title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Строение стали

Строение стали

Как правило, кованые детали прочнее литых. Это связано с изменением строения, или, как говорят, структуры стали, которое происходит при горячей обработке давлением. Нагрев металла также влияет на структуру, а следовательно, и на свойства стали.
Вот почему хороший мастер-кузнец должен отчетливо представлять природу и строение стали, а также происходящие в ней превращения. Это является основой умелого и сознательного использования возможностей технологического процесса ковки для получения поковок высокого качества. Именно, знание физической сущности изменений в металле во время нагрева, ковки и охлаждения поковок составляет часть тех «секретов» кузнеца, которые мы называем мастерством.

При затвердевании расплавленной стали в различных местах ее объема образуются многочисленные центры кристаллизации. По мере понижения температуры из этих центров вырастают кристаллы (фиг. 1). Однако эти кристаллы приобретают неправильную и неодинаковую форму, так как при их взаимном соприкосновении в процессе продолжающегося роста они давят друг на друга, искажая правильные очертания, которые имел бы кристалл при свободном, росте. Тем не менее влитой стали часто наблюдаются отдельные более или менее правильные кристаллы, сохранившие дендритную, что в переводе означает—древовидную форму, характерную для стали (фиг. 2). Ho при последующей обработке, например, при прокатке и ковке кристаллы деформируются, дробятся, в результате чего сталь приобретает характерное зернистое строение. Каждое зерно — это кусочек кристалла, имеющий правильно внутреннее кристаллическое строение, т. е. строго закономерное расположение атомов в кристаллической решетке (фиг. 3).

Строение металла, видимое при помощи микроскопа, называется микроструктурой. Если рассмотреть с помощью микроскопа сталь, содержащую очень мало углерода (менее 0,05%), то можно увидеть, что микроструктура такой стали состоит из отдельных зерен, плотно прилегающих друг к другу. Такую микроструктуру называют ферритом (фиг. 4,а). Феррит имеет сравнительно низкую твердость, пластичен и потому легко поддается любому виду обработки давлением.

Углерод с железом может образовать химическое соединение— цементит. В противоположность ферриту цементит очень тверд и непластичен. При содержании углерода в пределах 0,8—0,9% структура стали будет состоять из равномерно распределенных частичек цементита и феррита. Это — так называемый перлит (фиг. 4, б). Если содержание углерода находится в пределах 0,1—0,8%, то в структуре стали вместе с перлитом наблюдается феррит (фиг. 5, а). Чем больше углерода, тем больше относительное содержание перлита. Подобную структуру имеют конструкционные стали в «сыром» виде, т. е. до термической обработки. При содержании углерода свыше 0,8% сталь имеет структуру, состоящую из перлита и цементита (фиг. 5, б). Такая структура характерна для инструментальной стали.
При высокой ковочной температуре, вне зависимости от содержания углерода, в структуре стали уже не будет ни феррита, ни цементита, ни перлита, а появятся однородные зерна так называемого аустенита. Аустенит очень, пластичен, обладает малым сопротивлением деформации, а следовательно, очень легко обрабатывается давлением. Главное же заключается в том, что эти замечательные свойства аустенитной структуры сохраняются в течение всего процесса обработки давлением. Вспомним, что феррит также мягок и пластичен, однако уже в самом начале обработки давлением пластическая деформация вызывает упрочнение (наклеп) металла, а вместе с этим утрачиваются и пластические свойства. Металл приобретает хрупкость и становится непригодным для дальнейшей обработки давлением. Вот почему прокатка, ковка, штамповка — все эти виды обработки давлением производятся при высокой температуре, когда сталь имеет благоприятную для этой цели аустенитную структуру.
Строение стали

В условиях нагрева до высокой температуры постепенно происходит увеличение, рост зерен. Этот процесс идет за счет слияния отдельных мелких зерен в более крупные. Прокатка и ковка — наоборот — дробят и измельчают зерна. Если при этом деформация идет преимущественно в одном направлении, например, при прокатке — вдоль оси проката, то металл приобретает волокнистую структуру (фиг. 6). Такая структура получается при наличии в стали шлаковых включений и газовых пузырей, которые, вытягиваясь в тонкие пленки, придают структуре волокнистость.

К концу периода обработки давлением температура стали снижается, и это вновь ведет к структурным изменениям. В малоуглеродистой стали появляется феррит. Под действием ковки зерна феррита вытягиваются в волокна, и в результате образуется так называемая строчечная структура (фиг. 7, б). Такая структура неблагоприятно сказывается на свойствах стали, и во избежание ее появления не ‘ рекомендуется заканчивать ковку при заниженной температуре. В структуре высокоуглеродистой стали при снижении температуры появляется цементит. Если в этот момент прекратить ковку, то цементит может образовать сетку по границам зерен перлита (фиг. 7, а). Это отрицательно влияет на прочность стали. Поэтому ковку высокоуглеродистой стали не следует заканчивать при высокой температуре, а напротив, нужно продолжать ее при снижающейся температуре, чтобы раздробить вредную цементитную сетку.
В легированных сталях такие легирующие элементы как хром, вольфрам, молибден, так же, как и железо, могут образовывать с углеродом химические соединения. Эти соединения называются карбидами. Как и цементит, карбиды обладают высокой твердостью и хрупкостью. Они также могут образовывать карбидную сетку. Однако структурные превращения в легированных сталях имеют более сложный характер, чем в углеродистых.
Строение стали, подвергнутой обработке давлением, можно наблюдать невооруженным глазом. С этой целью на образце прошлифовывают плоскую поверхность, а затем производят травление кислотой. На поверхности выявляются волокна, и картина, видимая при этом, называется макроструктурой (фиг. 8). С помощью ковки и штамповки можно придать волокнам нужное направление для получения более высокой прочности детали. Как правило, наиболее благоприятной является структура, при которой волокна следуют контурам детали. Это легко уяснить из следующего примера. Сравнивая два коленчатых вала, из которых один кованый, а другой выточен из прокатанной заготовки, можно увидеть, что в одном случае (фиг. 9, а) волокна следуют контурам детали, а в другом — перерезаются (фиг. 9, б). В работе вал под нагрузкой может незначительно прогнуться, например, при выработке подшипника. В этом случае в точеном вале волокна будут как бы отслаиваться, что может привести к разрушению детали.
Таким образом, ковка и штамповка оказывают существенное влияние на прочность детали.


title-icon Подобные новости