Общие сведения

Сталь представляет собой деформируемый (ковкий0 сплав железа с углеродом и неизбежными примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5 % углерода. Основные способы получения стали - в мартеновских или в электрических печах, а также в бессемеровских или томасовских конвертерах.

Количество примесей, входящих в состав стали, в том числе и тщательно приготовленных сортов ее, весьма велико. Даже в так называемом "чистейшем" железе, выплавленном в вакууме, было обнаружено 27 элементов.

Основной элемент металлического сплава, по отношению к которому все остальные элементы являются примесями, - это элемент, чья атомная решетка определят кристаллографическое строение всего сплава. Как правило, содержание этого основного элемента в сплаве - более 50 %, однако, например, для никеля достаточно, чтобы содержание его достигло 36 %, как весь многокомпонентный сплав кристаллографически перестраивается по решетки никеля и называется никелевым.

До тех пор, пока содержание различных элементов в стали таково, что кристаллографическое строение всего сплава будет определятся кристаллографической решеткой железа, этот сплав называют сталью. Если содержание элементов достигает таких значений, что весь сплав будет иметь строение, определяемое кристаллографической решеткой одного из добавленных элементов, а не железа, то следует говорить уже о сплаве (никелевом, кобальтовом, хромистом и т.п.) а не о стали.

Классификация примесей, входящих в состав стали, по Н.Г. Гудцову предусматривает деление их на четыре группы.
1. Постоянные или обычные примеси - это те спутники основного элемента - железа, которые содержатся в рудах или в сырых материалах, применяемых при промышленном способе производства стали. К ним относятся углерод, кремний, марганец, сера, фосфор; содержание этих примесей в обычной, так называемой углеродистой стали; от 0,1 до 0,8 % марганца, от следов до 0,4 % кремния, до 0,08% серы, до 0,1 % фосфора.
2. Скрытые примеси также являются спутниками основного элемента - железа, но содержание их в стали очень малы (обычно не превышает сотых долей процента). К этим примесям относятся газы - кислород, азот, водород и др.
3. Случайные или местные примеси переходят в сталь благодаря тому, что они содержатся в рудах или в сырых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства сплавов. Например, уральские руды горы Высокой содержат медь, и выплавляемых из этих руд чугун и сталь всегда имеют в своем составе некоторое количество меди; чугуна и стали, выплавляемые на керченских рудах, всегда содержат некоторое количество перешедшего из руды мышьяка.
4. Специальные примеси (легирующие элементы) специально вводят в состав стали, чтобы под их влиянием развивались какие-то определенные, особо нужные по условиям службы деталей свойства стали: магнитные, жаропрочные и др. Сталь, в составе которой введены специальные примеси, называют легированной.

Железо и сплавы на его основе, в том числе сталь, являются телами кристаллическими. Для каждого кристаллического тела существует свой закон, вытекающий из характера межатомного взаимодействия, в результате которого атомы занимают определенное, присущее данному телу закономерное положение в пространстве, образуя кристаллическую решетку.

Железо, в отличие от многих других элементов, образует не одну, а две кристаллические решетки. Это свойство полиморфизма определяет многие практически ценные свойства сплавов, построенных на базе этого элемента.

Равновесные структуры стали. Под структурой металлического сплава понимают характер и взаимное расположение различных фаз, определяемых для данного сплава его химическим составом и примененной термической или механической обработкой.

Феррит обладает низкой прочностью и твердостью (НВ 80-100) и высокой пластичностью.

Цементит обладает высокой твердостью (НВ 700) и хрупкой; температура плавления ~ 1600^оС. Большое количество цементитных образований в структуре отчетливо видно лишь при изучении сталей с высоким содержанием углерода. Однако структурно свободный цементит можно наблюдать и в малоуглеродистых сталях.

Перлит наблюдается под микроскопом в виде смеси двух фаз - феррита и цементита.

При медленном охлаждении, отвечающем условиям равновесия, полностью перлитная структура образуется по эвтектоидной реакции в стали, содержащей 0,8 % углерода. В зависимости от формы присутствующих в перлите фаз различают зернистый перлит, в котором цементит имеет форму глобулей, равномерно распределенных по ферритным зернам, и пластинчатый перлит, в котором обе фазы - феррит и цементит - имеют форму вытянутых пластинок.

