Микроструктура легированных сталей в равновесном состоянии

1. Доэвтектоидные стали имеют структуру феррита и перлита (рис.1, а). Количество феррита и перлита в структуре определяется содержанием углерода в стали и концентрацией углерода в эвтектоиде. К этому классу относятся конструкционные стали, например, марок 15Х, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 30ХГСА, 40Х и многие другие.

а б
Рис.1. Схемы микроструктуры легированной стали доэвтектоидного класса марки 30ХГСА после полного отжига от 880ОС (а, тонкопластинчатый перлит и феррит) и после нормализации от 880ОС (б, сорбит и феррит) ´600 (сорбит при увеличениях светового микроскопа так, как показан на схеме, не разрешается)

2. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру (рис.2). С увеличением содержания легирующих элементов концентрация углерода в перлите снижается и становится значительно меньше 0,8%. Например, сталь марки 70С3А, содержащая 0,66-0,74%С и 2,40-2,80%Si, имеет в отожженном состоянии перлитную структуру.

Рис.2 Схема микроструктуры легированной стали эвтектоидного класса марки 70С3А после полного отжига от 860^ОС. Пластинчатый перлит. ´600

3. Заэвтектоидные стали имеют структуру, состоящую из перлита и избыточных вторичных карбидов. К этому классу относятся инструментальные стали марок Х, ХГ, ХВГ, ХГСВ и другие. Так сталь ХГ, содержащая 1,30-1,50%С; 1,30-1,60%Сr и 0,45-0,70%Мn, после полного отжига из однофазного аустенитного состояния имеет структуру, состоящую из тонкопластинчатого перлита и сетки избыточных вторич-ных карбидов (рис.3, а). Сплошная сетка карбидов снижает механические свойства заэвтектоидных сталей, поэтому они подвергаются отжигу на зернистый перлит (рис.3, б).

а	б

Рис.3 Схема микроструктуры легированной стали заэвтектоидного класса марки ХГ после полного отжига от 1000^ОС (а, тонкопластинчатый перлит и сетка вторичных карбидов) и отжига на зернистый перлит (б, зернистый перлит и вторичные карбиды округлой формы). ´600

4. Ледебуритного класса стали содержат в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фaзы при кристаллизации и входящие в состав эвтектики - ледебурита. Легирующие элементы могут настолько сильно уменьшить растворимость углерода в аустените, что при концентрации его менее 1% возможно образование ледебурита в стали. Например, в литой быстрорежущей стали марки Р18, содержащей 0,70-0,80%С; 17,5-19,0%W; 1,0-1,4%V и 3,8-4,4%Cr, присутствует ледебурит, имеющий в вольфрамовых сталях "скелетообразный" вид. Ледебурит состоит из пластинок карбидов, чередующихся с аустенитом.

а	б

Рис.4 Схема микроструктуры легированной стали ледебуритного класса марки Р18 в литом состоянии (а, ледебурит, аустенит и эвтектоид) и после обработки давлением - ковки и отжига (б, крупные первичные и мелкие вторичные карбиды, мелкозернистый перлит). ´600

Карбиды, образовавшиеся в процессе кристаллизации и входящие в состав ледебурита, называются первичными.

По структуре стали ледебуритного класса следовало бы рассматривать, как белые чугуны. Однако в результате пониженного содержания углерода они по свойствам значительно ближе к стали, чем к чугунам, что позволяет рассматривать их как стали.

Ледебуритные стали обладают более высокой пластичностью, чем белые чугуны, поэтому путем горячей обработки давлением удается раздробить ледебуритную эвтектику и повысить свойства стали за счет равномерного распределения карбидов. Структура кованой и отожженной быстрорежущей стали Р18 состоит из крупных первичных карбидов, более мелких вторичных и мелкозернистого перлита, состоящего из легированного феррита и эвтектоидных карбидов (рис.4, б).

К ледебуритному классу относятся инструментальные стали - быстрорежущие марок Р9, Р12, Р18, Р9Ф5, Р10К5Ф5 и для штампов холодной штамповки марок Х12, Х12Ф1, Х12М.

