Структура сталі: види та особливості формування

Структура сталі – загальна назва характеристик будови цього залізовуглецевого сплаву. У металургії терміном «структура» позначають особливості, що визначають склад, розташування, морфологію та кількість різних фаз, які містяться в металах і сплавах. В залежності від об’єкту дослідження та обладнання, що для цього використовується, розрізняють поняття макроструктури, мікроструктури та субмікроструктури.

В сьогоднішній публікації представлений огляд особливостей структурної будови сталей, визначені основні чинники, що впливають на утворення тих чи інших фазових складових, а також розглянуті властивості, які забезпечуються завдяки різним структурам.

Рівні дослідження структури металів та сплавів

Вивченням структури металів і сплавів займається наука металографія, складова частина металознавства. Сучасна металографія визначає принципи формування структури, а також її вплив на зміни механічних, магнітних, електричних та інших фізичних властивостей металевих об’єктів дослідження.

В залежності від збільшення, яке використовують при вивченні фазових складових, структуру металів класифікують за наступними рівнями:

1. Макроструктура – будова металів та сплавів, яка спостерігається неозброєним оком або за допомогою невеликих збільшень (зазвичай з використанням луп та макроскопів із збільшенням до 30-50 разів). 
   
   Макроструктурний аналіз (макроаналіз) виконують зовнішнім оглядом виробів, напівфабрикатів та зламів, а також дослідженням спеціально підготовлених темплетів (макрошліфів), відрізаних від об’єкту дослідження. Для кращого виявлення макроструктури можуть використовуватися хімічні реагенти на основі кислот або лугів. Макроаналіз дозволяє оцінити форму, розміри та загальне розташування крупних кристалів/ зерен на різних ділянках виробу, наявність значної нерівномірності в розподілі домішок (хімічної ліквації). Також на цьому рівні виявляють макродефекти – пори, газові пухирі, раковини, розшарування, тріщини, великі неметалеві включення тощо.
2. Мікроструктура – будова металів, яка оцінюється з використанням світлових та електронних металографічних мікроскопів зі збільшеннями до х2000-2500, а також за допомогою рентгеноструктурних аналізаторів та іншого спеціалізованого обладнання.
   
   Мета мікроструктурного аналізу (мікроаналізу) – встановити закономірності впливу легування, металургійних/ технологічних процесів, термічної обробки (ТО) та інших факторів на формування структури металів. Мікроструктура визначається розмірами, формою, кількістю та розташуванням кристалів окремих фаз та їхніх сумішей, які мають однакову морфологію. Об’єктом мікроаналізу є спеціально підготовлені зразки (мікрошліфи). Під час таких досліджень вивчається фазовий склад матеріалу, форма та розмір зерен, виявляються неметалеві включення (сульфіди, оксиди, нітриди, силікати) та інші дефекти мікроструктури (тріщини, волосовини, ліквації, пори).
3. Субмікроструктура (субструктура) – елементи будови металів та сплавів, які виявляються за допомогою просвічувальних та сканувальних електронних мікроскопів та рентгеноструктурних приладів й знаходяться за межами можливостей оптичної мікроскопії (від х2500 до х100000 і більше).
   
   До елементів субмікроструктури відносять субзерна, коміркову субструктуру, дрібні продукти розпаду перенасичених розчинів, дислокації та інші дефекти кристалічної ґратки.
4. Електронна та атомна структура – особливості кристалічної ґратки, просторове розташування атомів, енергетичні рівні електронів та інші показники тонкої будови металів і сплавів. Для таких досліджень використовують просвітлювальні та сканувальні електронні мікроскопи високої роздільної здатності, рентгенівські дифрактометри та спектрометри, зондові мікроскопи та інше високотехнологічне обладнання.

Фази та компоненти вуглецевої сталі

Ключовими хімічними складовими сталі є залізо (Fe) та вуглець (C). Чисте залізо – це метал сріблясто-білого кольору з температурою плавлення 1539°С. В залежності від температури можливі дві поліморфні модифікації твердого заліза – α та γ. Перша з них має об’ємноцентровану кристалічну ґратку та існує за температур нижче 910°С та вище 1392°С (більш високотемпературну версію часто називають δ-залізом). Друга модифікація з гранецентрованою кубічною ґраткою знаходиться в діапазоні 910-1392°С.

Вуглець – неметалевий елемент, який розчиняється в залізі в рідкому та твердому стані, а також може існувати в складі сталі та білого чавуну у вигляді хімічної сполуки Fe3C (карбід заліза, цементит), а в сірому чавуні – у вигляді графіту. Структурний та фазовий склад вуглецевих сталей та чавунів за різних температур відображає подвійна діаграма залізо-вуглець. На малюнку нижче представлена її частина «залізо-цементит», що відповідає метастабільним процесам перетворення. Ключовими для визначення фазового складу сталей в твердому стані є критичні точки A1, A3, Acm, яким на діаграмі відповідають лінії PSK, GS та SE.