Структура сталей различного состава состоит обычно из сочетания указанных структурных составляющих. Так, стали, содержание углерода в которых находится в пределах от0,025 до 0,8 %, называемые доэвтектоидными сталями, содержат феррит и перлит. Соотносительное количество фаз в структурах доэвтектоидных сталей зависит в первую очередь от содержания углерода.

Стали, содержащие более 0,8% углерода, относятся к заэвтектоидным сталям и имеют структуру, состоящую из перлита и цементита. Чем больше содержание углерода в эвтектоидной стали, тем соответственно больше количество цементитных частиц наблюдается в структуре.

При нагреве сталей выше температур полиморфных превращений структура состоит из зерен аустенита.

Аустенит, представляющий собой твердый раствор углерода и присутствующих в стали примесей в железе, является высокотемпературной структурной составляющей обычных (так называемых углеродистых) сталей.

Сталь, имеющая аустенитную структуру, весьма пластичен. Это используется в технологии производства стальных полуфабрикатов: операции горячей прокатки, ковки и штамповки ведут при температурах, обеспечивающих получение аустенитной структуры.

Общие закономерности термической обработки стали

Термическая обработка металлов - совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, в результате которых меняется внутреннее строение, и, соответственно, свойства металлических сплавов. Термическую обработку металлов и сплавов проводят обычно в тех случаях, когда имеют место:
1. Плиморфные превращения;
2. Ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии;
3. Изменение строения под влиянием холодной деформации.

Термическая обработка сплавов, имеющих полиморфные превращения.

В основе процессов термической обработки большинства промышленно важных металлических сплавов (в том числе стали, чугуна) лежит явление полиморфизма твердых растворов на базе α и γ - железа, определяющих структуру стали. В результате полиморфных превращений резко изменяется способность железа к растворению главной примеси стали - углерода.

Полиморфные превращения твердых растворов стали данного состава происходят в определенном интервале, ограниченном нижней А₁ и А₃ критическими точками.

Первым следствием полиморфизма твердых растворов стали является перекристаллизация в твердом состоянии, представляющая собой явление изменения кристаллического строения стали, происходящее при нагреве или при медленном охлаждении на определенные температуры - критические точки. Перекристаллизации заключается в образовании новых зерен.

Образование этих новых зерен по форме и размеру зерен при малых степенях переохлаждения происходит диффузионном путем возникновения и последующего роста зародышей новой фазы - так называемых центров кристаллизации.

Количество центров кристаллизации и скорость их роста зависят главным от многих факторов, главным из которых являются:
а) температура нагрева или охлаждения стали относительно температуры полиморфного превращения, т.е. критических точек;
б) присутствие нерастворимых примесей, облегчающих образование центов кристаллизации;
в) пластическая деформация, вызывающая течение в процессе перекристаллизации;
г) рекристаллизация, сопутствующая в ряде случаев пластической деформации.

Практически осуществление перекристаллизации связанно с нагревом стали до температур, лежащих несколько выше соответствующих для данного состава критических точек; при этом происходит образование зерен новой фазы - аустенита. К операциям термической обработки, в основе которых лежит явление перекристаллизации, относятся, в частности, отжиг и нормализация.

Основным назначением отжига и нормализации является создание однородной структуры стали, обеспечивающей лучшую обрабатываемость изделий и более высокий уровень механических свойств. В результате перекристаллизации в твердом состоянии, составляющей сущность операции отжига и нормализации, удается исправить такой существенный дефект стальных заготовок, каким является крупнозернистая структура, полученная в результате перегрева.

Перегрев стали является дефектом, образующемся при нагреве на высокие температуры (порядка 1000-1200^оС). Этот дефект связан с резким укрупнением зерен и падением свойств вязкости.

Изменение величины зерен при нагреве стали характеризуется следующими понятиями. Начальное зерно аустенита - размер аустенитного зерна в момент окончания перлитно - аустенитного превращения; это зерно обычно очень мелкое. Действительное зерно - зерно аустенита, полученное в данных условиях при конкретной термической обработке; размеры перлитных зерен, получившихся при охлаждении стали, зависят в первую очередь от размера зерен аустенита, из которых они образовались.

Природное (наследственное) зерно - зерно аустенита, полученное в результате определенной технологической пробы - нагрева до температуры 900-1000^оС. Так как аустенитное зерно растет только при нагреве (при последующем охлаждении зерно практически не изменяется), то максимальная температура нагрева стали в аустенитном состоянии - иными словами, природное (наследственное) зерно - определяет окончательный размер зерна.

