Сталь

Сталь – конструкционный материал, получивший чрезвычайно широкое распространение, благодаря своей высокой прочности, большому разнообразию эксплуатационных свойств, сравнительно невысокой стоимости и представляющий из себя сплав железа с углеродом, при содержании углерода до 2,14 %, а также с другими материалами, при содержании железа не менее 45%. При меньшем содержании железа обычно говорят о ферросплавах и специальных сплавах железа, например с никелем (инвар), с никелем, медью, хромом (пермаллой) и др. При большем содержании углерода, материал в основном имеет название «чугун».

Несмотря на то, что сталь, это в первую очередь сплав железа с углеродом, никто, разумеется, намеренно не сплавляет углерод с железом, он присутствует, как следствие металлургического процесса выплавки чугуна из железной руды. И последующая переработка чугуна в сталь заключается в понижении содержания углерода различными способами.

Железо имеет два вида, две, как говорят, аллотропические модификации – альфа-железо и гамма-железо. Отличаются они друг от друга строением кристаллической решетки. У альфа-железа она кубическая объемно-центрированная (КОЦ), существующая при температуре ниже 911 град.С, у гамма-железа кубическая гранецентрированная (КГЦ), соответственно при температуре выше 911 град.С.

Раствор углерода в альфа-железе называется ферритом, а в гамма-железе аустенитом. Соответственно стали имеющие в своей основе альфа-железо, называются ферритными сталями, или феррито-перлитными (об этом немного позже), а стали основанные на гамма-железе, называются аустенитными.

Существуют легирующие элементы – «аустенизаторы», способствующие получению аустенитной структуры при обычных температурах, к их числу относятся в первую очередь сам углерод, а также такие элементы, как никель, марганец и др. Элементы, которые способствуют сохранению ферритной структуры, даже при высоких температурах, называются «ферритизаторами», к их числу относятся хром, молибден, кремний, ниобий.

Несмотря на то, что в основе и ферритных, и аустенитных сталей лежит один и тот же элемент - железо, эти стали имеют настолько разные свойства, словно речь идет о совершенно разных металлах.

Ферритная стали имеют магнитные свойства, т.е. являются «ферромагнетиками» (https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнетики), а аустенитные стали не имеют магнитных свойств. Аустенитные стали имеют в сравнении с ферритными в полтора раза меньшую тепло- и электропроводность, т.е. большее электросопротивление, большую теплоемкость. Аустенитные стали более вязкие, пластичные и склонны к образованию «наклепа», что вызывает определенные трудности при механической обработке – резке, строжке, точению. Это свойство, в сочетании с большей поверхностной энергией обеспечивает аустенитным сталям такое качество, как отсутствие склонности к распространению «холодных» трещин, т.е. к хрупкому разрушению.

Наиболее распространенным представителем сталей аустенитного класса, является широко применяемая коррозионностойкая (нержавеющая) сталь типа Х18-Н8, поэтому свойства аустенитных сталей часто не оправданно приписывают «нержавеющим сталям». Дело в том, что существует огромное многообразие коррозионностойких сталей, которые имеют совершенно разные структуры металла и, соответственно, совершенно разные свойства. Ферритные - 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28, мартенситные - 20Х13, 30Х13, 40Х13, аустенитно-мартенситные - 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3., аустенитно-ферритные - 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т, и т.п. В тоже время существуют аустенитные стали, которые по коррозионной стойкости не отличаются от обычных сталей типа Ст.3, например 110Г13Л (сталь Гадфильда), или маломагнитная сталь  45Г17Ю3.

Для того, чтобы ясно представлять с каким классом сталей мы имеем дело и каких свойств нам следует ожидать, надо иметь представление об основных структурных составляющих сталей.

Как мы уже говорили, феррит, это твердый раствор углерода в альфа-железе, предельная растворимость углерода в котором при обычных температурах не превышает 0,02%. При содержании углерода 0,08% сталь кристаллизуется в виде своеобразной структуры, состоящей из эвтектоидной смеси тонких пластин феррита и цементита – химического соединения железа и углерода (Fe3C). На изломе металла такая структура имеет характерный перламутровый блеск и поэтому получила название перлит. Стали с такой структурой, называются перлитными. В зависимости от дисперсности (размера зерен), перлитные структуры получили свои собственные названия – сорбит, троостит, бейнит. В диапазоне от 0,02 – 0,08 % углерода, структура металла представляет из себя смесь в разном соотношении зерен феррита и перлита. Сталь с такой структурой называется феррито-перлитной.

Феррит, это практически чистое, «техническое» железо. Мягкая, пластичная сталь с сильными ферромагнитными свойствами. Перлит имеет гораздо большую прочность, благодаря наличию пластин цементита, чрезвычайно твердого и хрупкого материала. Чередование пластин твердого цементита и мягкого феррита, обеспечивает перлиту высокую прочность, при достаточно неплохой пластичности. Твердость перлита тем выше, чем выше дисперсность структуры (меньше размер зерна). Прочность феррито-перлитных сталей определяется соотношением феррита и перлита в структуре стали.

Стоит рассмотреть еще одну структуру стали, которая имеет очень большое практическое значение. Но сначала буквально несколько слов о протекающих в стали металлургических процессах.

Параметры кристаллической решетки гамма-железа (КГЦ) таковы, что размер межатомных «пор» - расстояния между узлами решетки, где располагаются атомы железа, существенно выше, чем у альфа-железа. Поэтому растворимость в аустените различных веществ, включая легирующие элементы и сам углерод, значительно выше, чем в феррите. Если скорость охлаждения металла невысока и диффузионные процессы при охлаждении успевают протекать в полном объеме, то высокотемпературная фаза аустенит с большим содержанием растворенного углерода по мере охлаждение распадается на феррит и перлит, образуя феррито-перлитную структуру. Если скорость охлаждения высока настолько, что диффузионные процессы не успевают протекать в полном объеме, то в итоге получается структура пересыщенного раствора углерода в альфа-железе, имеющая игольчатую структуру и получившая название мартенсит, которая отличается очень высокой твердостью и практически нулевой пластичностью.

Широко известный процесс термической обработки стали, получивший название «закалка», собственно и основан на аустенитно-мартенситном превращении и нацелен на получении в конечном итоге мартенситной структуры металла.

Как видно, свойства стали чрезвычайно сильно зависят от ее структуры. Для того, чтобы оперативно определить структуру стали, с которой мы имеем дело по ее химическому составу, или даже по ее марке, которая в свою очередь в первом приближении определяет ее химический состав, удобно использовать так называемую диаграмму Шеффлера. По вертикальной оси откладывается процентное содержание в составе металла химических элементов аустенизаторов, в пересчете на эквивалентное содержание никеля, а по горизонтальной оси процентное содержание элементов ферритизаторов, в пересчете на эквивалентное содержание хрома. Область пересечения этих двух координат и покажет ту область на структурной диаграмме, к которой относится данная марка стали.

Диаграмма Шеффлера