Структурное изменение кристаллической решетки

при охлаждении чистого железа

Структура малоуглеродистой стали зависит от температуры нагрева. Температура плавления чистого железа 1535°С. При охлаждении ниже 1535°С в процессе кристаллизации образуется δ-железо с объемно-центрированной кристаллической решеткой (рис.1, а).

При температуре 1400°С, когда железо находится в твердом состоянии, в процессе охлаждения происходит новое превращение: из δ-железа образуется γ-железо с гранецентрированной кубической решеткой (рис.1, б).

При температуре 910°С кристаллы с ГЦК (γ-Fe) вновь при охлаждении превращаются в объемно-центрированные (α-железо) и это состояние сохра­няется до комнатной и отрицательной температур.

Аустенит

Рис.1. Изменение кристаллической решетки железа:

а - объемно-центрированная кристаллическая решетка;

б, в - гранецентрированная кристаллическая решетка

Структурное изменение кристаллической решетки при

Охлаждении стали

Температура плавления железоуглеродистых сплавов (сталь) зависит от содержания углерода. По мере увеличения содержания углерода в стали температура ее плавления снижается. При остывании ниже 1400 °С образуется твердый раствор углерода в γ-железе (аустенит), в котором атомы углерода располагаются в центре кубической гранецентрированной решетки (рис.1,в).

При температурах ниже 910°С из аустенита начинает выделяться феррит. По мере выделения феррита аустенит все более обогащается углеродом и при температуре 723°С превращается в перлит - смесь, состоящую из перемежающихся пластин феррита и карбида железа Fe₃C (цементита).

Таким образом, структура охлажденной до комнатной температуры стали состоит из феррита и цементита, который образует самостоятельные зерна, а также входит в перлит в виде пластинок (рис.2).

Феррит весьма пластичен и малопрочен, цементит очень тверд и хрупок, перлит обладает промежуточными свойствами.

Величина зерен феррита и перлита оказывает существенное влияние на механические свойства стали (чем мельче зерна, тем выше качество стали).

Рис.2. Фрагмент микроструктуры стали

Структура низколегированных сталей аналогична структуре малоуглеродистой стали. Повышение прочности низколегированных сталей достигается легированием - добавками, которые находятся в твердом растворе с ферритом и этим его упрочняют, некоторые из них образуют карбиды.

Основные химические элементы, применяемые

при легировании малоуглеродистой стали,

стали повышенной и высокой прочности

Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с некоторой добавкой кремния, алюминия, марганца, меди.

Углерод (У), повышая прочность стали, снижает пластичность и ухудшает ее свариваемость. В строительных сталях его содержание находится в пределах 0.094-0.22%.

Кремний (С) повышает прочность стали, ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии, является хорошим раскислителем. Его содержание в малоуглеродистых сталях до 0.3%, в низколегированных - до 1%.

Алюминий (Ю) хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное действие фосфора, повышает ударную вязкость (содержание до 0.1%).

Марганец (Г) образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали. Он служит хорошим раскислителем, снижает вредное влияние серы. В малоуглеродистых сталях его содержится до 0.64%, в низколегированных - до 1.5%. При содержании марганца свыше 1.5% сталь становится хрупкой.

Медь (Д) повышает прочность стали, увеличивает стойкость ее против коррозии. Ее содержание свыше 0.7% способствует старению стали. Повышение механических свойств низколегированных сталей осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих форбиды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Легирующие металлы: марганец (Г), хром (X), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т).

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали; никель повышает прочность стали и ее пластические свойства.

Молибден и бор (Р) способствуют получению закалочных структур, что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закалки и высокого отпуска сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами, обладающей высокой прочностью, пластичностью и не разупрочняется при сварке.

Азот (А) способствует старению стали и делает ее хрупкой при низких температурах. Его содержание до 0.008%. В химически связанном состоянии с металлами, образуя нитриды, становится легирующим элементом, способствующимизмельчению структуры и улучшению механических свойств. Вредные примеси:

- фосфор - повышает хрупкость стали при низких температурах (хладноломкость) и снижает пластичность при повышенных;

- сера - способствует образованию трещин при температурах 800÷1000°С вследствие образования легкоплавкого сернистого железа (красноломкость).

Содержание серы ограничивается до 0.05%, фосфора до 0.04%.

Кислород действует подобно сере и повышает хрупкость стали. Водород (содержание до 0.0007%) вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению механических свойств стали.

Термическая обработка стали

Термическая обработка дает значительное повышение прочности, деформационных и других свойств стали. Под влиянием температуры, режима нагрева и остывания изменяется структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация - повторныйнагрев проката до температуры образования аустенита с последующим охлаждением на воздухе.

Закалка - быстрое остывание стали после нагрева до температуры, превосходящей температуру фазового превращения. При этом из аустенита образуется бейнит и мартенсит. Прочность стали повышается, пластичность снижается, а также повышается склонность к хрупкому разрушению.

Для образования желаемой структуры (регулирования механических свойств) производится отпуск закаленной стали, т.е. нагрев до определенной температуры, при которой происходит необходимое структурное превращение, и выдержка при этой температуре с последующим медленным остыванием. Таким образом получается сорбит отпуска.

Старение стали

Старение - перестройка структуры и изменение прочности и пластичности стали вследствие выделения в течение длительного времени углерода, азота и карбидов.

Старению способствуют:

а) механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение);

б) температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (физико-химическое старение, дисперсионное твердение).

При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение).

Старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и рассматривается как отрицательное явление. Наиболее подвержена старению кипящая сталь.