Для определения величины зерна существует (8-бальная шкала, в основе котрой лежит число зерен, видимых в поле микрошлифа при увеличении в 100 раз. Число зерен подсчитано по формуле п = 2^n-1; n - балл по зерну , а n число зерен на 1 кв. дюйм при увеличении в 100 раз. Сталь с зерном от 1-го до 4-го балла считается крупнозернистой, от 5-го до 8-го мелкозернистый. Для определения, является ли исследуемая сталь наследственной мелкозернистой или крупнозернистой, шлифы этой стали, на которых путем специальной термообработки зафиксирован размер аустенитного зерна, образовавшегося при высокотемпературном нагреве, рассматривают под микроскопом и сравнивают с набором микрофотографий.

Новая стандартная 16 - балловая размерная шкала определения размера величины зерна построена таким образом, что число зерен на 1 мм² может быть определено по формуле n = 2ⁿ⁺³. где n - номер балла по шкале.

Крупнозернистая структура стали вызывает значительное падение свойств вязкости: изделия, подвергаемые динамическим нагрузкам, должны иметь мелкозернистую структуру. Однако мелкозернистые стали несколько хуже обрабатываются резанием и отличаются сравнительно меньшей прокаливаемостью.

Ряд технологических операций при изготовлении стальных изделий и полуфабрикатов, в частности операции закалки, горячей пластической деформации (ковка, штамповка и др.), неизбежно связан с нагревом на высокие температуры (около 1000^оС и выше), что может в некоторых случаях привести к перегреву, образованию крупнозернистой структуры и резкому падению ударной вязкости. При исследовании кинетики процессов роста зерна установлено, что зерна стали различных марок и даже одной и той же марки, но разных плавок, обнаруживают различную склонность к росту при нагревах, на что большое влияние оказывает химический состав стали. Так, при легировании небольшими количествами ванадия или титана (0,1-0,4%) сталь приобретает малую склонность к росту зерен при нагреве (становится наследственно мелкозернистой); к аналогичным результатам приводит присадка алюминия в ковш из расчета 300-400 Г на 1т жидкой стали. Все увеличивается применением машиностроительной стали, содержащей 0,002-0,004% бора. В этих марках стали практически не обнаруживается тенденция укрупнению зерен при нагреве на очень высокие температуры.

Однако, в тех случаях, когда состав стали не обеспечивает получения мелкозернистой структуры, в результате нагрева на высокие температуры сталь приобретает нежелательную крупнозернистую структуру. Для исправления этого дефекта осуществляют операции отжига или нормализации; нагрев на температуры, лишь немного превышающие (на 30-50^оС) критические точки, приводит к образованию мелких зерен аустенита, а затем при последующем охлаждении - к мелким зернам перлита и феррита или одного перлита. Таким образом, применение отжига или нормализации позволяет изменить исходную крупнозернистую структуру перегрева и повысить сопротивление стали динамическим нагрузкам.

Исследование процесса превращения аустенита показало, что кинетика этого процесса существенным образом зависит от применяемых скоростей охлаждения. Если эти скорости больше, чем предусмотренные равновесной диаграммой состояния, то имеет место явление переохлаждения в твердом состоянии, смысл которого состоит в том, что металлы и сплавы, имеющие полиморфные превращения, способны сохранять при охлаждении ниже критической точки фазы, характерные для температур выше критической. Применительно к стали это означает, что при определенной скорости охлаждения можно в течении известного времени сохранить аустенит в структуре стали при температуре ниже А₁ = 723^оС. Таким образом, переохлаждение стали в твердом состоянии связано со сдвигом температуры полиморфного превращения. Наблюдается явление гистерезиса критических точек.

При достаточно большой скорости охлаждения, переохлаждение аустенита и соответственно гистерезис критической точки перехода аустенита в феррит достигают значительной величины, в результате чего полиморфные превращения твердых растворов стали происходят в необычных условиях, при весьма низких температурах, затрудняющих протекание диффузии. При большой скорости охлаждения переохлаждение аустенита в обычной углеродистой стали настолько велико, что температура его полиморфного превращения в феррит становится равной 200-250^оС вместо 723^оС.

В этих условиях затрудняется предварительное диффузионное перераспределение элементов сплава, что приводит к образованию структур.

