структура сталей

Загальна характеристика СТАЛЕЙ

Стали - багатокомпонентні сплави на основі заліза і вуглецю.

Залізо і вуглець - поліморфні хімічні елементи, які здатні змінювати тип елементарних кристалічних осередки під дією температури і тиску.

Для оцінки якості сталей, закономірностей процесів руйнування, розробки нових і вдосконалення існуючих технологічних процесів, а також при боротьбі з браком і при роботах над поліпшенням якості продукції необхідно знати їх структурний стан і його

вплив на властивості (експлуатаційні, механічні, технологічні, хімічні, фізичні).

Структура сталей є характеристикою властивостей. Структурночувствітельние властивості залежать від термічної обробки (твердість, міцність). Характеристики жорсткості (модуль нормальної пружності, модуль зсуву), жаростійкість (окалиностойкость) не чутливі до змін структури.

Під структурою розуміють будову, форму, розміри і характер розташування відповідних фаз. Фази є структурними складовими, які мають однорідне (гомогенне) кристалічну будову і агрегатний стан, відокремлені від інших складових частин поверхнями (кордонами) розділу. Складовими мікроструктур є фази. Під фазою розуміють однорідну частину сплаву, що має

кордон розділу, при переході через яку склад і властивості змінюються стрибком. Стали можуть бути однофазними, двофазним і багатофазними.

Структура сталей залежить головним чином від того, в які хімічні взаємодії вступають компоненти (хімічні елементи, що входять до складу стали). Компоненти можуть утворювати наступні фази: рідкі розчини, тверді розчини, хімічні сполуки. У твердому стані в сталях може не бути хімічної взаємодії між компонентами, в такому випадку структура є механічною сумішшю,

що складається з двох і більше фаз.

1.Тип з'єднань компонентів в сталях

Умови взаємодії компонентів в сталях сприяють утворенню наступних типів з'єднань:

1. Тверді розчини, в яких основний компонент (розчинник) зберігає свій тип кристалічної решітки, а атоми розчиненого компонента заміщають частину атомів в цій решітці (твердий розчин заміщення) або впроваджуються в міжвузля (твердий розчин впровадження). На діаграмі стану залізо-вуглець (див. Додаток А) їм відповідають області, обмежені убутними і зростаючими лініями

розчинності. Тверді розчини: аустеніт, ферит.

Твердий розчин може бути фазою і структурою.

2. Хімічна сполука має новий тип кристалічної решітки, який відрізняється від кристалічних решіток складових його компонентів. Тому подібно хімічно чистого елементу плавиться при постійній температурі. Воно утворюється при строгому стехиометрическом співвідношенні хімічних елементів, т. Е. Має хімічну формулу - Fe3C (цементит) - це однофазний сплавного основі заліза, що містить 6,67% вуглецю (див. Додаток А).

Хімічна сполука може бути фазою і структурою. Це оксиди (FeO), карбіду (VC, WC, TiC), інтерметалліді (FeAl).

3. Механічна суміш фаз, які не розчиняються одна в одній, кожна зберігає свій тип елементарної комірки (кристалічної решітки). Умова освіти: строго постійні температура і хімічний склад стали в критичних точках С (+1147 ° С, 4,3% С) і S (727 ° С,

0,83% С) (див. Додаток А).

Механічна суміш завжди структура, так як в її склад можуть входити дві і більше фаз. При температурі 20 ° С перліт і ледебурит є механічною сумішшю фериту і цементиту (див. Додаток А).

Основні фази і структури в сплавах на основі заліза наведені в додатку Б.

2. Вуглецеві сталі

Хімічний склад вуглецевих сталей наведено в Додатку Г.

Різноманітність вуглецевих сталей прийнято класифікувати за різними ознаками, наведеними нижче.

За якістю (якість стали підвищується зі зменшенням вмісту в ній шкідливих домішок):

- звичайної якості (0,04% ≤ S ≤ 0,06%, 0,04% ≤ Р ≤ 0,08%);

- якісні (0,03% ≤ S ≤ 0,04%; 0,03% ≤ Р ≤ 0,04%);

- високоякісні (S ≤ 0,03%; Р ≤ 0,03%).

