Краткие теоретические сведения

Микроструктуру сталей изучают в равновесном состоянии, т. е. в таком состоянии, когда процессы фазовых превращений полностью закончились, что достигается только при очень медленном охлаждении. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии определяют по диаграмме состояния "железо–цементит". Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита (рис. 4.1).

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % – чугунами.

Структура стали в равновесном состоянии, зависит от содержания в ней углерода. После полного отжига в углеродистой стали присутствуют следующие фазы и структурные составляющие: феррит, цементит, перлит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Он является продуктом диффузионного превращения аустенита, при его охлаждении ниже температур линии GPSK (рис. 4.2). Под микроскопом феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (рис. 19). Последнее объясняется неодинаковой травимостью вследствие анизотропии свойств феррита. Растворимость углерода в феррите изменяется с изменением температуры, что отражает на диаграмме состояния (рис. 18) линия GPQ. Максимальное содержание углерода в феррите при комнатной температуре достигает 0,006 %.

Феррит является пластичной фазой. Его относительное удлинение  = 50 %, твердость зависит от концентрации углерода и других растворенных примесей и изменяется в пределах НВ 45–90. Феррит обладает ферромагнитными свойствами, в парамагнитное состояние переходит при температуре 768 С.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -Fe. Кристаллы аустенита присутствуют в железоуглеродистых сплавах от температуры 727 ºC до температур плавления или превращения в высокотемпературный феррит.

На диаграмме состояния системы железо–углерод область однофазного аустенита обозначены точками NIESG. Растворимость углерода в аустените может достигать 2,14 % при 1147 ºC. Аустенит парамагнитен и обладает высокими пластичностью и вязкостью..

Рис. 4.1. Диаграмма состояния сплавов системы железо–углерод

Цементит (Ц) – химическое соединение углерода с железом – карбид железа Fe₃C. Кристаллическая решетка цементита очень сложная ромбическая. Цементит обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводностью, малыми магнитными свойствами до температуры 210 С.

а б Рис. 4.2. Структура феррита: а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Температура плавления при атмосферном давлении у цементита не установлена, так как он является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах распадается на железо и углерод. В зависимости от условий охлаждения аустенита, цементит может иметь зернистую или пластинчатую форму.

Цементитная сетка из пластинок, охватывающих зерна перлита в структуре заэвтектоидной стали, снижает ее пластичность и прочность, и увеличивает твердость. Цементит – самая твердая составляющая, 800 НВ. Его пластичность практически равна нулю. Поэтому с возрастанием количества цементита в стали, при увеличении концентрации в ней углерода твердость стали возрастает, а пластичность падает.

Перлит (П) – эвтектоидная смесь из кристаллов цементита и феррита, образующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного охлаждения последнего. Содержание углерода в перлите 0,8 % (точка S, рис. 4.1).

При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем феррит, сошлифовываются меньше и поэтому выступают из остальной массы перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что усиливается при травлении. Поэтому при косом освещении перлит под микроскопом просматривается в виде темных и светлых полосок.

В зависимости от формы цементита различают:

а) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите (рис. 4.3, а);

б) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму пластин; последние образуют смесь чередующихся пластин цементита (рис. 4.3, б, в) и феррита.

Форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастают.

а	б	в

Рис. 4.3. Структура перлита:

а – схема зарисовки зернистого перлита;

б – схема зарисовки пластинчатого перлита;

в – фотография микроструктуры пластинчатого перлита

Обыкновенный пластинчатый перлит имеет предел прочности _в = 820 МПа и относительное удлинение  = 15 %, а крупнопластинчатый – _в = 550 МПа и  = 5 %. Зернистый перлит имеет _в = 630 МПа и  = 20 %.

Твердость пластинчатого перлита НВ 200–250, а зернистого – НВ 160–220.

На микрошлифе в обычном оптическом микроскопе при малом увеличении (до 200 крат) перлит наблюдается в виде темных зерен, в которых не видно ни пластин, ни зерен цементита, так как размер цементитных частиц очень мал.

Структура стали в равновесном состояния зависит от содержания в ней углерода.

Техническое железо содержит не более 0,02 % углерода и является как двухфазным, так и однофазным сплавом.

Технически чистое железо называют армко–железом. Его получают в больших количествах промышленным способом с суммарным содержанием примесей около 0,15 %.