Когда резкое охлаждение (закалка) приводит к тому, что превращение аустенита в феррит проходит при низких температурах, исключающих диффузию (выход) атомов углерода из решетки образовавшегося феррита, в объемно-центрированной кубической решетки оказывается задержанным весь углерод, входящий в состав стали. Такое пресыщение объемно- центрированной решетки углеродом сказывается на ее строение. Действительно, как впервые было показано исследованиями Г.В. Кудрюмова, в результате закалки образуется искаженная кристаллическая решетка. Пресыщение феррита углеродом приводит к получению тетрагональной (вместо кубической) объемно - центрированной решетки. Чем больше углерода находится в решетке, тем больше увеличение степени ее тетрагональности. Структуру стали (мартенсит), образующуюся в результате закалки и представляющую собой пересыщенный тетрагональный α - твердый раствор, следует считать неравновесной, поскольку предельная растворимость углерода в α - модификации железа оказывается превышенной.

Если закаленную сталь, имеющую структуру мартенсита, нагревать до температур, не превышающих критической точки А₁ = 723^оС, то благодаря увеличивающейся при нагреве подвижности атомов углерода избыточное их количество получает возможность выйти из тетрагональной решетки мартенсита. По мере выхода атомов углерода тетрагональность решетки твердого раствора уменьшается и она будет приближаться к кубической решетке феррита. Вышедшие из решетки атомы углерода будут образовывать цементитные частицы. Все эти процессы лежат в основе структурных превращений, происходящих в стали при отпуске. Отпуск стали может привести к переходу неравновесной структуры мартенсита в равновесную ферритно- цементичную смесь. Естественно, что если в стали данного состава равновесная структура ферритно - цементитной смеси образуется при какой - то (обычно достаточно высокой, порядка 600-700^оС) температуре t₁ , то при температурах ниже t₁ имеет место образование промежуточных между мартенситом и равновесной ферритно - цементитной смесью структур. Эти структуры также неравновесные, но степень этой неравновесности меньше, чем у мартенсита.

Неравновесные структуры стали. Мартенсит является структурой закаленной стали, образующейся в результате бездиффузионных полиморфных превращений, приводящих к получению пересыщенного и в связи с этим искаженного твердого раствора углерода в α - модификации железа. Эти искажения связаны с образованием неравновесной тетрагональной объемно - центрированной решетки. При рассмотрении структуры закаленной стали под микроскопом мартенсит имеет специфическую игольчатую форму; мартенсит отличается высокой твердостью (НВ 600-650), малой пластичностью и вязкостью.

Отпуск закаленной стали приводит к распаду мартенситной структуры. Связанному с выходом атомов углерода из пересыщенного тетрагонального α - твердого раствора. По мере повышения температуры отпуска снятие искажений решетки происходит все более интенсивно, а вышедшие из решетки атомы углерода образуют все более крупные частички цементита. Этим определяется тип получающихся при отпуске структур. Так, в углеродистой стали при относительно невысоких температурах отпуска (350-400^оС) вышедшие из решетки феррита атомы углерода не обладают благодаря малой степени нагрева большой подвижностью и не способны к перемещению на значительные расстояния. Это предопределяет весьма малый размер образующихся карбидных частиц и тесную связь их с ферритной составляющей стали. Получающаяся при таком отпуске структура называется трооститом и может быть определена как высокодисперсная смесь феррита и цементита, образующаяся при невысоких температурах отпуска закаленной стали.

Дальнейшее повышение температуры отпуска (для углеродистой стали 500-550^оС) связано с некоторым укрупнением цементитных частиц за счет большей подвижности выделяющихся из решетки атомов углерода, эта большая подвижность определяется, естественно, более высокой температурой отпуска. Получающаяся при этом отпуске структура носит название сорбита.

Сорбит является дисперсной смесью феррита и цементита; степень дисперсности смеси этих фаз несколько меньше, чем в трооститной структуре, но гораздо выше, чем в перлитной.

Повышение температуры отпуска углеродистой стали сверх 550^оС приводит к еще большей дифференциации структуры, смесь феррита и цементита становится еще менее дисперсной и после отпуска на 600-650^оС получает уже описанную ранее структуру перлита (зернистого).

Термическая обработка сплавов, не имеющих полиморфных превращений.

Металлические сплавы (в том числе некоторые сорта стали) не имеющие полиморфных превращений, могут быть подвергнуты эффективной термической обработке в том случае, если они способны к старению, т.е. в них обнаруживается переменная и увеличивающая с температурой растворимость второго компонента сплавов в основном твердом растворе.

