В углеродистых сталях (нелегированных) концентрация углерода не бывает выше 1,4%, но, несмотря на столь несущественный интервал концентраций, количество марок углеродистых сталей с самым разнообразным комплексом механических свойств очень велико.
Как известно, стали в так называемом литом состоянии получают постепенным охлаждением жидкого раствора Fе - С, который в процессе кристаллизации и после ее полного завершения претерпевает серию структурных превращений, что и определяет конечную структуру стали. Рассмотрим свойства и строение самих компонентов и тех фаз, которые они образуют в ходе кристаллизации и дальнейшего охлаждения слитка до комнатной температуры.
Чистое железо - это серебристо-светлый металл, атомный номер 26, атомный вес 55,85. Технически чистое железо обычно содержит как минимум 0,10-0,15% примесей различных элементов как металлических, так и неметаллических. Температура плавления железа составляет 1539°С, плотность - 7,85 г/см2.
В интервале температур от комнатной и вплоть до 911°С железо имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку и его обозначают как железо-альфа Fеα. В нормальных условиях такое железо обладает невысокой твердостью и прочностью и хорошей пластичностью.
Железо - это металл, обладающий полиморфизмом, т. е. при нагреве либо охлаждении оно может подвергаться аллотропическим превращениям. Под последними понимается способность металла перестраивать свою кристаллическую решетку в твердом состоянии. У железа такое первое превращение происходит вблизи 911°С; его ОЦК решетка перестраивается в гра-нецентрированную кубическую (ГЦК) решетку и в таком кристаллическом состоянии железо сохраняется до температуры 1392°С (это уже будет железо-гамма, Fеγ), после чего ГЦК ре тетка снова перестраивается в ОЦК-модифика-цию (железо-дельта, Fеδ), которая сохраняется вплоть до расплавления. Железо при нагреве (и охлаждении) при температуре (768°С) претерпевает превращение, не связанное с перестройкой кристаллической решетки: изменяются магнитные свойства этого элемента (точка Кюри для железа). До температуры 768°С железо-альфа ферромагнитно, выше этой температуры - парамагнитно.
Второй компонент рассматриваемой системы - углерод - в природе встречается в двух, модификациях: алмаз, имеющий кубическую кристаллическую решетку, или графит (простая гексагональная решетка). В сталях углерод в чистом виде не присутствует. Он легко вступает в химическую связь с железом, образуя карбид железа Fе3С, названный цементитом Ц.
Рассмотрим основные структурные составляющие (фазы), образующиеся при охлаждении из расплава системы железо- углерод.
Первым при охлаждении жидкого раствора Fе - С кристаллизуется так называемый аустенит. Сталями и называют сплавы железо-углерод, кристаллизация которых заканчивается образованием аустенита. Аустенит – это твердый раствор внедрения углерода в железе-гамма; обычно его обозначают буквой А, а формулу записывают как Fеγ (С). Именно в таком твердом растворе наблюдается при 1147°С максимальная растворимость углерода в железе 2,14%.
Аустенит полностью парамагнитен, пластичен, имеет невысокие значения предела прочности и твердости.
При охлаждении до 727°С растворимость углерода в аустените падает до 0,8%; аустенит как самостоятельная фаза теряет устойчивость и при дальнейшем снижении температуры распадается на двухфазную смесь - феррит и цементит (Ф+Ц).
Процесс одновременного выпадения из твердой фазы – аустенита-кристаллов двух различных фаз (феррита и цементита) называется эвтектоидным превращением, а механическая смесь кристаллов этих двух фаз, стабильная при температурах ниже 727°С, была названа перлитом (П) за его жемчужный перелив при рассмотрении под микроскопом («перл» по-латыни означает «жемчуг»).
Смесь феррита и цементита (при обязательном условии их одновременного появления) представляет окончательное структурное состояние эвтектоидной стали - перлитное. Рассмотрим структурные составляющие перлита.
Феррит - это твердый раствор внедрения углерода в железе-альфа (Fеα (С)). Максимальная растворимость углерода в этой фазе достигает всего 0,02% при 727°С. При комнатной температуре концентрация углерода в феррите менее 0,006%. Твердость и другие механические свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа.
