Структура сталей
Л. А. Виноградова, Ю. А. Курганова
Ульяновск: УлГТУ, 2009 г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛЕЙ
Стали – многокомпонентные сплавы на основе железа и углерода.
Железо и углерод – полиморфные химические элементы, которые способны изменять тип элементарной кристаллической ячейки под действием температуры и давления.
Если углерод является основным легирующим элементом в сплавах на основе железа, то такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в таких сталях не превышает 2,14 %. Сталь, в которой присутствуют легирующие элементы (усложняющие ее химический состав), называется легированной.
Для оценки качества сталей, закономерностей процессов разрушения, разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов, а также при борьбе с браком и при работах над улучшением качества продукции необходимо знать их структурное состояние и его
влияние на свойства (эксплуатационные, механические, технологические, химические, физические).
Структура сталей является характеристикой свойств. Структурночувствительные свойства зависят от термической обработки (твердость, прочность). Характеристики жесткости (модуль нормальной упругости, модуль сдвига), жаростойкость (окалиностойкость) не чувствительны к изменениям структуры.
Под структурой понимают строение, форму, размеры и характер расположения соответствующих фаз. Фазы являются структурными составляющими, имеющими однородное (гомогенное) кристаллическое строение и агрегатное состояние, отделенные от других составных частей поверхностями (границами) раздела. Составляющими микроструктур являются фазы. Под фазой понимают однородную часть сплава, имеющую
границу раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачком. Стали могут быть однофазными, двухфазными и многофазными.
Структура сталей зависит главным образом от того, в какие химические взаимодействия вступают компоненты (химические элементы, входящие в состав стали). Компоненты могут образовывать следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. В твердом состоянии в сталях может не быть химического взаимодействия между компонентами, в таком случае структура является механической смесью,
состоящей из двух и более фаз.
1.Типы соединений компонентов в сталях
Условия взаимодействия компонентов в сталях способствуют образованию следующих типов соединений:
1. Твердые растворы, в которых основной компонент (растворитель) сохраняет свой тип кристаллической решетки, а атомы растворенного компонента замещают часть атомов в этой решетке (твердый раствор замещения) или внедряются в междоузлия (твердый раствор внедрения). На диаграмме состояния железо-углерод (см. приложение А) им соответствуют области, ограниченные убывающими и возрастающими линиями
растворимости. Твердые растворы: аустенит, феррит.
Твердый раствор может быть фазой и структурой.
2. Химическое соединение имеет новый тип кристаллической решетки, который отличается от кристаллических решеток составляющих его компонентов. Поэтому подобно химически чистому элементу плавится при постоянной температуре. Оно образуется при строгом стехиометрическом соотношении химических элементов, т. е. имеет химическую формулу – Fe3C (цементит) – это однофазный сплавна основе железа, содержащий 6,67 % углерода (см. приложение А).
Химическое соединение может быть фазой и структурой. Это оксиды (FeO), карбиды (VC, WC, TiC), интерметаллиды (FeAl).
3. Механическая смесь фаз, которые не растворяются друг в друге, каждая сохраняет свой тип элементарной ячейки (кристаллической решетки). Условие образования: строго постоянные температура и химический состав стали в критических точках С (1147 °С, 4,3% С) и S (727 °С,
0,83% С ) (см. приложение А).
Механическая смесь всегда структура, так как в ее состав могут входить две и более фаз. При температуре 20 оС перлит и ледебурит являются механической смесью феррита и цементита (см. приложение А).
Основные фазы и структуры в сплавах на основе железа приведены в приложении Б.
2. Углеродистые стали
Химический состав углеродистых сталей приведен в Приложении Г.
Разнообразие углеродистых сталей принято классифицировать по различным признакам, приведенным ниже.
По назначению:
-конструкционные;
-инструментальные.
По качеству (качество стали повышается с уменьшением содержания в ней вредных примесей):
- обыкновенного качества (0,04 % ≤ S ≤ 0,06 %, 0,04 % ≤ Р ≤ 0,08 %);
- качественные (0,03 % ≤ S ≤ 0,04 %; 0,03 % ≤ Р ≤ 0,04 %);
- высококачественные (S ≤ 0,03 %; Р ≤ 0,03 %).
