Основные теоретические положения

Сталь представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий до 2,14% углерода. По условиям металлургического производства, в стали наряду с железом и углеродом всегда присутствуют неизбежные примеси – сера, фосфор, марганец, кремний, газы (водород, азот, кислород).

Свойства стали зависят от ее химического состава. Однако при одном и том же содержании углерода эти свойства могут изменяться в широком диапазоне в связи со структурой металла, которая определяется условиями предшествующей обработки.

Ниже рассматриваются структура и механические свойства углеродистой стали в так называемом равновесном состоянии, достигаемом в результате очень медленного охлаждения металла.

Превращения, которые протекают в стали в условиях медленного нагрева и охлаждения, ее фазовый состав и структура описываются диаграммой состояния сплавов системы Fe-C. На рис.1 представлен участок диаграммы Fe-C, относящийся к сталям, т.е. к сплавам, содержащим до 2,14% углерода.

Известно, что при взаимодействии железа с углеродом в определенных условиях образуются твердые растворы и химические соединения Fе₃C. Сплав, содержащий 6,67 % углерода, представляет собой карбид железа (Fе₃C), называемый в металловедении цементитом.

Известно также, что химическое соединение можно рассматривать как самостоятельный компонент сплава, поэтому очень часто диаграмму Fe-C называют диаграммой сплавов системы Fe-Fe₃C. Цементит очень тверд (800-850 НВ) и хрупок.

Твердый раствор углерода в g-железе называется аустенитом. Предел растворимости углерода в g-железе (аустените) зависит от температуры металла, и эта зависимость определяется линией ES диаграммы Fe-Fe₃C. Как видно из рис.1, максимальное количество углерода, которое может быть растворено в g-железе, составляет 2,14% (температура 1147^оС), в то время как при 727^оС в твердом растворе может находиться не более 0,8% углерода.

Критические точки (см.рис.1), расположенные на линии ES диаграммы, обозначаются символом Ас_m (при нагревании – Ас_cm, при охлаждении - Аrс_cm).

Твердый раствор углерода в a-железе (рис.2) называется ферритом. Предел растворимости углерода в a-железе также определяется температурой металла (линии PQ и PG диаграммы Fe-Fe₃C). Из диаграммы Fe-Fe₃C (см.рис.1) следует, что в районе 727^о в a-железе растворяется до 0,02% углерода, а при комнатной температуре – не более 0,006%. Феррит пластичен, вязок, но обнаруживает невысокое сопротивление деформированию.

Линия GS диаграммы Fe-Fe₃C характеризует изменение температуры аллотропического превращения Fe_g ® Fe_a в зависимости от концентрации углерода в твердом растворе (аустените). Расположенные на этой линии диаграммы критические точки (см.рис.1) обозначаются символом А₃ (при нагревании Ас₃ при охлаждении Аr₃).

Линия РSK диаграммы соответствует 727^о и представляет геометрическое место критических точек А₁ (Ас₁ - при нагреве, Аr₂ - при охлаждении). В процессе охлаждения стали при температуре, отвечающей линии РSK, происходит полный распад аустенита, который превращается здесь в эвтектоид - равномерную тонкодисперсную механическую смесь феррита и цемента, называемую перлитом (рис.5).

 

 

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C.

 

 

 

Рис.2. Техническое железо – феррит (схема микроструктуры).

Рис.3. Сталь 10 – феррит + перлит

а – микроструктура (х500); б) – схема микроструктуры

 

Рис.4. Доэвтектоидная сталь с 0,4% С – феррит+ перлит:

а – микроструктура (х500); б) – схема микроструктуры

 

Рис.5. Эвтектоидная сталь с 0,8% С – перлит:

а – микроструктура (х500); б) – схема микроструктуры

 

Рис.6. Эвтектоидная сталь с 1,2% С – перлит + цементит (в виде сетки):

а – микроструктура (х500); б) – схема микроструктуры

В левом верхнем углу диаграммы Fе-Fe₃C располагается сложный узел превращений, связанных с наличием у железа высокотемпературной d-модификации. Эти превращения не оказывают существенного влияния на структуру и свойства стали при комнатной температуре, равно как и при температурах термической или горячей обработки стали давлением и поэтому далее не рассматриваются.

Из диаграммы Fе-Fe₃C следует, что стали с любым содержанием углерода в процессе затвердевания приобретают структуру аустенита.

Рассмотрим превращения, протекающие в стали различного химического состава при охлаждении из аустенитного состояния (рис. 7).

