Основні відомості про структуру сталей у зрівноваженому стані

Структура у зрівноваженому (відпаленому) стані визначається вмістом вуглецю і показана на діаграмі стану «залізо-вуглець» (рис. 3.1), на якій суцільними лініями зображено діаграму «залізо-цементит» (Fе-Fе₃С), а пунктирними — «залізо-графіт». Перша будується за відносно швидким охолодженням (кілька градусів за хвилину), а друга — за дуже повільним охолодженням, близьким до зрівноваженого.

Рисунок 3.1 - Діаграма стану «залізо-вуглець»

У залізовуглецевих сплавах зустрічаються одно- та двофазні структурні складові. До однофазних відносять ферит, аустеніт, цементит і графіт, а до двофазних — перліт та ледебурит.

Ферит — це твердий розчин вуглецю в α-залізі, має кристалічну кубічну об’ємноцентричну ґратку. Максимальна розчинність вуглецю в α-залізі — близько 0,006% при 20°С та 0,02% при 727°С. Ферит магнітний, м'який, пластичний, міцність 300 МН/м², твердість за Брінелем 80–100 НВ, відносне подовження 40%, порівняно електро- і теплопровідний.

Аустеніт — твердий розчин вуглецю в γ-залізі, має гранецентричну кубічну ґратку. Максимальна розчинність вуглецю в аустеніті при 1147°С — 2,14%, найменша — при 727°С — 0,8%. Аустеніт не магнітний, м'який, пластичний, добре кується, твердість за Брінелем 200 НВ, відносне подовження складає 20%.

Цементит — карбід заліза, хімічна сполука Fе₃С, має 6,67% вуглецю за масою і кристалічну октаендричну ґратку. Залежно від умов утворення розрізняють первинний, вторинний і третинний цементит. Первинний виділяється із рідкої фази, вторинний — з аустеніту, третинний — із фериту. Цементит крихкий, твердість 800 НВ, мала пластичність.

Графіт — різновид вуглецю, має гексагональну ґратку. Він темно-сірого кольору, з температурою плавлення близько 3850°С, густиною 2,2 г/см³, низькими твердістю та міцністю.

Перліт — це евтектоїдна суміш фериту й цементиту. Він утворюється з аустеніту при 727°С і містить 0,8% вуглецю. Залежно від форми зерен розрізняють пластинчастий та зернистий перліт. Кращі властивості має зернистий перліт.

Ледебурит — це евтектична суміш зерен аустеніту й цементиту, утворюється з рідкої фази з 4,3% вуглецю при 1147°С. За температури, вищої від 727°С, ледебурит складається з аустеніту і цементиту, а нижчої — із перліту та цементиту. Ледебурит надає залізовуглецевим сплавам крихкість, але поліпшує ливарні властивості, має твердість 700 НВ і малу пластичність.

Сплави системи «залізо-вуглець» поділяють на залізо, доевтектоїдні, евтектоїдні й заевтектоїдні сталі та чавуни.

Залізо високої чистоти — це метал білого кольору з феромагнітними властивостями. Міцність заліза 250 МН/м², твердість 60–80 НВ, відносне подовження 40–50%. Залізо має структуру чистого фериту. Сюди належить і електролітичне залізо. Сплави заліза з вуглецем до 0,02% нерідко відносять до заліза, але вони є двофазні. Їх структура складається з фериту та третинного цементиту (рис. 3.2). Він присутній у вигляді тонкої сітки по межах зерен і помітно впливає на пластичність заліза.

Рисунок 3.2 - Структура відпаленої сталі: а - технічне залізо; б - сталь 20; в - сталь 40; г - сталь У8; д - сталь У12; е - сталь У12 із зернистим цементитом

Доевтектоїдні сталі містять від 0,02 до 0,8% вуглецю і мають структуру ферито-перлітну. З підвищенням умісту вуглецю кількість фериту зменшується, а перліту — збільшується і при 0,8% вуглецю — перліту 100%. Уміст вуглецю у відпаленій доевтектоїдній сталі для практичної мети можна з достатньою точністю визначити за мікроструктурою. Приймемо ферит за практично чисте залізо і будемо вважати, що в перліті вуглецю 0,8%.

Тоді

Наприклад, якщо за мікроаналізом установлено, що перліт на мікрошліфі (темні зерна) займає 60% площі, а ферит 40%, то вміст вуглецю в сталі складає 0,48%.

Евтектоїдна сталь з 0,8% вуглецю має структуру, що складається з евтектоїду — перліту. Під мікроскопом поле шліфа затемнене і при великому збільшенні (500 та більше разів) видно пластинчасту будову перліту. Темні пластинки видимі на зразку під мікроскопом — це тіні від пластинок цементиту, що виникають після травлення шліфа. Нерідко у лавах зустрічається перліт із зернистою будовою. Сталь з такою структурою відрізняється кращою пластичністю та оброблюваністю різанням.

Заевтектоїдна сталь має більше ніж 0,8% вуглецю. Складається з перліту та вторинного цементиту, що утворився з аустеніту в разі зменшення розчинності вуглецю в γ-залізі. За правильного теплового режиму термічної обробки та обробки тиском вторинний цементит присутній у вигляді дрібних зерен, вкраплених у перліт. Але можливе виділення цементиту у вигляді сітки по межах зерен перліту (на мікрошліфі світла сітка), що погіршує властивості сталі. Це виникає після закінчення гарячої обробки тиском за занадто високої температури або перепалу з нагрівом вище точки Ас_т.

Таблиця 3.1 – Зразки вуглецевих сталей

Позна- чення	Назва	Уміст вуглецю, %	Мікроструктура
Армко	Технічне залізо армко	до 0,02	Ф 100%
Ст 3	Сталь звичайної якості	0,20	Ф 75% П 25%

Продовження таблиці 3.1

Позна- чення	Назва	Уміст вуглецю, %	Мікроструктура
Ст 6	Арматура А-ІІІ	0,44	Ф 45% П 55%
Сталь 60	Якісна конструк-ційна сталь	0,60	Ф 25% П 75%
У 8	Інстру-ментальна евтекто-їдна сталь	0,80	П 100%
У 12	Інструмен-тальна заевтекто-їдна сталь марки У 12	1,20	П, Ц2 у вигляді сітки по межах зерен
У 12	Інстру-ментальна заевтек-тоїдна сталь марки У 12	1,20	П, Ц2 зернистий
Зразок невідо-мої сталі	Доевтекто-їдна вуглецева сталь	Необхідно визначити	Указати мікро-структуру, вміст вуглецю та марку сталі