Микроструктура легированных сталей в равновесном состоянии

Микроструктура легированных сталей 

Одна и та же марка стали под микроскопом может выглядеть совершенно по-разному: где-то видны светлые зёрна феррита, где-то тонкие пластины перлита, а где-то — сетка карбидов. И всё это в спокойном, равновесном состоянии, без спешки закалки. Разберёмся, откуда берётся такое разнообразие: сначала посмотрим, как вообще классифицируют легированные стали, а затем пройдём по шести структурным классам с конкретными марками и цифрами.

Зачем в сталь добавляют элементы

Добавки вводят не ради самих добавок, а ради свойств. Легирующие элементы поднимают механические характеристики — прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость, — а также улучшают магнитные свойства и повышают химическую и тепловую стойкость. В роли таких элементов выступают хром, никель, марганец, молибден, вольфрам, титан, бор, медь, азот и другие.

Четыре признака классификации

Легированные стали удобно раскладывать по четырём основаниям.

1. По структуре. Здесь выделяют ферритные, аустенитные, мартенситные, мартенситно-стареющие, двухфазные ферритно-мартенситные и прочие.
2. По степени легирования. Разграничение идёт по доле легирующих элементов: низколегированные — до 2,5 %, среднелегированные — от 2,5 до 10 %, высоколегированные — от 10 до 50 %.
3. По химическому составу. Отсюда названия групп: хромоникелевые, хромомарганцевокремниевые, сильхромы, хромоникельмолибденовые и другие.
4. По качеству. Согласно ГОСТу различают обычные, качественные, высококачественные электрошлакового переплава и специальные.

Шесть структурных классов в равновесии

Если рассматривать легированные стали именно в равновесном состоянии, по микроструктуре они распадаются на шесть классов:

1. доэвтектоидные — структура из феррита и перлита;
2. эвтектоидные — перлитная структура;
3. заэвтектоидные — перлит плюс избыточные вторичные карбиды;
4. ледебуритного класса — первичные карбиды и ледебурит;
5. аустенитного класса;
6. ферритного класса.

Дальше пройдём по тем из них, где картина наиболее показательна.

Доэвтектоидные стали

Соотношение феррита и перлита в таких сталях диктуется двумя величинами — концентрацией углерода в эвтектоиде и содержанием углерода в самой стали. Полный отжиг закрепляет эту феррито-перлитную структуру.

Эвтектоидные стали

У сталей этого класса структура чисто перлитная. Здесь есть любопытная зависимость: чем больше в стали легирующих элементов, тем меньше углерода остаётся в перлите. Наглядный пример — сталь марки 70С3А, содержащая от 0,66 до 0,74 % углерода и от 2,4 до 2,8 % кремния. В отожжённом состоянии она имеет перлитную структуру.

Заэвтектоидные стали

К этому классу — с перлитом и вторичными карбидами — относятся инструментальные стали марок Х, ХГ, ХВГ, ХГСВ и им подобные.

Возьмём для примера сталь ХГ: в ней от 1,3 до 1,5 % углерода, от 1,3 до 1,6 % хрома и от 0,45 до 0,7 % марганца. После полного отжига из однофазного аустенитного состояния она приобретает характерную структуру — сетку избыточных вторичных карбидов в сочетании с тонкопластинчатым перлитом.

Стали ледебуритного класса

В сталях этого класса присутствуют карбиды, выделяющиеся из жидкой фазы при кристаллизации, и ледебурит как часть эвтектики. Работает такой механизм: легирующие элементы заметно снижают растворимость углерода в аустените — настолько, что ледебурит способен образоваться в стали даже при содержании углерода менее 1 %.

Показательна быстрорежущая литая сталь Р18: в ней 0,7–0,8 % углерода, 3,4–4,4 % хрома, 17,5–19 % вольфрама и 1–1,4 % ванадия. В вольфрамовых сталях ледебурит имеет скелетообразный вид и сложен из пластин карбидов, чередующихся с аустенитом.

Есть здесь и тонкость кристаллизации. При охлаждении перитектическое превращение не успевает завершиться, поэтому в структуре сохраняется некоторое количество δ-феррита. При дальнейшем охлаждении этот феррит претерпевает эвтектоидный распад, давая δ-эвтектоид — смесь карбидов и тонкодисперсного аустенита. Из-за сильной измельчённости δ-эвтектоид интенсивно травится и выглядит как тёмные кристаллы округлой формы, которые трудно отличить от перлита.

Стали аустенитного класса

Аустенитную структуру стабилизируют азот, никель, марганец, медь и углерод. Когда их достаточно, сталь не проходит фазовых превращений и сохраняет исходный аустенит вплоть до охлаждения до комнатной температуры. Узнать такую микроструктуру можно по зёрнам с прямолинейными границами двойникования.

Так за внешним разнообразием шлифов стоит стройная логика: состав задаёт класс, а класс — облик структуры. Сначала сталь относят к своей группе по структуре, степени легирования, химическому составу и качеству, а затем в равновесном состоянии она проявляет одну из шести характерных микроструктур — от простого сочетания феррита и перлита до скелетообразного ледебурита и двойникованного аустенита.