Цементит, как уже отмечалось ранее, - это карбид железа Fе3С, образующийся при содержании углерода 6,67%, Цементит имеет сложную кристаллическую (орторомбическую решетку), в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Это очень твердая, но хрупкая фаза. До 217°С цементит обладает слабыми ферромагнитными свойст- вами. Температура плавления цементита около1600°С. Цементит неустойчив: при определенных -условиях происходит его распад с образованием свободного графита, что имеет большое значение в производстве чугунов.
Кристаллы цементита могут появляться непосредственно из охлаждаемой жидкой фазы Fе - С, если концентрация углерода составляет не менее 4,3%. Такой цементит называется первичным (ЦI). Точно такие по своим физико-химическим свойствам, но отличающиеся формой 'л размерами кристаллы цементита выделяются и из твердых фаз в системе железо-углерод (из твердых растворов), а именно: из аустенита за счет уменьшения растворимости в нем углерода при охлаждении от 1147 до 727°С (вторичный цементит ЦII) и из феррита при снижении его температуры от 727°С до комнатной (третичный цементит ЦIII).
В результате перечисленных выше структурных превращений образуются смеси трех типов (в порядке возрастания концентрации углерода): Ф+ЦIII+П, собственно перлит и П+ЦII - они и составляют окончательную структуру закристаллизовавшейся (литой) стали: доэвтектоидной, эвтектоид ной и заэвтектоидной соответственно.
После осуществления фазового перехода в условиях очень медленного охлаждения структурное состояние стали остается стабильным (равновесным). В реальных же условиях скорости охлаждения могут быть самыми различными, а это существенно влияет на протекание диффузионных процессов, ответственных за достижение равновесного структурного состояния.
Процессы диффузии - это переход атомов либо вакансий из одного места кристаллической решетки в другое, благодаря чему становится возможным либо перестройка типа кристаллической решетки и рост кристаллов новой фазы, либо образование новых твердых растворов и химических соединений, либо их распад. Диффузия атомов протекает тем быстрее, чем выше температура, и тем полнее, чем медленнее скорость изменения температуры. Если эти процессы искусственно затормозить, например, достаточно быстрым охлаждением такой фазы, как аустенит, то последний может «перескочить» через допустимую температурную границу своего равновесного состояния (Т= 727°С, ее обозначают как А1 - температура эвтектоидного превращения). В этом случае аустенит попадает в температурную область неустойчивости; в этой области от температуры ампературы Мн (рис. 43) он так и называется - неустойчивой, или переохлажденный, аустенит Ан. Процесс распада в таких условиях переохлаждения будет протекать своеобразно и зависеть во времени т как от скорости охлаждение так и от конкретной температуры превращения переохлажденного аустенита в ферритоцементитную смесь.
Ведущей по времени фазой при образовании ферритоцементитной смеси является цементит. Чем ниже температура распада аустенита, тем мельче образующиеся кристаллики цементита (они просто не успевают вырасти). Вблизи линии Ми эти кристаллики имеют форму очень мелких иголок, в области 400-500°С размер кристаллов цементита увеличивается, но форма его остается игольчатой. Такие структуры получили название бейнита (Б) (самый мелко-игольчатый цементит) и троостита (Т).
В верхней части диаграммы (при температурах выше 550°С) форма кристаллов цементита изменяется: они успевают вырасти до пластинок. Мелкопластинчатая структура ферритоцементитной смеси получила название сорбита (С).
Наконец, если охлаждение стали вести со скоростями, превышающими некоторую критическую скорость vкр, диффузия вообще не успевает пройти, и аустенит превращается в низкотемпературную фазу бездиффузионно. Такой процесс перехода назван мартенситным превращением, а получаемая структура является мартенситом. Процесс превращения аустенита в мартенсит при быстром охлаждении называется закалкой (vзак>vкр).
Рис. 43. Диаграмма изотермическое превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8% С): А – устойчивый аустенит; Ап – переохлажденный (неустойчивый) аустенит; Ф – феррит; Ц – цементит; М – мартенсит; Аост – остаточный (не превратившийся) аустенит; П – перлит; С – сорбит; Т – троостит; Б – бейнит; А – температура эвтектоидного превращения; Мн и Мк – температура начала и конца мартенситного превращения; v1, v2, vкр, vзак – векторы скоростей охлаждения; τ – продолжительность процесса.
Структурные изменения в стали при закалке весьма своеобразны. ГЦК-решетка аустенита превращается в искаженную кубическую, ячей ка которой имеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами а×а×с, причем отношение сторон с/а>1. Такая кристаллическая решетка называется тетрагональной, а отношение с/а определяет степень тетрагональности.
