§ 15. ПОНЯТИЕ О СТРУКТУРЕ СТАЛИ
Каждый металл, в том числе и сталь, состоит из очень мелких частичек, называемых зёрнами. Зёрна металла можно наблюдать на его изломе. Ещё лучше зёрна будут видны, если из металла вырезать небольшой кусочек, изготовить из него специальный образец-пластинку (так называемый шлиф) и рассмотреть этот образец под микроскопом. Микроскоп поможет нам ясно увидеть, что металл действительно состоит из зёрен. Зернистое строение данного металла называется его структурой.
Зёрна могут различаться между собой по величине и форме. В одном куске металла зёрна будут крупные, в другом мелкие, в третьем неоднородные (смешанные), в четвёртом они будут вытянуты в каком-либо направлении и т. п. (фиг. 16).
Величина и форма зёрен любого металла не являются постоянными. Они изменяются в зависимости от его тепловой и механической обработки. В литом металле зёрна чаще всего бывают крупные, в кованом они значительно мельче. В процессе прокатки или ковки зёрна могут вытягиваться в направлении вдоль прокатки или ковки и одновременно суживаться в направлении поперёк прокатки или ковки.
При температуре не выше 720° углеродистая сталь состоит из зёрен железа, которые называются зёрнами феррита, и зёрен цементита, т. е. химического соединения углерода с железом — Fe3C. Но помимо простых зёрен железа феррита и зёрен цементита в структуре стали имеются ещё комбинированные (сложные) зёрна, представляющие собой зёрна феррита, внутри которых в виде длинных узких пластинок находятся маленькие зёрнышки цементита. Такие сложные комбинированные зёрна называются зёрнами перлита. Схематическое изображение зерна перлита дано на фиг. 17.
Из описания перлита следует, что его зёрна не однородны, а представляют собой механическую смесь феррита и цементита. Особенность этой механической смеси в том, что соотношение между количеством феррита и количеством цементита в перлите совершенно определённое. В перлите содержится 86,5 % феррита и 13,5 % цементита. Если это соотношение пересчитать на содержание углерода, то, зная содержание в цементите углерода (6,7 %), можно вычислить, что в перлите содержится 0,9 % углерода (по последним данным, 0,83 %).
Таким образом, при температуре не выше 720° в углеродистых сталях, находящихся в отожжённом состоянии, могут быть зёрна только трёх типов: зёрна феррита, зёрна цементита и зёрна перлита.
Одновременно в одной какой-либо определённой стали могут быть следующие комбинации (сочетания) зёрен: 1) зёрна феррита и перлита; 2) только зёрна перлита; 3) зёрна перлита и цементита. Наличие того или иного сочетания зёрен в стали зависит от процентного содержания в ней углерода.
Структура всех углеродистых сталей, содержащих меньше 0,9 % углерода, т. е. сталей марок Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7; 0,8, 10, 15, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65; У7, У7А, У8, У8А, У8Г и У8ГА, находящихся в отожжённом состоянии, при нормальной температуре состоит из зёрен феррита и зёрен перлита (фиг. 18, а). При этом чем больше в стали углерода, тем больше в ней зёрен перлита и, наоборот, тем меньше зёрен феррита. Стали этой группы называются доэвтектоидными сталями.
Структура марки стали У9, содержащей 0,9 % углерода, состоит в отожжённом состоянии при нормальной температуре из одних только зёрен перлита (фиг. 18, б). Эта сталь называется эвтектоидной сталью.
Структура сталей, содержащих больше 0,9 % углерода, т. е. сталей марок У10, У10А, У10Г, У12, У12А, У13 и У13А, состоит из зёрен перлита и зёрен цементита (фиг. 18, в). Зёрен феррита в этих сталях нет. Такие стали называются заэвтектоидными.
При нагреве углеродистой стали любой марки никаких изменений в её структуре не происходит до температуры 720°. При температуре 720° в стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зёрна перлита превращаются в зёрна аустенита. Это превращение заключается в том, что пластинчатые зёрна цементита, которые образовали как бы каркас внутри зерна перлита, растворяются в окружающем их железе и равномерно по нему распределяются. Получившееся из зерна перлита зерно аустенита представляет собой уже не сложное зерно чистого железа, внутри которого были заключены пластинчатые зёрна цементита, а однородное зерно твёрдого раствора углерода в железе.