Якість стали підвищується зі зменшенням вмісту в ній шкідливих домішок сірки і фосфору.

За% змістом вуглецю (С):

- низьковуглецеві (до 0,25% С);

- середньовуглецеві (0,3 - 0,6% С);

- високовуглецеві (≥ 0,7% С).

- перліт + ферит (до 0,83% С) - доевтектоїдних (рис. 2);

- перліт (= 0,83% С) - евтектоїдні (рис. 3);

- перліт + вторинний цементит (більш 0,83% С) - заевтектоідние (рис. 4).

Рівноважний стан досягається при повільному охолодженні

сталевих виробів в печі, т. е. після операції термічної обробки, званої відпалом. Мікроструктура після всіх видів відпалу вуглецевих сталей відповідає діаграмі залізо-цементит (див. Додаток А). Мікроструктура доевтектоїдних стали (в відпаленого стані) складається з світлих ділянок (зерен) фериту і темних ділянок (зерен) перліту (рис. 2). У доевтектоїдних сталях практично весь вуглець міститься в перліті, тому з вигляду структури можна приблизно визначити

марку стали, використовуючи формулу

де Х,% - поле зору мікрошліфа, займане перлитом, в якому по

Мал. 2. А → П перетворення: а - доевтектоїдних сталь 20 (0,2% вуглецю).

Травник: 3% р-р азотної кислоти в спирті. Обробка: отжиг. Твердість: 110 НВ.

Основа: Fe. Структурні складові: ферит і перліт;

б - схема зображення доевтектоїдної стали

Мікроструктура евтектоїдной стали (в відпаленого стані) складається з чергуються паралельних пластин фериту і пластин цементиту. Все поле зору (100%) зайнято пластинчастим перлітом, при вмісті вуглецю в перліті = 0,83% (рис. 3).

Мал. 3. А → П перетворення: а - евтектоїдна сталь 80 (0,8% вуглецю).

Травник: 3% р-р азотної кислоти в спирті. Обробка: отжиг. Твердість: 174 HB.

Основа: Fe. Структурна складова: пластинчастий перліт (100%);

б - схема зображення евтектоїдной стали

Мікроструктура заевтектоідной стали в відпаленого стані - чергуються паралельні пластини фериту і цементиту на темному тлі перліту і прикордонні виділення вторинного цементиту у вигляді суцільної тонкої світлої сітки по межах зерен колишнього аустеніту, який перетворився (при повільному охолодженні з піччю) в пластинчастий перліт (рис. 4) .

Мал. 4. А → П перетворення: а - заевтектоідних сталь У12 (1,2% вуглецю).

Травник: 3% р-р азотної кислоти в спирті. Обробка: отжиг. Твердість: 190 HB.

Основа: Fe. Структурні складові: пластинчастий перліт і цементит

б - схема зображення заевтектоідной стали

Мікроструктура сталей залежить від форми фаз і їх розташування під

впливом різних операцій технологічного процесу при виготовленні виробів (рис. 5 а, б).

Мал. 5. А → П перетворення: а - евтектоїдна сталь У8 (0,8% вуглецю).

Травник: 3% р-р азотної кислоти в спирті. Обробка: циклічний отжиг. основа:

Fe. Структура зернистий перліт;

б - схема зображення евтектоїдной стали

При циклічному відпалі відбувається перекристалізація в інтервалі температур не вище ніж 10-30 ° С вище лінії PSR (727 ° С) діаграми

залізо-цементит, щоб не вийшов перліт пластинчастий (див. додаток А). Структурою зернистого перліту повинні мати інструментальні стали, так як це забезпечує різанням, т. Е.

можливе застосування великих швидкостей різання і досягнення високої чистоти оброблюваної поверхні. Наявність структури зернистого перліту зменшує схильність евтектоїдних і заевтектоідних сталей до перегріву при загартування.