими свойствами, особенно пластичностью и вязкостью при комнатной температуре. С укрупнением зерна понижается ударная вязкость, твердость и другие свойства стали.

а 100 б 100

100 100

в г

Рисунок 5 – Разнозернистость металлических материалов.

Для оценки структурного состояния сталей и чугунов разработана серия стандартов, позволяющая определить тип микроструктуры. В соответствии с ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна» определяют размер зерна, от которого зависят многие технологические и механические свойства. Величина зерна – средняя величина случайных сечений зерен в плоскости металлографического шлифа. В качестве способа определения величины зерна выбирают разные методы. Наиболее распространен метод сравнения с эталонными шкалами (×100).

Тип и размеры частиц фаз в сталях регламентирует ГОСТ 8233-56 «Сталь. Эталоны микроструктуры». В соответствие с приведенными в нем шкалами возможно оценить вид структуры стали (ферритная, перлитная, аустенитная, мартенситная), дисперсность пластинчатого или зернистого перлита или мартенсита, соотношение перлита и феррита. Используемые для идентификации увеличения микроскопа указаны в ГОСТе.