Превращение зёрен перлита в зёрна аустенита происходит в углеродистой стали всех марок, когда температура металла достигает 720°. Эта очень важная для теории и практики термической обработки температура называется нижней критической температурой и обозначается Ac1.
Какова же будет структура углеродистых сталей при температуре, немного превышающей нижнюю критическую температуру, например при 730°? Из того, что мы только что сказали, ясно, что для первой группы сталей, т. е. сталей марок Ст. 0, Ст. 1 и т. д. до У8 и У8А включительно, структура при 730° будет состоять из зёрен феррита и зёрен аустенита. Для второй группы сталей, т. е. для сталей марок У9 и У9А, структура при 730° будет состоять из одних только зёрен аустенита. Наконец, для третьей группы сталей, т. е. сталей марок У10 и т. д. до У13 и У13А включительно, структура при 730° будет состоять из зёрен аустенита и зёрен цементита.
При нагреве углеродистых сталей выше 720° зёрна аустенита будут увеличиваться, а зёрна феррита уменьшаться, потому что зёрна аустенита будут постепенно поглощать зёрна феррита и растворять их в себе. Наконец, при какой-то температуре зёрен феррита не останется вовсе — структура металла будет состоять из одних зёрен аустенита (фиг. 19). Та температура, при которой заканчивается полностью процесс растворения зёрен феррита в зёрнах аустенита, называется верхней критической температурой и обозначается Ac2.
В отличие от нижней критической температуры, одинаковой для всех углеродистых сталей, верхняя критическая температура для сталей различных марок различна. Описанные изменения структуры углеродистых сталей при нагреве можно представить графически в виде диаграммы состояния «железо — углерод».
В 1868 г. русский учёный Д. К. Чернов первый указал на превращения в стали, которые происходят при её нагревании и охлаждении, на связь этих превращений со структурой и механическими свойствами металла. На основании работ Д. К. Чернова и была построена диаграмма железоуглеродистых сплавов (фиг. 20).
Диаграмма состоит из нескольких линий. Рассмотрим каждую из них в отдельности. Линия PSK — это линия нижних критических температур стали, т. е. тех температур, при которых в сталях происходит превращение зёрен перлита в зёрна аустенита. На диаграмме видно, что линия PSK горизонтальная и проходит на уровне температуры, соответствующей 720°. Эта нижняя критическая температура для всех углеродистых сталей одинакова.
Линия GS и SE — это линия верхних критических температур стали, т. е. температур, выше которых структура любой углеродистой стали состоит только из зёрен аустенита. Различные точки кривых GS и SE соответствуют разным температурам, потому что значения верхней критической температуры для углеродистых сталей разных марок будут различны.
Линия AE — это линия температур начала плавления сталей, а линия AC — это линия температур окончания плавления сталей. Так как точки обеих линий находятся при разных температурах, то из этого следует, что стали различных марок, т. е. имеющие различное содержание углерода, плавятся при разных температурах, причём из диаграммы видно, что чем больше в стали углерода, тем ниже температура её плавления.
При помощи диаграммы легко проследить, какие изменения происходят в структуре стали любой марки при нагревании. Возьмём для примера сталь марки Ст. 5, содержащую около 0,3 % углерода. Изменения в структуре этой стали на диаграмме изобразятся пунктирной вертикальной прямой линией абвгд. При нагревании стали марки Ст. 5 от 20 до 720° (т. е. до точки б на диаграмме, фиг. 20) её структура будет состоять из зёрен феррита и зёрен перлита.
При температуре 720° (точка б на диаграмме) зёрна перлита превратятся в зёрна аустенита. При нагреве от 840° (точка в) до 1470° (точка г) структура стали будет состоять из одних только зёрен аустенита, потому что при температуре 840°, т. е. при верхней критической температуре, в структуре данной стали исчезнут последние зёрна феррита.
При температуре 1470° сталь начнёт плавиться, а при температуре 1515° (точка д) она полностью расплавится и перейдёт в жидкое состояние.
