3.3. Сталь

Сталь представляет собой деформируемый (ковкий) 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 электрических печах; в бессемеровских или томасовских конвертерах.

Основа стали – железо, являющееся кристаллическим телом, для которого (как и для всякого другого кристаллического тела) существует свой закон, вытекающий из характера межатомного взаимодействия, в результате чего атомы занимают определенное, присущее только 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 сталей как сплавов на основе железа. Так, установлено, что при температуре ниже 911С устойчивой кристаллической формой железа будет решетка объемно-центрированного куба с ребром а = 2,86 А. В температурном интервале 911 - 1392С устойчивой модификацией железа является его построение по гранецентрированной кубической решетке с параметром а = 3,56 А. Выше температуры 1392С наблюдается обратная перестройка кристаллической решетки железа в объемно-центрированную, причем эта разновидность решетки сохраняется до температуры плавления, равной 1536С. Температурные точки перехода одной модификации в другую получили название критических точек. Различным модификациям железа, являющимся следствием его полиморфизма, даны обозначения , , .

Главной примесью стали, определяющей ее основные свойства, является углерод. Взаимодействие углерода с - или - модификациями железа приводит к образованию различных по строению и свойствам железоуглеродистых сплавов.

Достоверно изучены сплавы, содержащие до 6,7 % углерода. В этих пределах наблюдается неограниченная растворимость углерода в железе, находящемся в жидком состоянии.

В твердом состоянии растворимость углерода в железе определяется кристаллическим строением его модификаций. В гранецентрированной кубической решетке -Fe растворимость углерода достигает наибольшего значения, равного 2%. Твердый раствор углерода (и других легирующих элементов) в -Fe называется аустенитом. Максимальная растворимость углерода в -Fe составляет 0,03 %, а в -Fe – до 0,01 %. Твердый раствор углерода, как и других легирующих элементов, в объемно-центрированной кубической решетке железа называется ферритом, при этом различают - феррит (собственно феррит) и -феррит.

Содержание углерода в применяемых в промышленности сталях обычно превышает его предельную растворимость в - и - модификациях железа. Этот избыточный, не могущий раствориться в твердом состоянии углерод образует с железом метастабильную (промежуточную, переходную) фазу – карбид железа Fe₂C, называемый цементитом. В сплавах Fe-C, находящихся в стабильном состоянии, высокоуглеродистой фазой является графит, а в нестабильном состоянии – цементит. Смесь двух фаз (феррита и цементита) носит название перлита.

При медленном охлаждении, отвечающем условиям равновесия, перлитная структура образуется по эвтектоидной реакции при содержании 0,8 % углерода, когда жидкая фаза при данном давлении и температуре 723С находится в равновесии с твердыми фазами.

Стали, содержащие углерод в пределах 0,025 – 0,8 %, называются доэвтектоидными, в которых присутствуют одновременно и перлит, и феррит.

Стали, содержащие более 0,8 % углерода, относятся к заэвтектоидным; они имеют структуру, состоящую из перлита и цементита. При нагреве выше температур полиморфных превращений структура содержит только зерна аустенита. Такая сталь наиболее пластична и пригодна для операций горячей прокатки, ковки и штамповки.

Ниже температуры 768С феррит обладает ферромагнитными свойствами, выше – парамагнитными. Таким образом, точка 768С является точкой Кюри для феррита. Аналогично, выше 210С цементит из ферромагнитного состояния переходит в парамагнитное, поэтому температура 210С – тоже точка Кюри для цементита.

Для придания сталям специальных свойств используют их термическую обработку, то есть совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, в результате которых меняется внутреннее строение и, соответственно, свойства металлов и их сплавов. Термообработку производят тогда, когда имеют место:

• полиморфные превращения;

• ограниченная и переменная (растущая с температурой) растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии;

• изменения строения под влиянием холодной деформации.

При производстве легированных (от латинского ligo - связываю, соединяю; немецкого legieren – сплавлять) сталей, выплавляемых, как правило, в электрических и мартеновских печах, добавляют разнообразные легирующие материалы (ферросплавы, лигатуры и технически чистые металлы). При этом лигатурами называются вспомогательные сплавы, вводимые в жидкий расплав легирующих элементов. Лигатурами могут быть также металлы (медь, ртуть и др.), вводимые в благородные металлы для придания им нужных свойств (например, твердости) или удешевления изделий.

Основные низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5 %), среднелегированные (2,5 – 10 %) и высоколегированные (более 10 %) стали.

Легирующие элементы могут образовывать с основой стали или с другими присутствующими в сплаве элементами особые химические соединения, существующие в широкой области концентраций. Такие интерметаллидные, карбидные и нитридные соединения в стали обладают высокой твердостью и прочностью, химической стойкостью, жароупорностью, жаропрочностью и т.д. Присутствуя в достаточном количестве и будучи равномерно распределенными по всему объему твердого раствора, эти соединения воздействуют на основу легированной стали и придают ей необходимый для успешной эксплуатации комплекс свойств.

При выплавке легированной стали наиболее часто применяют ферросплавы, или сплавы железа с другими элементами (хромом, кремнием, титаном и др.), так как это экономически более выгодно, чем использование чистых металлических элементов. Введение в сталь при выплавке ее различных лигатур позволяет преодолеть ряд технологических трудностей, связанных либо с большой разницей в температурах плавления или в удельных весах компонентов, либо с особыми свойствами сплавляемых элементов (возгораемость магния, окисляемость алюминия). Применяемые в производстве ферросплавы и лигатура должны быть свободны от вредных примесей и посторонних элементов, ухудшающих качество готового продукта – легированной стали с определенными механическими, химическими и эксплуатационными свойствами.

Стали классифицируются: по химическому составу; по микроструктуре; по способу производства; по применению.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые (конструкционные и инструментальные) и легированные (низко- и высоколегированные).

По микроструктуре различают следующие классы стали:

• перлитный класс, где сталь имеет структуру перлита (строительные, конструкционные и инструментальные углеродистые и низколегированные стали);

• мартенситный класс, когда сталь имеет сниженную критическую скорость закалки (высоколегированные конструкционные, инструментальные и некоторые виды нержавеющих сталей);

• аустенитный класс, где структура стали после нормализации состоит из аустенита и карбидов (высоколегированные нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали);

• ферритный класс, где структура стали имеет в своем составе ферриты или карбиды (высокохромистые, нержавеющие, жаропрочные и жароупорные стали);

• карбидный класс, то есть стали с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов (быстрорежущие стали).

По способу производства различают стали:

• обыкновенного качества (мартеновские печи, бессемеровские и томасовские конвертеры);

• качественные (мартеновская, углеродистая или легированная стали);

• высококачественные (углеродистая или легированная сталь, выплавленная в электрических и мартеновских печах небольшого тоннажа).

По применению выделяют 4 класса стали: I – строительная; II – машиностроительная (конструкционная); III – инструментальная; IV – с особыми физическими свойствами.