Структура стали: виды и особенности формирования

Структура стали – общее название характеристик строения этого железоуглеродистого сплава. В металлургии термином «структура» обозначают особенности, определяющие состав, расположение, морфологию и количество различных фаз, содержащихся в металлах и сплавах. В зависимости от используемого объекта исследования и оборудования различают понятия макроструктуры, микроструктуры и субмикроструктуры.

В сегодняшней публикации представлен обзор особенностей структурного строения сталей, определены основные факторы, влияющие на образование тех или иных фазовых составляющих, а также рассмотрены свойства, обеспечивающиеся разными структурами.

Уровни исследования структуры металлов и сплавов

Исследованием структуры металлов и сплавов занимается наука металлография, составная часть металловедения. Современная металлография определяет принципы формирования структуры, а также ее влияние на изменение механических, магнитных, электрических и других физических свойств металлических объектов исследования.

В зависимости от увеличения, используемого при изучении фазовых составляющих, структуру металлов классифицируют по следующим уровням:

1. Макроструктура – строение металлов и сплавов, наблюдаемое невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (обычно с применением луп и макроскопов с увеличением до 30-50 раз).
   
   Макроструктурный анализ (макроанализ) выполняется путем внешнего осмотра изделий, полуфабрикатов и изломов, а также исследованием специально подготовленных темплетов (макрошлифов), отрезанных от объекта исследования. Для лучшего обнаружения макроструктуры могут использоваться химические реагенты на основе кислот или щелочей. Макроанализ позволяет оценить форму, размеры и общее расположение крупных кристаллов/зерен на разных участках изделия, наличие значительной неравномерности в распределении примесей (химической ликвации). Также на этом уровне выявляют макродефекты – поры, газовые пузыри, раковины, расслоение, трещины, большие неметаллические включения и т.п.
2. Микроструктура – строение металлов, оцениваемое с использованием световых и электронных металлографических микроскопов при увеличениях до х2000-2500, а также с помощью рентгеноструктурных анализаторов и и другого специализированного оборудования. 
   
   Цель микроструктурного анализа (микроанализа) – установить закономерности влияния легирования, металлургических/технологических процессов, термической обработки и других факторов на формирование структуры металлов. Микроструктура определяется размерами, формой, количеством и расположением кристаллов отдельных фаз и их смесей, имеющих одинаковую морфологию. Объектом микроанализа являются специально подготовленные образцы (микрошлифы). В ходе таких исследований изучается фазовый состав материала, форма и размер зерен, выявляются неметаллические включения (сульфиды, оксиды, нитриды, силикаты) и другие дефекты микроструктуры (трещины, волосовины, поры).
3. Субмикроструктура (субструктура) – элементы строения металлов и сплавов, которые обнаруживаются с помощью просвечивающих и сканирующих электронных микроскопов и рентгеноструктурных приборов, находясь за пределами возможностей оптической микроскопии (от х2500 до х100000 и более). 
   
   К элементам субмикроструктуры относятся субзеренная, ячеистая субструктура, мелкие продукты распада перенасыщенных растворов, дислокации и другие дефекты кристаллической решетки.
4. Электронная и атомная структура – ​​особенности кристаллической решетки, пространственное расположение атомов, энергетические уровни электронов и другие показатели тонкого строения металлов и сплавов. Для таких исследований используют просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы высокого разрешения, рентгеновские дифрактометры и спектрометры, зондирующие микроскопы и другое высокотехнологичное оборудование.

Фазы и компоненты углеродистой стали

Ключевыми химическими составляющими стали являются железо (Fe) и углерод (C). Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1539°С. В зависимости от температуры возможны две полиморфные модификации твердого железа – α и γ. Первая из них имеет объёмно-центрированную кристаллическую решетку и существует при температуре ниже 910°С и выше 1392°С (более высокотемпературную версию часто называют δ-железом). Вторая модификация с гранецентрированной кубической решеткой находится в диапазоне 910-1392°С.