Сплавы с содержанием углерода до 0,006 % состоят из феррита, и в интервале концентрации 0,006–0,02 % – из феррита и цементита третичного, который выделяется по границам ферритных зерен вследствие изменения растворимости углерода в феррите при изменении температуры.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % углерода. Стали состоят из феррита (Ф) (светлые зерна) и перлита (П) (темные зерна) (рис. 4.4). Количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода. По соотношению площадей, занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, что с определенной степенью точности соответствует соотношению их объемов, можно определить содержание углерода в стали. Для того чтобы подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали, необходимо определить площадь f_п, занимаемую перлитом на микрошлифе относительно всего поля зрения, и умножить на содержание углерода в перлите (0,8 % – см. рис. 18).

а	б

Рис. 4.4. Доэвтектоидная сталь, в структуре перлит и феррит:

а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Пример: площадь, занятая перлитом, f_п = 0,6 (относительно 1). Тогда содержание углерода в данном образце будет: 0,8 х 0,6 = 0,48 %.

Зная процентное содержание углерода, можно определить марку стали (приложение 1).

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода, в ее структуру входит только перлит (рис. 4.3).

Заэвтектоидные стали содержат углерода более 0,8 %. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита (рис. 4.5).

а	б

Рис. 4.5. Заэвтектоидная сталь, в структуре перлит и цементит:

а – фотография микроструктуры;

б – схема зарисовки

Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали возрастает с увеличением концентрации углерода от 3,4 % (при % С = 1 %) до 20,4 (при % С = 2 %) от всей массы сплава. Если известно относительное содержание вторичного цементита на микрошлифе, можно определить содержание углерода в данном образце. Для этого к углероду, содержащемуся в перлите, нужно добавить углерод, содержащийся во вторичном цементите. Например, площадь, занятая вторичным цементитом, f_ц = 0,04 (относительно 1), тогда площадь, занятая перлитом, f_п = 0,96 относительно площади микрошлифа.

Содержание углерода определяют следующим образом:

0,04 х 6,67 % + 0,96 х 0,8 % = 1,1 %.

Химический состав и маркировка сталей приведены в табл. 4.1, 4.2,4 3.

Влияние углерода на свойства стали в основном определяются свойствами цементита и связано с изменением содержания основных структурных составляющих – феррита и цементита. При увеличении углерода до 1,2 % (рис. 23) возрастают прочность σ_в, твердость HB, предел текучести σ_т, при этом снижаются вязкость KCU и характеристики пластичности – относительное удлинение (δ, %) и относительное сужение (ψ, %). Технологические свойства, такие как деформируемость, свариваемость и др., зависят также от содержания углерода. Хорошей свариваемостью и пластичностью отличаются низкоуглеродистые стали. Хорошими режущими свойствами обладают высокоуглеродистые стали.

Рис. 4.6. Зависимость механических свойств сталей

от химического состава и примерные марки сталей

Таблица 4.1

Сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 380–88

Марки стали	Массовая доля элементов, %
	Углерода	Марганца	Кремния
Ст0	Не более 0,23	–	–
Ст1кп	0,06–0,12	0,25–0,50	Не более 0,05
Ст1пс	0,06–0,12	0,25–0,50	0,05–0,15
Ст1сп	0,06–0,12	0,25–0,50	0,15–0,30
Ст2кп	0,09–0,15	0,25–0,50	Не более 0,05
т2пс	0,09–0,15	0,25–0,50	0,05–0,15
Ст2сп	0,09–0,15	0,25–0,50	0,15–0,30
Ст3кп	0,14–0,22	0,30–0,60	Не более 0,05
Ст3пс	0,14–0,22	0,40–0,65	0,05–0,15
Ст3сп	0,14–0,22	0,40–0,65	0,15–0,30
Ст3Гпс	0,14–0,22	0,80–1,10	Не более 0,15
Ст3Гсп	0,14–0,20	0,80–1,10	0,15–0,30
Ст4кп	0,18–0,27	0,40–0,70	Не более 0,05
Ст4пс	0,18–0.27	0,40–0,70	0,05–0,15
Ст4сп	0,18–0,27	0,40–0,70	0,15–0,30
Ст5пс	0,28–0,37	0,50–0,80	0,05–0,15
Ст5сп	0,28–0,37	0,50–0,80	0,15–0,30
Ст5Гпс	0,22–0,30	0,80–1,20	Не более 0,15
Ст6пс	0,38–0,49	0,50–0,80	0,05–0,15
Ст6сп	0,38–0,49	0,50–0,80	0,15–0,30

Примечания: 1. Буквы Ст обозначают "Сталь", цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава стали, буквы "кп", "пс", "сп" – способ раскисления стали ("кп" – кипящая, "пс" – полуспокойная, "сп" – спокойная сталь).

2. Способ раскисления, если он не указан в заказе, устанавливает изготовитель.

3. Массовая доля серы в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,05 %. фосфора не более 0,04 %, в стали марки Ст0 серы – не более 0,06 %, фосфора – не более 0,07 %.

Таблица 4.2