Качество стали повышается с уменьшением содержания в ней вредных примесей серы и фосфора.
По % содержанию углерода (С):
- низкоуглеродистые (до 0,25 % С);
- среднеуглеродистые (0,3 – 0,6 % С);
- высокоуглеродистые (≥ 0,7 % С).
По равновесной микроструктуре и % содержание углерода при 20 °С:
- перлит+феррит (до 0,83 % С) – доэвтектоидные (рис. 2);
- перлит (= 0,83 % С) – эвтектоидные (рис. 3);
- перлит+вторичный цементит (более 0,83 % С) – заэвтектоидные (рис. 4).
Равновесное состояние достигается при медленном охлаждении
стальных изделий в печи, т. е. после операции термической обработки, называемой отжигом. Микроструктура после всех видов отжига углеродистых сталей соответствует диаграмме железо–цементит (см. приложение А). Микроструктура доэвтектоидной стали (в отожженном состоянии) состоит из светлых участков (зерен) феррита и темных участков (зерен) перлита (рис. 2). В доэвтектоидных сталях практически весь углерод содержится в перлите, поэтому по виду структуры можно примерно определить
марку стали, используя формулу
%С=0,83Х/100,
где Х, % – поле зрения микрошлифа, занимаемое перлитом, в котором по
условию его образования содержание углерода = 0,83%.
Рис. 2. А→П превращение: а – доэвтектоидная сталь 20 (0,2 % углерода).
Травитель: 3% р-р азотной кислоты в спирте. Обработка: отжиг. Твердость: 110 НВ.
Основа: Fe. Структурные составляющие: феррит и перлит;
б – схема изображения доэвтектоидной стали
Микроструктура эвтектоидной стали (в отожженном состоянии) состоит из чередующихся параллельных пластин феррита и пластин цементита. Все поле зрения (100 %) занято пластинчатым перлитом, при содержании углерода в перлите = 0,83 % (рис. 3).
Рис. 3. А→П превращение: а – эвтектоидная сталь 80 (0,8 % углерода).
Травитель: 3% р-р азотной кислоты в спирте. Обработка: отжиг. Твердость: 174 HB.
Основа: Fe. Структурная составляющая: пластинчатый перлит (100 %);
б – схема изображения эвтектоидной стали
Микроструктура заэвтектоидной стали в отожженном состоянии – чередующиеся параллельные пластины феррита и цементита на темном фоне перлита и пограничные выделения вторичного цементита в виде сплошной тонкой светлой сетки по границам зерен бывшего аустенита, превратившегося (при медленном охлаждении с печью) в пластинчатый перлит (рис. 4).
Рис. 4. А→П превращение: а – заэвтектоидная сталь У12 (1,2 % углерода).
Травитель: 3% р-р азотной кислоты в спирте. Обработка: отжиг. Твердость: 190 HB.
Основа: Fe. Структурные составляющие: пластинчатый перлит и цементит
вторичный;
б – схема изображения заэвтектоидной стали
Микроструктура сталей зависит от формы фаз и их расположения под
воздействием различных операций технологического процесса при изготовлении изделий (рис. 5 а, б).
Рис. 5. А→П превращение: а – эвтектоидная сталь У8 (0,8 % углерода).
Травитель: 3% р-р азотной кислоты в спирте. Обработка: циклический отжиг. Основа:
Fe. Структура зернистый перлит;
б – схема изображения эвтектоидной стали
При циклическом отжиге происходит перекристаллизация в интервале температур не выше чем 10–30 °С выше линии PSR (727 °С) диаграммы
железо–цементит, чтобы не получился перлит пластинчатый (см. приложение А). Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали, так как это обеспечивает обрабатываемость резанием, т. е.
возможно применение больших скоростей резания и достижения высокой чистоты обрабатываемой поверхности. Наличие структуры зернистого перлита уменьшает склонность эвтектоидных и заэвтектоидных сталей к перегреву при закалке.