Общая характеристика сталей.

Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, кото­рые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплав­ки.

В твердом состоянии сталь является поликри­сталлическим телом, состоящим из множества различно ориентиро­ванных кристаллов (зерен). В каждом кристалле по­ложительно заряженные ионы расположены упорядоченно в узлах пространственной решетки. Для стали характерны кубические кристаллические объемно-центрированная и гранецентрированная решетки (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Кубическая кристаллическая решетка:

а - объемно-центрированная; б - гране­центрированная

Структура стали зависит от условий кристаллизации, хи­мического состава, режима термообработки и прокатки.

Температура плавления чистого железа равна 1539°С. При охлаждении образуются кристаллы d-железа с объемно-центрированной решеткой (рис. 2.1, а); при температуре 1400°С происходит перекристаллизация и d-железо пе­реходит в g-железо с гранецентрированной решеткой (рис. 2.1, б). При 910°С и ниже кристаллы g-железа вновь превращаются в объем­но-центрированные с сохранением такого состояния в обычных ус­ловиях (a-железо).

При дальнейшем остывании стали образуется твердый раствор углерода в g-железе, называемый аустенитом, в котором атомы углерода распо­лагаются в центре гранецентрированной кристаллической решетки. При темпе­ратуре ниже 910°С начинается распад аустенита. Образующееся a-железо (феррит) плохо растворяет углерод. По мере выделения феррита аустенит обога­щается углеродом и при температуре 727°С превращается в перлит - смесь феррита и карбида железа Fe₃С (цементи­т).

Таким образом, при нормальной температуре сталь состоит из двух основных фаз - феррита и цементита, которые образуют са­мостоятельные зерна, а также входят в виде пластинок в состав пер­лита.

Феррит весьма пластичен и малопрочен, цементит тверд и хру­пок, перлит обладает промежуточными между ними свойствами. В зависимости от содержания углерода преобладает та или иная струк­турная составляющая. Величина зерен феррита и перлита зависит от числа очагов кристаллизации и условий охлаждения. Размер зерна существенно влияет на механические свойства стали (чем мельче зерно, тем выше качество металла).

8.4. Структура низколегированных сталей

Структура низколегированных сталей аналогична структуре малоуглеродистой ста­ли. Низколегированные стали тоже содержат мало углерода, повышение их прочности достигается легированием - добавками, которые, как правило, находятся в твердом растворе с ферритом и, растворяясь, упрочняют его. Легирующие добавки образуют карбиды и нитриды, также упрочняющие ферритовую основу и способствуют образованию мелкозернистой структуры.

Основные химические элементы, применяемые при легировании:

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

Углерод (У), повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает сва­риваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть достаточно плас­тичными и хорошо свариваемыми, углерод допускается в количестве не более 0,22 %.

Кремний (С), повышает прочность ста­ли, ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хороший раскислитель; в малоуглеро­дистые стали добавляется до 0,3 % кремния, в низколегированные - до 1 %.

Алюминий (Ю) хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Марганец (Г) повышает прочность и вязкость стали, хороший раскислитель, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. В ма­лоуглеродистых сталях марганца содержится до 0,64 %, в легированных - до 1,5 %; при содержании марганца более 1,5 % сталь становится хрупкой.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное содержание (более 0,7 %) способствует старению стали.

Молибден (М)и бор (Р) обеспечивают высокую устойчивость аустенита при охлаждении, что очень важно для получения высокопрочного проката боль­ших толщин. После закалки и высокого отпуска сталь становится мелкозернистой, на­сыщенной карбидами. Такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Примечание. При обозначении марки стали каждому химическому элементу присвоена буква русского алфавита (указана в скобках около каждого элемента), содержание каж­дого элемента в процентах с округлением до целых значений указывается после бук­вы, обозначающей данный элемент (элемент, содержащийся в пределах 1 %, цифрами не указывается). Поскольку углерод содержится во всех сталях, его обозначение (буква У) не ставится, а количественное содержание указывается в сотых долях процента в на­чале обозначения марки. Так, 15Г2СФ означает, что в этой стали среднее содержание углерода 0,15 %, марганца - в пределах 1—2 %, кремния и ванадия - в пределах 1 % каждого.

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно при низких температурах. Его не должно быть более 0,008 %.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется также присадкой металлов: марганец (Г), хром (Х), ваннадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т).

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали.

Вредные примеси. Фосфор - повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладноломкость), и снижает пластичность при повышенных; сера - делает сталь красноломкой (склонной к об­разованию трещин при температуре 800 - 1000 °С). Поэтому содержание серы и фос­фора в стали ограничивается: так, в углеродистой стали Ст3 серы дол­жно быть не больше 0,05 % и фосфора - 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насы­щение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, нахо­дящийся в расплавленном состоянии. Кислород повышает хрупкость стали, несвязан­ный азоттакже снижает качество стали, водород (всего 0,0007 %) вызывает в микрообъемах высокие напря­жения, что приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разру­шению, снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необхо­димо защищать от воздействия атмосферы.

Значительного повышения прочности, де­формационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой. Под влиянием температу­ры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, ве­личина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки являетсянормализация. Она заключает­ся в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последую­щего охлаждения на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению проч­ностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости.