Состав, структура и классификация сталей

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода, в котором не превышает 2,14%, но не меньше 0,022%. Главным элементом стали является углерод, и это единственная примесь, которая специально вводится в сталь. С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали.

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода – на низкоуглеродистые (до 0,25% С) – это достаточно мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горячем состоянии стали; среднеуглеродистые (0,3 – 0,55% С), являются широко распространённым конструкционным материалом для деталей, работающих в условиях обычных силовых нагрузок и высокоуглеродистые (0,6 – 1,4% С), за счет чего они обладают высокой твердостью; легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

С увеличением содержания углерода в стали возрастает количество фаз, имеющих более высокую твердость (перлит, цементит). Следовательно, и изменяются механические свойства: возрастает твердость, предел прочности, текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость (рис. 2.1).

Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т. е. повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность и вязкость.

Таким образом, углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Зная изменение механических свойств в зависимости от структуры (количества углерода) можно определить технологический процесс обработки той или иной стали.

Рис. 2.1. Влияние углерода на свойства горячекатаных сталей

Металлографический анализ

В процессе производства металла (выплавки, разливки в слитки, горячей и холодной деформации, механической обработки, сварки, термической обработки) формируется структура, но одновременно возникают и частично «залечиваются» дефекты металлургического производства. Металлографический анализ предусматривает выявление дефектов, особенностей структуры и, как следствие, прогнозирование поведения металлов в эксплуатационных условиях.

Дефект – каждое отдельное несовершенство продукции или несоответствие требованиям, установленным нормативной документацией.

Для оценки соответствия материала детали надлежащему качеству или отдельно взятого сварного соединения используются разнообразные методы макро и микроанализа.

Термин «макроисследование» объединяет методы и способы контроля качества материала (детали, узла) невооруженным глазом или с помощью лупы. Понятие «микроисследование» связывает способы анализа микроструктуры материала с помощью оптического микроскопа. В совокупности обе названные группы методов составляют сущность металлографического анализа.

Макроскопическое исследование

Итак, макроскопическое исследование объединяет методы визуального выявления поверхностных и внутренних дефектов материала детали и сравнительно грубых элементов его структуры. Оно может быть без разрушения детали или с разрушением для приготовления макрошлифа, либо в форме визуального внешнего осмотра, либо только после обработки анализируемой поверхности соответствующими для того химическими реактивами.

Анализ обычно начинается с тщательного визуального осмотра состояния поверхностей детали (наличие забоин, вмятин, царапин, изношенных участков, раковин, рыхлот, трещин и т.д.) и часто заканчивается получением макроснимка.

По поверхности излома, например, аварийной детали можно судить о степени однородности ее материала, установить, хрупок он или пластичен, как произошло разрушение – по границам (межкристаллитное) или по телу зерен (транскристаллитное). Поверхность излома у хрупкого металла кристаллична. По ее плоскостям скола отдельных зерен можно определить размеры и форму зерен. Поверхность излома пластичного материала характерна волокнистым строением (вязкий излом). Здесь форма зерен настолько искажена пластической деформацией, что установить, грубо – или мелкозернист анализируемый металл, практически не удается.

При упругопластической деформации под действием внешней силы необратимо изменяются форма и размеры изготовленной из металла детали или испытуемого образца. Во время этой деформации, которую обычно называют пластической, зерна металла под действием силы P расслаиваются на пачки скольжения. Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокна (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема пластической деформации отдельного зерна металла

В волокнистой структуре металла между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения. Его прочность на разрыв вдоль волокон оказывается выше, чем поперек.

Образованию и перемещению пачек скольжения в зернах предшествует лавинообразный процесс передвижения дислокаций по определенным плоскостям – системам скольжения в кристаллической решетке.

У серого чугуна поверхность излома темно – серого цвета (черный излом) из-за присутствия в его структуре включений графита.

Если поверхность излома слегка окислена и окрашена в цвета побежалости (цвет определяется химическим составом и толщиной окисной пленки), разрушение либо сопровождалось окислением, либо началось с трещины, образовавшейся после термической обработки детали.

Сильно окисленная поверхность излома может быть у деталей, работающих при высоких температурах (горячий излом).

Под действием знакопеременных нагрузок возможно возникновение усталостного излома (рис. 2.3). Он состоит из очага разрушения 1 (места образования микротрещин) и двух зон – усталости 2 и долома 3. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

	Усталостный излом

Рис. 2.3. Примеры изломов