2.3. Структура и работа стали под нагрузкой

Структура стали

Работа стали под нагрузкой как следствие ее структуры

Работа стали при неравномерном распределении напряжений и ударная вязкость

Работа стали при повторных нагрузках

Переход металла в пластическое стадию и условие пластичности

Упругопластическая стадия работы материала при изгибе

2.3.1. Структура стали

Рис..4. Атомная решетка аустенита

Рис.5. Атомная решетка феррита 

Структура стали зависит от температуры. Чистое железо имеет температуру плавления ~ 1535°; по мере увеличения количества углерода и других компонентов температура плавления уменьшается и малоуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,2% начинает застывать при температуре ~ 1520°. Сначала образуются кристаллы чистого железа - феррита, затем они обогащаются углеродом и при температуре 1490° вся сталь переходит в твердый раствор углерода в железе, называемый аустенитом (Feg), в котором атом углерода располагается в центре атом­ной кубической решетки железа. Атомы железа располагаются весьма плотно по углам куба решетки и в центре граней, всего 14 атомов (гранецентрированная система атомной решетки, рис. 4); при меньшем содержании углерода переход в аустенит совершается при более низких температурах (до 1400°). Аустенит сохраняется до температуры ~900°; после этого начинается распад его и замена гранецентрированной решетки аустенита более рыхлой решеткой чистого железа — феррита (Fea) имеющей, кроме атома в центре куба, еще атомы по углам куба, всего 9 атомов (рис.5), Почти весь углерод при этом выделяется из раствора.

Распад аустенита заканчивается при температуре ~700°. Выделившийся углерод входит в химическое соединение с железом, образуя карбид железа Ре3С, называемый цементитом. Таким образом, при более низких температурах сталь состоит из двух компонентов: феррита (почти чистого железа), содержащего ничтожно малое количество углерода (до 0,003%), и цементита. Феррит весьма мягок и пластичен, цементит же очень тверд и хрупок.

Размеры ячеек этих компонентов также различны: ребро куба решетки феррита равняется 2,88 A (ангстрема), размеры решетки цементита — 5,08 X 4.51 x 6.73 A.

Количество цементита зависит от содержания в стали углерода. Феррит образует зерна (кристаллиты), занимающие почти весь объем металла, с различной ориентацией в них кристаллов (ячеек) в зависимости от направления кристаллизации; цементит располагается между зернами феррита. При распаде аустенита при температуре 900 — 700°, поскольку более плотная структура аустенита заменяется более рыхлой структурой феррита, происходит увеличение объема, несмотря на понижение температуры. В малоуглеродистых сталях углерода немного, не все ячейки аустенита содержат углерод, поэтому цементит образуется только в некоторых местах. Там вместе с частицами феррита, не имеющими на границах зерен правильного строения, цементит образует смесь — перлит, который размещается между зернами феррита в виде отдельных включений или прослоек. При травлении шлифа стали (при металлографических исследованиях) феррит получает светлую окраску, а перлит — темную (рис.6), что весьма облегчает определение величины ферритовых зерен, а также количества углерода, поскольку феррит почти не растворяет углерода, который весь в виде цементита находится в перлите. Перлит, так же как и цементит, достаточно прочен и упруг.

Рис.6. Микроструктура стали

Зерна феррита получаются различной величины в зависимости от числа очагов кристаллизации. Каждое зерно как кристалли­ческое образование резко анизотропно, имея различные сопротивления и модули упругости по разным направлениям. Однако в целом сталь, состоящая из весьма большого числа зерен, ориентированных по разнообразным направлениям, статистически имеет в среднем по всем направлениям одинаковые сопротивления. Сталь при упругой работе ведет себя как типично квазиизотропное тело: чем зерна мельче и чем их число больше, тем сталь более изотропна. Модули упругости феррита по различным направлениям меняются от 29000 до 13 500 кг/мм2, составляя в среднем примерно 19 000 кг1мм2. Предел прочности феррита в среднем равен всего 25 кг1мм2 при относительном удлинении 50%, предел прочности цементита 80 — 100 кг/мм2 при удлинении 1%; таким образом, цементит почти совершенно хрупок. Перлит имеет средние характеристики между ферритом и цементитом.

Структура низколегированных сталей, также состоящих из феррита и перлита, аналогична структуре стали 3. Как уже было отмечено в параграфе 2, п. 2, низколегированные стали содержат мало углерода и повышение их прочности получается за счет легирующих добавок (марганца, кремния, никеля, хрома и т. д.), которые, как правило, находятся в твердом растворе с ферритом и этим его упрочняют; некоторые из них, кроме, того, образуют карбиды и упрочняют также прослойки между зернами феррита. Распад аустенита и образование феррита в низколегированных сталях происходит при более низких температурах, чем у стали 3 (500 — 450°).