5.Аустенитного класса стали содержат большое количество легирующих элементов, которые расширяют область аустенита, повышая его устойчивость, и резко сужают область существования феррита.

Элементами, стабилизирующими аустенитную структуру, являются никель, марганец, медь, азот и углерод. При достаточном их содержании сталь не претерпевает фазовых превращений и сохраняет аустенитную структуру при охлаждении до комнатной температуры.

Для аустенитной структуры характерно наличие внутри зерен прямолинейных границ двойникования. На рис.5 показана структура стали 12Х18Н9Т закаленном состоянии.

Рис.5 Схема микроструктуры легированной стали аустенитного класса марки 12ХН18Н9Т после закалки от 1050ОС в воде. Аустенит. ´600. (Травление в электролите, содержащем 10 г щавелевой кислоты и 100 мл воды, при плотности тока 0,1 А/см2 в течение 35-45 с)

При медленном охлаждении от 1050^ОС из аустенита выделяются по границам зерен карбиды, снижающие механические свойства. Поэтому стали аустенитного класса часто применяются в однофазном состоянии аустенита, которое получается путем растворения карбидов при нагреве и последующей закалки в воде.

Стали аустенитного класса в зависимости от химического состава могут быть нержавеющими (12Х18Н9Т, 08Х18Н12Т, 04Х18Н10), жаропрочными (08Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М), износостойкими (110Г13Л), а также обладать другими особыми свойствами.

Жаропрочность определяется силами межатомного взаимодействия при повышенных температурах, а так как плотность упаковки атомов в аустените максимальная, то стали аустенитного класса обладают наибольшей жаропрочностью. Хром и никель являются основными легирующими компонентами этих сталей. Хром определяет окалиностойкость, а никель - устойчивость аустенита.

В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерода могут образоваться специальные карбиды, преимущественно типа М₂₃С₆. Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при определенных условиях приводит к появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, называемого межкристаллитной коррозией.

Благодаря аустенитной структуре эти стали немагнитны, имеют высокую пластичность и многие из них хорошо штампуются в холодном состоянии.

6. Ферритного класса стали имеют высокую концентрацию легирующих элементов, сужающих область аустенита и расширяющих область феррита. К таким элементам относятся: хром, кремний, алюминий, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие. Для получения перлитной структуры сталь должна иметь минимальное (до 0,1-0,2%) содержание углерода, расширяющего область аустенита.

Структура этих сталей состоит, в основном, из легированного феррита, не превращающегося в аустенит при нагреве вплоть до температуры плавления. На рис.6 показана микроструктура трансформаторной стали марки Э42, которая вследствие низкого содержания углерода - менее 0,05% и высокой концентрации кремния - 3,8-4,8% не имеет аллотропического превращения α–γ и поэтому относится к ферритному классу.

Рис.6. Схема микроструктуры легированной стали ферритного класса марки Э42. Феррит. ´600

Электротехническая сталь имеет по ГОСТу специальную маркировку. Первая цифра за буквой Э показывает примерное содержание кремния в %. Вторая цифра характеризует уровень электротехнических и магнитных свойств (чем цифра больше, тем свойства выше). Кремний, растворяясь в феррите, резко увеличивает электросопротивление и тем самым снижает потери на вихревые токи и гистерезис.

При высоком содержании хрома, кремния и алюминия стали ферритного класса являются жаростойкими (окалиностойкими), так как эти элементы способны образовывать на поверхности детали плотные пленки окислов, препятствующие проникновению кислорода и образованию окалины. К жаростойким относятся стали марок Х17, ОХ17Т, Х25Т, Х28, 10Х12СЮ, Х18СЮ и другие. Стали ферритного класса в качестве жаропрочных не применяются, так как феррит имеет более низкую плотность упаковки атомов в решетке чем аустенит. Благодаря ферритной структуре, эти стали обладают фeppoмагнитными свойствами.