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 встали 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 0,8%, 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°С до 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 нe 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. Такай 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 пережженой.

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 Ст1 5 - 1485°С, нержавеющей стали 12Х18Н9Т - 1400°С, железа - 1536°С, 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-Cт5 до 860-900°С, Стб-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 с вою 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 закаленною 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 — натре в закален ной 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.

Средним 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 закалочный напряжения, дает прочность, вязкость после закалки с высоким отпуском, Высокий отпуск улучшает сталь, повышает ударную вязкость.