Углерод – неметаллический элемент, который растворяется в железе в жидком и твердом состоянии, а также может существовать в составе стали и белого чугуна в виде химического соединения Fe3C (карбид железа, цементит), а в сером чугуне – в виде графита. 

Диаграмма фазовых превращений системы железо-углерод(железо-цементит)

В сталях содержание углерода не превышает 2,14%, сплавы с большим его содержанием относятся к чугунам. В системе железо-углерод (в той части, что отвечает за сталь) возможно существование следующих фаз:

• Жидкий расплав (при температурах выше точки плавления);
• δ-феррит – высокотемпературный твердый раствор углерода в δ-железе (предельная растворимость углерода в железе в этом случае составляет 0,1%);
• Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе (предельная растворимость углерода - 2,14%);
• α -феррит – низкотемпературный твердый раствор углерода в α-железе (максимальная растворимость углерода – 0,02%);
• Цементит – карбид железа (содержание углерода стабильное и составляет 6,67%).

Соответственно, в зависимости от температуры и содержания углерода структура будет состоять из того или иного набора фаз. В частности, сплав, вмещающий до 0,02% углерода (его называют техническим железом), при комнатной температуре будет почти полностью состоять из чистого феррита.

Структура нелегированной стали (содержание углерода в стали – от 0,02% до 2,14%) после медленного охлаждения до комнатных температур состоит из двух фаз – феррита и цементита. Доля цементита растет с увеличением количества углерода. При этом существенно изменяются как доли структурных составляющих в материале, так и его свойства. С ростом содержания углерода и, соответственно, увеличением количества цементита сталь приобретает большую твердость и прочность, при этом пластические характеристики уменьшаются.

Стали, в которых содержание углерода находится в интервале 0,02-0,8%, называют доэвтектоидными. При равномерном охлаждении в их структуре к ферриту добавляется перлит (механическая смесь феррита и цементита). Количество перлита растет с увеличением процента углерода, и сталь с ~0,8% С почти полностью состоит из перлита, без избыточного феррита. Такой сплав называется эвтектоидная сталь.

Стали с содержанием углерода от 0,8% до 2,14% называют заэвтектоидными. В них с увеличением уровня углерода в качестве избыточной фазы увеличивается количество цементита. При комнатной температуре такие сплавы состоят из зерен перлита и цементитной сетки вокруг них.

Структурные классы легированных сталей

Почти все легирующие составляющие при добавлении в сталь образуют с железом твердые растворы замещения, влияют на температуры фазовых превращений и предельную растворимость углерода в железе. Кроме того, легированием можно добиться образования в структуре специальных карбидов и интерметаллических соединений.

Классификация сталей по структуре достаточно разнообразна и зависит от конкретной отрасли или научной школы. В отечественном материаловедении наиболее распространенным является разделение легированных сталей по структуре в состоянии равновесия на следующие классы:

1. Перлитные стали (доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные) имеют структуру, похожую на аналогичные группы нелегированных сталей.
2. Ледебуритные стали (карбидные стали) содержат в литом состоянии большие частицы карбидов (по структуре эти сплавы больше похожи на белый чугун, чем на обычную сталь).
3. Аустенитные стали при комнатной температуре имеют аустенитную структуру. Это достигается легированием никелем, марганцем и некоторыми другими элементами, которые расширяют зону γ-фазы и не дают произойти фазовому превращению аустенита в α-феррит.
4. Ферритные стали существуют при низком содержании углерода и значительном количестве легирующих элементов, ограничивающих зону существования аустенита (хром, молибден, кремний, ванадий, вольфрам и т.п.). Структура этих сплавов состоит из легированного феррита и некоторого количества карбидов.

Также достаточно распространено определение структурного класса стали после охлаждения образцов от 900°С до комнатной температуры на спокойном воздухе. Такая классификация была предложена французским ученым-металлургом Леоном Гийе еще в начале XX века. По этому способу легированные стали могут относиться к одному из четырех классов: перлитному, аустенитному, карбидному и мартенситному.