В общем случае, старение наблюдается в тех металлических сплавах, которые в результате предшествующих обработок приобрели метастабильное (неустойчивое) строение, связанное с искажениями кристаллической решетки. Метастабильное строение определяет повышенный, по сравнению со стабильным, уровень свободной энергии сплава, и поэтому согласно положениям термодинамики, весьма вероятен переход сплава из метастабильного в стабильное состояние.

Этот переход, составляющий смысл явления строения, связан с атомными перемещениями и при комнатной температуре совершается с трудом, отсюда естественное старение протекает весьма длительно. При повышении температуры атомные перемещения облегчаются - искусственное старение совершается быстрее, причем тем быстрее, чем выше температура нагрева.

В технике используется старение, связанное либо с уменьшением могущих вызвать коробление (силы трещины) внутренних напряжений, либо с распадом перенасыщенных твердых растворов.

Старение, предусматривающее уменьшение и выравнивание внутренних напряжений, является, как правило, естественным, а также на некоторых фигурных поковках, предназначенных для изготовления особо точных деталей, изменения размеров и форм которых недопустимы.

Старение, связанное с распадом пересыщенных твердых растворов, получило наибольшее распространение и особенно при термической обработке жаропрочных сталей и сплавов.

Способность к старению в этом случае, как уже было сказано, определяется переменной и увеличивающейся с температурой растворимостью второго компонента В в компоненте А в твердом состоянии. После нагрева до температуры t₁ и быстрого охлаждения до комнатной (операция закалки) твердый раствор будет иметь метастабильное строение: в его кристаллической решетке будет не то количество т компонента В, которое отвечает предельной растворимости при комнатной температуре, а большее количество n , растворившееся при нагреве до температуры t₁. Обычно нагрев под закалку ведут до температуры t_зак, растворяя в твердом растворе все присутствующее в сплаве количество компонента В.

Итак, после закалки твердый раствор будет пересыщенным, метастабильным и в нем будут протекать процессы, связанные с его распадом, с переходом в более устойчивое, стабильное состояние - будет происходить старение. Процесс распада пересыщенных твердых растворов, протекающих в микро - или даже субмикрообъемах, чрезвычайно трудно изучать; для его наблюдения требуется применять тонкую методику ренгеноструктурного анализа или электронную микроскопию.

Термическая обработка холоднодеформированных сплавов.

Наклеп, или операция изменения структуры стали под влиянием холодной деформации, повышает прочность и снижает пластичность металла. Энергия, затраченная на произведение холодной деформации, всегда больше той энергии, которая выделяется в процессе самого деформирования (например, в виде тепла). Это означает, что часть энергии накапливается в металле. Ренгеноструктурным и микроскопическим анализами показано, что это энергия расходится на создание дополнительных искажений строения кристаллографической решетки, на сдвиги внутри зерна, на увеличение объема стали, на вытягивание зерен вдоль направления деформации - образование текстуры. Сталь после наклепа имеет повышенный уровень энергии кристаллической решетки и поэтому повышенную прочность и пониженную пластичность. Однако такое состояние стали после наклепа является термодинамечески неустойчивым. Это приводит к тому, что в металле самопроизвольно в процессе вылеживания будут протекать явления, связанные со снятием тех искажений внутрикристаллического строения, которые привели к повышению энергетического уровня наклепанного металла. Но так как эти процессы связанны с атомными перемещениями в твердом кристаллическом теле, то при комнатной температуре они идут с очень малой скоростью; при нагреве скорость этих процессов увеличивается. Вначале, при незначительном повышении температуры (для малоуглеродистой стали 200-300^оС) происходит незначительное увеличение пластичности, сопровождающееся иногда падением прочности холоднодеформированного металла. Эти процессы характеризуют состояние возврата (или отдыха) наклепанной стали.

При дальнейшем повышении температуры интенсивно начинается процесс перестройки вытянутых вдоль направлений деформации зерен наклепанной стали в равновесные, более крупные зерна. Это явление, называемое рекристаллизацией, сопровождается значительным падением прочности и повышением пластичности металла.

В отличие от перекристаллизации рекристаллизация происходит при нагреве до температуры ниже температуры полиморфных превращений и, таким образом, изменение формы и размеров кристаллов (зерен) происходит при сохранении те же фаз (структурных составляющих) металлического сплава, которые были до протекания рекристаллизации.