Що таке сталь? Частина 1 "Cтруктура"

"Залізо не тільки основа всього світу, найголовніший метал навколишнього нас природи,

воно основа культури і промисловості, воно знаряддя війни і мирної праці".  

А.Е.Ферсман

Всі знають, що сталь є найважливішим інструментальним і конструкційним матеріалом для всіх галузей промисловості. Металургійна промисловість України налічує більше 50 металургійних заводів і є стратегічно важливою для країни. В Україні виробляється широкий асортимент металопрокату, таких, як: арматура, круги, квадрат, катанка, дріт, смуга, куточок, балка, швелер, листи, труби та метизи.

Сталь

Розглядаючи це питання, почнемо з хімічного складу.

Сталь - це з'єднання залізо (Fe) + вуглець (С) + інші елементи розчинені в залізі.

Залізо в чистому вигляді має дуже низьку міцність, а вуглець її підвищує.

Вуглець покращує і деякі інші показники:

• пластичність,
• пружність,
• стійкість до зношування,
• витривалість.

Зміст "Фе" в сталі повинно бути - не менше 45%, "С" - не більше 2,14% - теоретично, однак на практиці% концентрації вуглецю має наступний діапазон значень:

• Низьковуглецевих сталі - 0,1-0,13%
• Вуглецеві сталі 0,14-0,5%
• Високовуглецеві - От 0,6%

Чим вище відсоток вмісту вуглецю в сталі, тим вище її міцність і менше пластичність.

ВУГЛЕЦЬ - є неметалевим елементом. Його щільність дорівнює 2,22 г/см3, а плавиться при т -3500 ° С. У природі він присутній 2х поліморфних модифікацій - графіт (стабільна модифікація) і алмаз (метастабильная модифікація), а в сплаві з залізом:

• у вільному - графіт (в сірих чавунах),
• у зв'язаному - твердий стан -цементит

Вуглець в з'єднанні із залізом знаходиться в стані цементиту, т.е в хімічній зв'язку з залізом (Fe 3). Структура цементиту може бути дуже різною, а залежить вона від процесу освіти, вмісту вуглецю і методів термообробок.

Вуглець у вільному стані присутній в сірому чавуні (СЧ), у вигляді графіту. Сірий чавун має пористу металеву структуру і є дуже тендітним; на ньому легко з'являються тріщини (особливо в процесі зварювання).

Хімічний склад вуглецевих сталей звичайної якості (ГОСТ 380-71)

Структура сталі

Структура стали вивчається по діаграмі стану системи залізо- вуглець. Вона характеризує структурні перетворення сталі і виражає залежність структурного стану від температурних режимів.

Діаграма стану системи залізо- вуглець

Діаграма станів розраховується по критичних точках, які визначаються різними методами, найчастіше термічним. Тому вона дуже важлива теоретично і практично, а особливо при аналізі процесів термообробки сталі. За допомогою діаграми Fe-C - можна визначити вид термообробки, температурний інтервал зміни структури і прогнозувати мікроструктуру.

Фази перетворень сталі

Сплави заліза з вуглецем при різних температурах і різному вмісті «С» мають різну структуру, а відповідно і фізичні і хімічні властивості. Одним з таких станів і є описаний вище цементит. А тепер про них:

Аустеніт - тверда структура вуглецю в г-залозі -містить "С" до 1,7% (т> 723 ° С). При зниженні температури аустеніт розпадається на ферит і цементит і виникає пластинчаста структура - перліт.

Ферит - твердий розчин "С" в α-заліза-при т> 723-768 ° С, концентрація "С" складає - 0,02%, а при 20 ° т С близько 0,006% "С". Він дуже пластичний, непостійна і має низькі магнітні властивості.

Цементит - карбід заліза Fe3C. Концентрація «С» 6,63%. Цементит є крихким, а його твердість - НВ760-800.

Перліт - механічна суміш фериту і цементиту, утворена при поступовому охолодженні в процесі розпаду аустеніту. Виходячи з розміру часток цементиту перліт має різні механічні властивості. Зміст «С» -0,8%.

Ледебурит - суміш утворюється з кристалізація рідкого сплаву цементиту і аустеніту. Ледебурит дуже твердий, але крихкий. Концентрація "С" -4,3%

Властивості сталі

Звичайно, не тільки вуглець впливає на властивості сталі. Склад додаткових елементів і їх кількість надають стали певні властивості. Домішки бувають корисними і шкідливими. Хороші домішки впливають виключно на самі кристали, а шкідливі негативно впливають на зв'язок кристалів між собою. До гарних домішок відносять: марганець (Mn), кремній (Si) ,. До поганих: фосфор (Р), сірку (S), азот, кисень та інші.

Фізичні та механічні властивості сталі

Основними фізичними властивостями сталі є:

• теплоємність;
• теплопровідність;
• модуль пружності.
  Поняття модуля пружності сталі (Е) полягає в співвідношенні твердої речовини пружно деформуватися при впливі сили. Дана характеристика на пряму залежить від напруги, а точніше, є похідною співвідношення напруги до пружної деформації.
• модуль зсуву (пружність при зсуві) (G) - величина вимірювана в Паскалях (Па), що визначає пружні властивості тіла або матеріалу і їх здатність чинити опір сдвигающим деформацій. Він застосовується для розрахунку на зсув, зріз, кручення.
• коефіцієнт лінійного і коефіцієнт об'ємного розширення при зміні температури - це величина показує відносний зміна лінійних розмірів або об'єму матеріалу або тіла при збільшенні температури при незмінному тиску.

Основними механічними властивостями сталі є:

•  Міцність
•  Твердість
•  Пластичність
•  Пружність
•  Витривалість
•  В'язкість
   

Показники механічних властивостей вуглецевих сталей звичайної якості (ГОСТ 380-71)

Основними хімічними властивостями сталі є:

•  ступінь окислення,
•  стійкість до корозії,
•  жаростійкість,
•  жароміцність.

Якість сталі визначається різними показниками всіх її свойст і структури. Враховуються й властивості і виробів з цієї сталі.

За якістю стали поділяють на:

• звичайної якості,
• якісна сталь,
• високоякісна сталь.

У даній статті ми розглядаємо тільки структуру сталі і пов'язані з нею поняття. Якість сталі, склад додаткових домішок та їх властивості будуть розглянуті в наступній публікації.