1. Теоретическая часть

1. Структура и свойства стали

Структуру сталей следует рассматривать как сложную систему, состоящую из иерархии подсистем и уровней. Каждый элемент верхнего уровня состоит из множества элементов смежного нижнего уровня. Элементы смежных уровней различаются по природе, механизмам формирования и размерам.

Структурные уровни стали (размерность, м):

• макроструктура (10^–110^–2), зона первичной кристаллизации, макроскопические дефекты отливок;

• микроструктура (10^–310^–5), зерна вторичной кристаллизации;

• субструктура (10^–610^–7), блоки, выделения, границы зерен;

• мезоструктура (10^–810^–10), фрагменты атомно-кристаллических решеток, дислокации и др. дефекты строения, кластеры;

• атомная структура (10^–1110^–12), ячейки атомно-кристаллической решетки, атомы, электронные оболочки атомов.

Сталь это пластичный многокомпонентный сплав на основе железа с углеродом, содержание которого изменяется в пределах 0,02  2,06 % углерода в железе.

Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (на уровне микроструктуры): феррита, цементита, перлита и аустенита, которыепредставлены в диаграмме состояния сплавов Fe – C [5].

Основные структурные составляющие стали:

• феррит, твердый раствор углерода (<0,02 % С) и легирующих элементов в –железе (решетка кубическая объемноцентрированная (ОЦК));

• цементит, химическое соединение, карбид железа Fe₃C;

• перлит – механическая смесь феррита и цементита;

• аустенит, твердый раствор углерода (до 2,06 % С) и легирующих элементов в –железе (высокотемпературная модификация, решетка кубическая гранецентрированная (ГЦК)).

Структуры в зависимости от содержания углерода в стали подразделяются на:

• доэвтектоидные сплавы, содержание углерода от 0,02 до 0,83 %, структура: феррит и перлит (светлый избыточный феррит и темнотравящийся перлит);

• эвтектоидный сплав (перестройка кристаллической решетки из ГЦК в ОЦК) содержание углерода 0,83 %, структура: перлит (без термической обработки имеет пластинчатое строение, перламутровая окраска шлифов после травления);

• заэвтектоидные сплавы, содержание углерода от 0,83 до 2,06 %, структура: вторичный цементит (в виде тонкой сетки по границам зерен) и перлит.

Для феррита характерны относительно низкие прочность и твердость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма тверд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твердости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре стали определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обуславливают многообразие свойств стали.

1.2. Классификация сталей

В современной металлургии сталь выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. Существует несколько вариантов классификации сплавов железа.

По способу производства:

• кислородно-конверторная сталь (в конверторах с продувкой кислородом);

• электросталь (в электрических дуговых или индукционных печах);

• специальная сталь (вакуумно-дуговой переплав, плазменно-дуговой и др.);

• мартеновская сталь (в мартеновских печах).

По качеству стали подразделяются на:

• обыкновенные (содержание S до 0,0550,06 % и P до 0,050,07 %);

• качественные (S и P не более 0,035 %);

• высококачественные (S и P не более 0,025 %);

• особо высококачественные (S и P менее 0,015 %).

Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и P) и неметаллических включений (исключение составляет автоматная сталь, содержащая до 0,3 % S и до 0,16 % P). Сера снижает механические свойства стали, является причиной красноломкости, т.е. хрупкости в горячем состоянии. Фосфор усиливает хладноломкость – хрупкость при пониженных температурах.

По степени раскисления (характеру застывания металла в изложнице и в МНЛЗ) различают:

• спокойную (сп);

• полуспокойную (пс);

• кипящую сталь (кп).

Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,350,15 %, в полуспокойной 0,150,05 %, в кипящей стали <0,05 %.

Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удален из жидкой стали растворенный атомарный кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания. При разливке малораскисленной стали в результате реакции [С] + [О] = СО_г в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода – сталь как бы «кипит». Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей стали. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки стали определяется ее назначением и технико-экономическими показателями производства.

Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой футеровке (по характеру футеровки, в зависимости от количества основных (СаО, MgO, FeO и др.) или кислотных (SiO₂, P₂O₅, Fe₂O₃ и др.) окислов в огнеупорной кладки печи); сталь при этом называют соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская сталь).

По назначению стали делят на следующие основные группы:

• конструкционные;

• инструментальные;

• котельные;

• шарикоподшипниковые;

• стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций (до 0,25 % С), деталей машин и механизмов, испытывающих нагрузку (0,300,50 % С), судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные стали могут быть как углеродистыми (до 0,7 % С – для пружин и рессор), так и легированными (основные легирующие элементы – Mn, Cr и Ni). Название конструкционной стали может отражать её непосредственное назначение (листовая, трубная, профильная, котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная и т.д.).

Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и другого режущего, ударно–штамповочного и мерительного инструмента. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,71,5 % С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных сталей широкое распространение получила быстрорежущая сталь (например, Р6М5).

К сталям с особыми физическими и химическими свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, стали для постоянных магнитов и др. Для многих сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По химическому составу:

• углеродистые;

• легированные.

Углеродистая сталь наряду с Fe и С содержит Mn (0,11,0 %) и Si (до 0,4 %), а также вредные примеси – S и P; эти элементы попадают в сталь в связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов).

В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Co и др.), которые намеренно вводят в сталь для улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств. Легирующими элементами могут служить также Mn (при содержании более 1 %) и Si (более 0,8 %).

В зависимости от содержания углерода:

• низкоуглеродистая (до 0,25 % С);

• среднеуглеродистая (0,250,6 % С);

• высокоуглеродистая (более 0,6 % С) сталь.

По степени легирования (т.е. по суммарному содержанию легирующих элементов):

• низколегированные (менее 2,5 %);

• среднелегированные (2,510 %);

• высоколегированные (более 10 %) стали.

Легированные стали часто называют по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая и т.д.).