Кристаллы мартенсита, имеющие форму иголок, растут внутри аустенитных зерен очень быстро практически мгновенно. Их рост прекращается, когда кристалл либо вырастет от границы аустенитного зерна до противоположной границы. либо в момент потери упругой связи между тетрагональной решеткой мартенсита и кубической решеткой аустенита. На это уходит не более 10-7с.
Другой особенностью мартенситного превращения является то, что оно требует непрерывного охлаждения стали: начавшись при температуре Мн (Мн - это температура начала мартенситного превращения, рис. 43), оно завершается при условии, что сталь будет подвергнута далее непрерывному охлаждению до температуры Мк или ниже (Мк - температура конца мартенсит-ного превращения). Как правило, некоторая часть аустенитного зерна не успевает превратиться в мартенсит и остается в промежутках между мартенситными кристаллами, испытывая довольно значительные напряжения сжатия. Такой аустенит называется остаточным (Аост).
Растворенный в аустените углерод при мгновенной перестройке кубической решетки в тетрагональную не успевает выйти из нее и, следовательно, не образовывает кристалликов цементита. Атомы углерода остаются в искаженной тетрагональной решетке железа-альфа, а их концентрация существенно превышает равновесную для комнатной температуры. Такой твердый раствор называется пересыщенным.
Итак, мартенсит, полученный в результате закалки сталей из аустенитного состояния, представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железо, имеющее тетрагональную кристаллическую решетку.
В мартенситном состоянии сталь очень твердая, но хрупкая. Это связано с тем, что удельный объем мартенсита больше, чем у аустенита, а это вызывает большие внутренние напряжения в ходе превращения. Этому же способствует наличие «лишних» атомов углерода.
Мартенситное состояние стали непосредственно после закалки (мартенсит закалка-состояние неустойчивое, обладающее излишней внутренней энергией. Такое состояние называется метастабильным: при нагреве сталь будет стремиться перейти в более устойчивое (равновесное) состояние в результате структурных превращений, приводящих к снижению внутренней энергии системы.
Операции нагрева закаленной стали, проводимые для снижения внутренних напряжений и восстановления пластичности (ударной вязкости), получили название отпуска.
Удельные объемы стали в различном структурном состоянии неодинаковы. Наибольший удельный объем у мартенсита, наименьший - у аустенита. Любые структурные превращения, происходящие в мартенсите закалки при нагреве, будут снижать удельный объем стали.
Нагрев до 80°С не приводит к каким-либо структурным превращениям. Нагрев в интервале от 80 до 150-200°С восстанавливает искаженную кристаллическую решетку и превращает ее в правильную кубическую (с/а = 1). Мартенсит с такой решеткой называется мартенситом отпуска; искажения в решетке при этом уменьшаются, что приводит к снижению внутренних напряжений. Этому же способствует то, что «лишние» атомы углерода собираются вместе, образуя так называемые эпсилонкарбиды очень мелких размеров. Кристаллическая решетка таких карбидов упруго связана с решеткой мартенсита, а из-за сравнительно низких температур нагрева они неспособны расти.
Итак, мартенсит отпуска представляет собой твердый раствор углерода в α -железе с ОЦК- решеткой, причем этот твердый раствор имеет неоднородную концентрацию, поскольку часть атомов углерода ушла на образование ε-карбидов.
Именно эти напряжения (сжимающие) препятствовали ранее (при закалке) переходу остаточного аустенита в мартенсит. Снижение напряжений позволяет пройти второму превращению - остаточный аустенит в температурном интервале 200-300°С превращается в мартенсит.
При температурах выше 300°С процессы диффузии протекают уже достаточно интенсивно; атомы углерода начинают устремляться к частицам ε-карбидов, достраивая их до состава, соответствующего цементиту Fе3С, - с самостоятельной (некогерентной) кристаллической решеткой. Эти кристаллы обособлены от кристаллической решетки мартенсита, их можно видеть с помощью оптического микроскопа. Поскольку на этот процесс затрачиваются все «лишние» атомы углерода, мартенсит как самостоятельная фаза перестает существовать - он превращается в феррит с равновесной (очень малой) концентрацией углерода.
В результате нагрева в интервале 300-400°С закаленная сталь приобретает структуру ферритоцементитной смеси.