Діаграма фазових перетворень системи залізо-вуглець (залізо-цементит)

В сталях вміст вуглецю не перевищує 2,14%, сплави з більшим його вмістом відносяться до чавунів. В системі залізо-вуглець (в тій частині, що відповідає за сталь) можливе існування наступних фаз:

• Рідкий розплав (за температур вище точки плавлення);
• δ-ферит – високотемпературний твердий розчин вуглецю в δ-залізі (гранична розчинність вуглецю в залізі в цьому випадку складає 0,1%);
• Аустеніт – твердий розчин вуглецю в γ-залізі (гранична розчинність вуглецю - 2,14%);
• α-ферит – низькотемпературний твердий розчин вуглецю в α-залізі (гранична розчинність вуглецю – 0,02%);
• Цементит – карбід заліза (вміст вуглецю стабільний і складає 6,67%).

Відповідно, в залежності від температури та вмісту вуглецю, мікроструктура сталі буде складатися з того чи іншого набору фаз. Зокрема, сплав, що вміщує до 0,02% вуглецю (технічне залізо, зона якого знаходиться лівіше лінії PSK), за кімнатної температури буде майже повністю складатися з чистого фериту.

Структура нелегованої сталі після повільного охолодження до кімнатних температур складається з двох фаз – фериту та цементиту. Доля цементиту зростає із збільшенням кількості вуглецю. При цьому суттєво змінюються як долі структурних складових матеріалу, так і його механічні властивості. Із зростанням вмісту вуглецю й, відповідно, ростом долі цементиту сталь набуває більшої твердості та міцності, при цьому пластичні характеристики зменшуються.

Фактична структура та наявність надлишкових фаз залежать від швидкості охолодження сплаву та його розташуванням відносно точки S на діаграмі (0,8% вуглецю). Тут відбувається евтектоїдне перетворення: переохолоджений аустеніт переходить в 100% перліту (механічну суміш фериту та цементиту).

Сталі, в яких вміст вуглецю знаходиться в інтервалі 0,02-0,8% називають доевтектоїдними. За умови рівномірного повільного охолодження в них формується ферито-перлітна структура. Низьковуглецева сталь (до 0,25-0,30% вуглецю) має в своєму складі мінімальну кількість перліту. Його доля зростає із збільшенням вмісту вуглецю, сплав з ~0,8% С повністю складається з перліту, без надлишкового фериту. Такий сплав називається евтектоїдна сталь.

Високовуглецева сталь із вмістом >0,8% вуглецю називається заевтектоїдною. В ній в якості надлишкової фази виступає вторинний цементит. Із збільшенням рівню вуглецю доля такого цементиту в структурі сталі зростає. За кімнатної температури заевтектоїдні сплави складаються з зерен перліту та цементитної сітки навколо них.

Структурні класи легованих сталей

Майже всі легуючі елементи при додаванні у сталь утворюють із залізом тверді розчини заміщення, впливають на температури фазових перетворень та граничну розчинність вуглецю в γ-залізі. Окрім того, легуванням можна досягти утворення в структурі спеціальних карбідів та інтерметалевих з’єднань.

Класифікація сталі за структурою є досить різноманітною й залежить від конкретної галузі або наукової школи. У вітчизняному матеріалознавстві найпоширенішим є розділення легованих сталей за структурою у стані рівноваги на наступні класи:

1. Перлітні сталі (доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні) мають структуру, схожу на аналогічні групи нелегованих сталей.
2. Ледебуритні сталі (карбідні сталі) вміщують в литому стані великі частинки карбідів (ледебурит в структурі робить ці сплави більше схожими на білий чавун, ніж на звичайну сталь).
3. Аустенітні сталі за кімнатної температури мають аустенітну структуру. Її забезпечує хімічний склад, зокрема легування нікелем, марганцем та деякими іншими елементами, які розширюють зону γ-фази й не дають відбутися фазовому перетворенню аустеніту в α -ферит.
4. Феритні сталі існують при низькому вмісті вуглецю та значній кількості легуючих елементів, що обмежують зону існування аустеніту (хром, молібден, кремній, ванадій, вольфрам тощо). Структура цих сплавів складається з легованого фериту та певної кількості карбідів.

Також досить розповсюдженим є визначення структурного класу після охолодження зразків від 900°С до кімнатної температури на спокійному повітрі. Така класифікація була запропонована французьким вченим-металургом Леоном Гійє ще на початку ХХ століття. За цим способом леговані сталі можуть відноситися до одного з чотирьох класів: перлітного, аустенітного, карбідного та мартенситного.

