Основные структуры стали, компоненты, их свойства и свойства стали

В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из множества кристаллов – зерен.

При содержании углерода до 0,8% сталь, называемая доэвтектоидной, состоит из феррита и перлита.

Феррит – почти чистое железо, углерода в нем ~0,01%, мяг­кий, пластичный.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита.

Цементит – карбид железа Fe₂C с содержанием углерода до 6,67%, твердый, хрупкий.

Перлит имеет промежуточные свойства. Чем в стали меньше углерода, тем меньше перлита. В связи с этим, стали с содержа­нием углерода меньше 0,3% считают мягкими.

Если содержание углерода в пределах от 0,3 до 0,6% – сред­ней твердости.

При содержании углерода более 0,6% – твердыми.

При содержании углерода в стали 0,88%, сталь представляет собой очень мелкую и равномерную дисперсную смесь крис­таллов, образовавшихся при постоянной и самой низкой тем­пературе кристаллизации. Сталь с такой структурой называет­ся эвтектоидной или перлитной.

Температура плавления стали как сплава ниже температуры плавления чистого железа и тем ниже, чем больше углерода.

Температура кристаллизации стали с содержанием углеро­да меньше 0,8% или больше 0,8% в меньшей или большей сте­пени выше, чем для стали с содержанием углерода 0,8%. Со­ответственно имеют место разные структуры, а потому каж­дой марке стали соответствует своя температура термообра­ботки, которую строго надо выдерживать.

При нагревании стали от 723°Сдо 910°С перлит превращает­ся в крупнозернистый аустенит и, чем выше нагрев, тем крупнее зерна аустенита, при этом из него выделяется цементит.

При быстром охлаждении нагретой стали в воде получается твердая, но хрупкая структура мартенсита, которая при отпуске после закалки переходит в менее твердые, но прочные и упру­гие структуры тростита или более вязкого и пластичного сорби­та, в зависимости от степени нагрева.

Каждой марке стали соответствует определенная скорость закалки. Чем меньше в стали углерода и легирующих элемен­тов, тем выше должна быть скорость охлаждения, поэтому за­калку проводят в холодной воде. Наоборот, чем выше содержа­ние углерода и легирующих элементов, тем скорость охлажде­ния должна быть ниже. Поэтому охлаждают сталь в масле или, даже, на воздухе. Стали с содержанием углерода менее 0,2% закалку не принимают.

Излишне высокая температура нагрева при термической обработке (отжиге, нормализации, закалке) может привести к получению крупного зерна аустенита. Крупнозернистой та­кая сталь окажется и после ее охлаждения.

Такая крупнозернистая сталь называется перегретой, а из­лишне высокая температура – перегревом.

Перегретая сталь обладает пониженными механическими свойствами, особенно снижается при этом ударная вязкость.

Если при более высоких температурах имеет место доступ кислорода, то происходит пережог, а сталь становится пережженной.

Пережог, в отличие от перегрева стали, порок неустрани­мый, во избежание пережога наибольший нагрев стали дол­жен быть на 150-200°С ниже температуры плавления. кото­рая, например, для стали Ст15 – 1485°C, нержавеющей стали 12Х18Н9Т – 1400°С, железа – 1536°C, а серого чугуна – 1200°С, т. е. очень зависит от содержания углерода и легирующих эле­ментов. Следовательно, не зная химического состава и не имея прибора для замера температуры, нельзя заниматься термообработкой стали.

Термическая обработка стали

Термическую обработку производят для изменения струк­туры и получения необходимых свойств и механических ха­рактеристик.

Отжиг – термическая обработка для получения мелко­зернистой перлитной структуры, повышения пластичности, устранения наклепа и внутренних напряжений.

Нагрев СтЗ-Ст5 до 860-900°С, Ст6-Ст7 до 800-840°С, далее выдержка и медленное (вместе с печью) охлаждение.

Зернистый перлит может быть получен длительным нагре­вом стали при 680-700°С с последующим медленным охлаж­дением.

Нормализация – нагрев стали до температуры отжига и охлаждение на воздухе для получения более высокой прочно­сти и твердости, чем при отжиге на мелкое зерно.

Закалка – нагрев до 780-950°С, выдержка с последующим охлаждением в воде или в масле для повышения прочности, твердости, износостойкости. Следом за закалкой, как прави­ло, производят отпуск.

Каждый тип и марка стали имеют свою температуру закалки и охлаждающую жидкость. Некоторые легированные ста­ли закаливают даже на воздухе.

От времени выдержки стали при высокой температуре и от ее прокаливаемости зависит глубина закаленного слоя.

Дефекты закалки такие как недостаточная твердость, мяг­кие места, перегрев, коробление, трещины, обезуглерожива­ние в результате окисления в печи – результат неверных техно­логий и отступления от регламента.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры не выше 723°С с медленным охлаждением для уменьшения внутрен­них закалочных напряжений, придания пластичности и вяз­кости.

Низкий отпуск – при температуре 150-250°С с медленным охлаждением. Повышает вязкость без снижения твердости.

Средний отпуск – при температуре 350-450°С для обеспе­чения высоких упругих свойств при достаточной вязкости, например, для пружин.

Высокий отпуск – при температуре 450-650°С снижает за­калочные напряжения, дает прочность, вязкость после закал­ки с высоким отпуском. Высокий отпуск улучшает сталь, по­вышает ударную вязкость.