Влияние термической обработки на фазовый и структурный состав стали

В большинстве видов термической обработки доэвтектоидные и эвтектоидные стали нагревают до диапазона существования аустенитной зоны. Заэвтектоидные марки обычно прогревают до температур двухфазной зоны аустенит-цементит (чтобы предотвратить слишком сильный рост зерна). Фазовые составляющие, которые существуют при комнатной температуре, при нагреве постепенно превращаются в γ-твердый раствор. Чем больше содержание углерода в стали, тем быстрее будет происходить аустенитное превращение. Наличие в составе сплава мощных карбидообразующих элементов (вольфрама, хрома, молибдена, ванадия и пр.) наоборот задерживает процесс аустенитизации.

После окончания превращения феррита и цементита в аустенит при дальнейшем нагреве или при длительном выдерживании при одной температуре будет наблюдаться рост зерна аустенита. В большинстве случаев слишком большой размер зерна нежелателен, поскольку приводит к ухудшению показателей ударной вязкости, хладостойкости и сопротивления растрескиванию. Поэтому все режимы термообработки имеют ограничения по уровню нагрева и длительности выдержки при высоких температурах.

Аустенитная структура, образованная в ходе высокотемпературного нагрева, при дальнейшем охлаждении ниже критических точек становится нестабильной и претерпевает превращение. Образующиеся при этом структурные составляющие зависят как от химического состава сплава (он в свою очередь влияет на положение критических точек фазовых превращений), так и от скорости охлаждения. На этом и базируется термическая обработка, позволяя в широких пределах менять свойства материала с помощью различных температурных режимов.

При диффузном распаде аустенита образуются феррито-цементитные структуры – перлит, сорбит, тростит. Они обладают пластинчатым строением и отличаются друг от друга своей дисперсностью (тростит наиболее дисперсный среди этих трех составляющих).

Чем меньше по размеру пластинки феррита и цементита, тем выше твердость и прочность стали. Самые высокие показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) имеет сорбит. На диффузионном преобразовании базируются такие популярные способы термообработки как отжиг и нормализация.

Если аустенит с высокой скоростью переохлаждается до низких температур, при которых диффузный процесс уже невозможен, происходит мартенситное превращение. Такая термическая обработка называется закалкой. Она проходит бездиффузионно, без изменения состава твердого раствора.

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Углерод занимает поры в решетке железа и сильно ее искажает. При этом в большинстве сталей сохраняется определенное количество остаточного аустенита. Мартенсит – очень твердая и прочная структурная составляющая. Но при этом он обладает минимальной пластичностью и склонен к хрупкому разрушению. Поэтому высокоуглеродистые и легированные стали после закаливания обычно подвергают дополнительной термообработке (отпуску) для получения более сбалансированных механических характеристик.

В температурной области между перлитным и мартенситным превращением может происходить процесс промежуточного распада аустенита с образованием структуры под названием бейнит. Она состоит из α-твердого раствора, претерпевшего превращение, подобное мартенситному, и карбидов.

Различают структуры верхнего бейнита (обычно образующегося в диапазоне температур 500-350°С) и нижнего бейнита (от 350°С до температуры мартенситного превращения). Эти структуры различают по морфологии и свойствам. Верхний бейнит имеет значительно меньшую пластичность по сравнению с продуктами перлитного превращения, при этом прочностные показатели почти не отличаются. Нижний бейнит обладает большей прочностью и твердостью при сохранении высокой пластичности. На особенностях бейнитного превращения базируются многочисленные методы термомеханической обработки стали.

В статье приведены лишь некоторые наиболее распространенные примеры высокотемпературной обработки стали и процессов структурообразования, которые при этом происходят. На самом деле, для того, чтобы перечислить все возможные вариации термических режимов и фазово-структурного состава стали, нужен не один многостраничный том. Но надеюсь, что эта публикация дала вам общее представление о ключевых закономерностях таких процессов.