В стали, содержащей углерода 0,8%, аустенит при охлаждении сохраняется только до температуры, соответствующей точке Ar₁(727^oС). На линии эвтектоидных превращений в результате распада аустенита образуется эвтектоидная смесь - перлит. При дальнейшем охлаждении никаких превращений в стали не протекает, поэтому и при комнатной температуре металл сохранит перлитную структуру.

Сталь, имеющая структуру перлита, называется эвтектоидной. Она обнаруживает достаточно высокую статическую прочность при сравнительно небольшой плстичности и вязкости.

В условиях медленного охлаждения стали в точке Ar₁ образуется пластинчатый перлит, в котором тонкие пластинки цементита чередуются с пластинками феррита (см.рис.5). Размеры частичек цементита в перлите соответствуют примерно 10^{-4 см, поэтому пластинчатое строение можно наблюдать только при больших (порядка 500-кратного) увеличениях микроскопа. Если увеличение микроскопа невелико, то перлит в структуре стали имеет вид темных участков и его пластинчатое строение обнаружить не удается.}

Специальная термическая обработка позволяет получить сталь со структурой зернистого перлита. В этом случае мелкие круглые зернышки цементита равномерно распределяются в массе феррита.

Стали, в которых количество углерода не превышает 0,8%, называются доэвтектоидными, а содержащие углерод в пределах от 0,8 до 2,14% - заэвтектоидными (см. рис. 1-7).

 

Рис. 7. Схема превращения в сталях (содержание углерода от 0,10 до 1,60 %) при охлаждении.

А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит

 

В процессе охлаждения из аустенитного состояния любой доэвтектоидной стали при температуре, отвечающей критической точке Аr₃, из аустенита начинает выделяться феррит. Этот процесс продолжается по мере охлаждения металла в интервале температур от точки Аr₃ до Аr₁. При температуре 727^оС (точка Аr₁) оставшийся еще в стали аустенит превращается в перлит.

Таким образен, в структуре любой доэвтектоидной стали при температурах ниже критической точки Аr₁ всегда можно обнаружить зерна феррита и участки перлита.

Рассматривая микроструктуру доэвтектоидной стали с различным содержанием углерода (рис. 3, 4) нетрудно заметить, что существует прямая зависимость между химическим составом металла и его структурой. Чем больше в стали содержится углерода, тем больше в ее структуре наблюдается перлита и меньше зерен феррита. В связи с этим, исследуя микроструктуру стали, можно приблизительно определить количество углерода, которое со­держится в металле:

, %

где С – содержание углерода в стали, %

а - относительная площадь, занижаемая перлитом в структуре, %.

Частичный распад аустенита при охлаждении заэвтоктоидных сталей начинается на линии ES диаграммы, т.е. в критических точках Ar_cm.

Вследствие изменения предела растворимости углерода в Fe_g, из аустенита в точке Ar_cm начинает выделяться вторичный цементит.

На линии эвтектоидных превращений Аr₁ аустенит превращается в перлит. Следовательно, в структуре заэвтектоидных сталей ниже 727^оС будут наблюдаться зерна перлита и вторичный цементит.

В зависимости от условий нагрева и охлаждения стали, вторичный цемент может содержаться в структуре металла в виде тонкой сетки по границам зерен перлита, в виде мелких, круглых зерен или тонких игл, равномерно распределенных в массе перлита.

Метод определения содержания углерода по структуре металла для заэвтектоицных сталей из-за трудности учета площади, занимаемой вторичным цементитом, не является надежным и поэтому в практике обычно не находит применения.

Равновесные структурные превращения в стали обратимы: они протекают при нагреве в порядке обратном тому, который наблюдается в данной стали при охлаждении. Так, например, при нагреве доэвтектоидной стали в критической точке Ас₁ весь перлит переходит в аустенит. В интервале температур от точки Ас₁ до Ас₃ происходит растворение феррита в аустените. При температуре, отвечающей точке Ас₃, растворяются последние частички феррита, поэтому выше точки Ас₃, вплоть до расплавления, сталь сохраняет структуру гомогенного аустенита.

Повышение содержания углерода в стали приводит к увеличению показателей ее сопротивления деформированию, снижению пластичности и вязкости. Это изменение механических свойств стали объясняется тем, что с повышением содержания углерода вначале возрастает количество перлита в ее структуре, а затем дополнительно появляется еще и вторичный цементит.

Неблагоприятное влияние на механические свойства стали оказывает вторичный цементит, если он содержится в структуре металла в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 6). Сталь с такой структурой обнаруживает низкую прочность и повышенную склонность к хрупким разрушениям. Сетку вторичного цементита следует обязательно устранить специальной термической обработкой стали, например нормализацией.