Такую же смесь самостоятельных фаз сталь приобретает в результате распада переохлажденного аустенита (см. рис. 43), но морфология (строение) получаемых структур неодинакова. Если при распаде переохлажденного аустенита получается структура «феррит+игольчатый цементит», то структура мартенсит при нагреве в интервале 300-400°С образует структуру «фер-рит+зернистый (сфероидизированный) цементит», так называемый троостит отпуска.
Кристаллы цементита приобретают шаровидную форму по следующим причинам. Во-первых, центрами их образования служили многочисленные, но очень мелкие частички ε-карбида; во-вторых, сравнительно невысокие температуры нагрева не позволили им превращаться в иголки либо пластины.
Более высокий нагрев в интервале 400- 600°С не изменяет шаровидную форму кристаллов цементита; они только увеличиваются до (0,1-0,2)×10-3 мм (сорбит отпуска). С повышением температуры до 650-700°С закаленная сталь приобретает структуру перлит отпуска. И даже в этой высокотемпературной области частички цементита сохраняют округлую форму, а их размер (диаметр) не превышает 0,3×10-3 мм.
Сферическая форма кристаллов цементита в отличие от игольчатой либо пластинчатой наименее благоприятна для возникновения вокруг таких включений концентрации напряжений при воздействии внешних нагрузок. Поэтому структуры типа троостит отпуска, сорбит отпуска и перлит отпуска хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, обладая повышенной пластичностью и ударной вязкостью.
Классификация сталей производится по нескольким характерным признакам.
Первый признак - по способу производства; в этом случае стали подразделяются на мартеновские - М, конверторные - К, бессемеровские - Б.
Второй признак - по степени раскисления кипящая сталь - кп, полуспокойная - пс, спокойная - сп.
Третий признак - по назначению и гарантируемым характеристикам. Практическое назначение стали определяется комплексом ее механических и технологических свойств, а эти свойства обусловливаются содержанием углерода (рис. 44) и качеством стали (наличием в ней прежде всего вредных примесей - серы и фосфора). Поэтому классификацию сталей по третьему признаку начнем с рассмотрения назначения и свойств стали по мере возрастания в ней концентрации второго компонента - углерода, С увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т. е. возрастают прочность и твердость и уменьшается пластичность. Прочность (σв) возрастает только до 1%
. 
Рис. 44. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от содержания углерода.
С, а при более высоком содержании углерода она начинает падать главным образом из-за образующейся по границам зерен в заэвтектоидных сталях (С≥0,8%) сетки вторичного цементита. При этом пластичность (δ) и ударная вязкость (ан) снижаются до весьма низкого уровня. Поэтому предельное содержание углерода 1,5%.
В зависимости от содержания углерода стали, подразделяются на следующие два больших класса: углеродистые конструкционные стали (С=0,7%); углеродистые инструментальные стали (С=0,7÷1,5%). Углеродистые конструкционные стали по конкретному назначению делятся на следующие группы:
1. Строительные и котельные стали (С ≤0,25%). По содержанию углерода и технологическим свойствам строительные стали можно разбить на две группы:
Первая группа - низкоуглеродистые, хорошо свариваемые стали. Эти стали предназначаются для сварных металлических конструкций и от них, кроме необходимого сочетания прочностных и пластических свойств, требуется хорошая свариваемость и простота техноглогического процесса изготовления конструкций (сталь не должна подкаливаться при сварке, образовывать трещины при резке, подвергаться деформационному и термическому старению; должны хорошо резаться газокислородной резкой)
Вторая группа сталей – среднеуглеродистые стали, обладающие более высокой прочностью, чем стали первой группы, но менее пластичные. Стали этой группы основном предназначаются для армирования железобетонных конструкций. Важнейшими характеристиками для них является высокий предел упругости и высокая релаксационная стойкость. При контактной сварке, наиболее широко применяемой для арматурных сталей, допустимо более высокое содержание углерода, чем при дуговой, являющейся в настоящее время основным видом сварки стальных конструкций.
Стали для сварных металлических конструкций.
Требования к стали.
Широкое внедрение сборного железобетона ограничивает применение стальных конструкций. До настоящего времени вопросом правильного выбора материала для остальных конструкций не уделялось достаточного внимания, в результате наблюдались аварии, преждевременный выход из строя сооружений, преждевременные ремонты.
В строительстве применяются конструкционные стали, предназначенные для работы в атмосферных условиях при нормальных и повышенных температурах.