Вплив термічної обробки на фазовий і структурний склад сталі

В більшості видів термічної обробки доевтектоїдні та евтектоїдні сталі нагрівають до діапазону існування аустенітної зони. Заевтектоїдні марки звичайно прогрівають до температур двофазної зони аустеніт-цементит, щоб запобігти занадто сильному зростанню розміру зерна. Фазові складові, які існують за кімнатної температури поступово перетворюються на γ-твердий розчин. Чим більший вміст вуглецю в сталі, тим швидше відбуватиметься аустенітне перетворення. Наявність в складі сплаву сильних карбідоутворюючих елементів (вольфраму, хрому, молібдену, ванадію та інших) навпаки затримує процес аустенітизації.

Після закінчення перетворення фериту та цементиту на аустеніт при подальшому нагріванні або при тривалому витримуванні при одній температурі буде спостерігатися зростання розміру зерна аустеніту. В більшості випадків занадто великий бал зерна є небажаним, оскільки приводить до погіршення показників ударної в’язкості, холодостійкості та опору розтріскуванню. Тому всі режими термообробки мають обмеження по рівню нагрівання та тривалості витримки за високих температур.

Аустенітна структура, утворена при високотемпературному нагріванні, при подальшому охолодженні нижче критичних точок стає нестабільною й зазнає перетворювання. Структурні складові, які утворюються при цьому, залежать як від хімічного складу сплаву (він в свою чергу впливає на рівень критичних точок фазових перетворень), так й від швидкості охолодження.

На цьому й базуються різні види термічної обробки, дозволяючи в широких межах міняти властивості матеріалу за допомогою різних температурних режимів. Для визначення ключових параметрів термообробки (температура нагрівання, критична швидкість гартування тощо) та прогнозування фазово-структурного складу сталі після ТО використовують термокінетичну діаграму або діаграму ізотермічного розпаду аустеніту (С-подібна діаграма). Розташування температурних кривих на таких діаграмах залежить від фактичного хімічного складу матеріалу. 

За дифузійного розпаду аустеніту утворюються ферито-цементитні структури – перліт, сорбіт, троостит. Вони мають пластинчасту будову й відрізняються одна від одної своєю дисперсністю (тростит найбільш дисперсний з цих трьох складових).

Чим менші за розміром пластинки фериту та цементиту, тим вища твердість і міцність сталі. Найвищі показники пластичності (відносне подовження та звуження) має сорбіт. На дифузійному перетворенні базуються такі популярні способи термообробки як відпал та нормалізація.

Якщо аустеніт з високою швидкістю переохолоджується до низьких температур, за яких дифузійний процес вже неможливий, відбувається мартенситне перетворення. Така термічна обробка називається гартуванням. Загартування сталі проходить бездифузійно, без зміни складу твердого розчину.

Мартенсит – це пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі. Вуглець займає пори в решітці заліза й сильно її спотворює. При цьому в більшості сталей зберігається певна кількість залишкового аустеніту. Мартенсит – дуже тверда й міцна структурна складова. Але при цьому він має мінімальну пластичність й схильний до крихкого руйнування. Тому високовуглецеві та леговані сталі після гартування зазвичай піддають додатковому термооброблянню (відпуску) задля отримання більш збалансованих механічних характеристик. В залежності від температури відпуску структура сталі буде значно змінюватися. Наприклад, після нагрівання й витримки за температури 180-200°С основною структурною складовою буде мартенсит відпуску, а після високого відпуску за температур вище 600°С – зернистий перліт (феритну матрицю з розподіленими в ній округлими частинками цементиту).

В температурній області між перлітним та мартенситним перетворенням може відбуватися процес проміжного розпаду аустеніту з утворенням структури під назвою бейніт. Вона складається з α-твердого розчину, що зазнав перетворення, подібного мартенситному, та карбідів.

Розрізняють структури верхнього бейніту (зазвичай утворюється в діапазоні температур 500-350°С) та нижнього бейніту (від 350°С до температури мартенситного перетворення). Ці структури розрізняють за морфологією та властивостями. Верхній бейніт має значно меншу пластичність у порівнянні з продуктами перлітного перетворення, при цьому показники міцності майже не відрізняються. Нижній бейніт має більшу міцність та твердість при збереженні високої пластичності. На особливостях бейнітного перетворення базуються багаточисленні методи термомеханічної обробки сталі.

В статті наведені лише деякі найбільш розповсюджені приклади високотемпературної обробки сталі та процесів структуроутворення, що відбуваються при цьому. Насправді для того, щоб перерахувати всі можливі варіації термічних режимів та фазово-структурного складу, потрібний не один багатосторінковий том. Але сподіваюся, що ця публікація дала вам загальне уявлення про ключові закономірності таких процесів.