Доэвтектоидные стали

Покупателям металлургической продукции обязательно надо знать, что собой представляет доэвтектоидная сталь. Внимания заслуживают ее структура после полного отжига, микроструктура и марки, процедура закалки стали. Нужно также выяснить ее ключевые характеристики, в том числе и то, каково содержание углерода.

Термин «доэвтектоидная сталь» означает конкретное расположение стального сплава на специальной технологической диаграмме железоуглеродистых соединений. Это расположение будет левее, нежели у обычных эвтектоидных сплавов. Основная часть соединений образована ферритом и перлитом. При микроскопическом изучении отличить такие зерна не составляет труда. Светлые зерна представляют собой феррит, который почти не подвержен травлению.

Что немаловажно, такие зерна не только светлы, они еще и полигональны. Перлит же образован комбинацией феррита с цементитом. Соответственно, это вещество травится лучше, и при микроскопии всегда выглядит темнее чистого феррита. Содержание углерода прямо влияет на пропорцию темных и светлых зон.

Такое простое обстоятельство позволяет обходиться в большинстве случаев без изощренного химического анализа. Если его и проводят, то он неизменно подтверждает оценки, данные при грамотной микроскопии. Но проблема в том, что такой подход приемлем только для отожженных или находящихся в нормализованном состоянии сплавов. После легирования металла сделать это нельзя, и тогда уже придется заниматься полноценным химическим анализом.

Структура доэвтектоидных сталей зависит от химического распада аустенита при понижении температуры. Потому температурная динамика этого процесса приобретает особое значение. Дисперсность сплава определяется уровнем переохлаждения (в металлургическом, конечно, смысле). Все доэвтектоидные стали характеризуются содержанием углерода не выше 0,8%. Технология производства мало отличается от выработки других черных сплавов.

Влияя на кривую охлаждения и подстраивая интенсивность прогрева, технологи научились добиваться точно предсказуемых результатов. Удается гарантированно управлять дисперсностью, задавая строго необходимые показатели конечного продукта. Даже с учетом последующего отжига содержание углерода очень важно удержать в нормативных пределах. Нельзя обойтись при производстве и без так называемой нормализации. Она подразумевает улучшение фракционного состава аустенита. Частицы феррита и перлита должны стать меньше, иначе о нормальных свойствах готового продукта речи не идет. Однако сам по себе процесс сложен, и за ним должны следить опытные специалисты.

Как уже говорилось, доэвтектоидный сплав состоит из перлитных и ферритных участков. Но эта микроструктура сохраняется только до определенного момента. На каком-то этапе наступает фазовая перекристаллизация. В ходе этого процесса вместо перлита формируется аустенит, состоящий из мелких зерен. На следующем этапе повышения температуры чрезмерная часть феррита будет растворена в аустените. Если температура растет еще больше, аустенитному преобразованию подвергается и перлит. Иногда рост нагрева продолжается. В этом случае сначала остается чистый аустенит, а затем его качество начинает ухудшаться. Распухание зерен характерно для любых видов стали. Однако для каждого типа сплавов этот процесс течет неодинаково.

Закаленная доэвтектоидная сталь — достаточно часто встречающийся продукт. Конкретная температура закаливания подбирается с учетом химического состава металла. Существенное превышение нормального температурного показателя не допускается. В итоге такие сплавы после нормализации имеют преимущественно мартенситную структуру.

Строение перлита крайне важно для оценки свойств продукта. Доэвтектоидная сталь наилучшим образом обрабатывается при структуре, основанной на феррит-пластинчатом перлите. Для сравнения: эвтектоидный и заэвтектоидный металл обработать проще, если структура образована зернистым перлитом. Если вместе с мартенситом после закалки остается небольшое количество перлита, то твердость сплава понижается, а после отпуска станут хуже его механические свойства.

По износостойкости он уступает заэвтектоидным соединениям. Проигрыш касается и такого немаловажного свойства, как твердость. Однако есть и преимущество — так называемая красностойкость или, если говорить более развернуто, устойчивость против отпуска при разогреве инструментов. В ходе изотермического преобразования аустенит будет выделять феррит. Для сравнения: в заэвтектоидных сплавах из него обособляется другой компонент (цементит). После неполного отжига можно улучшить обрабатываемость заготовок резанием, а после полного отжига особенно мелкозернистый металл может стать пластичнее.

Прошедший механическую обработку в горячем состоянии материал преимущественно состоит из мелких зерен. Профессионалы тогда говорят, что его микроструктура удовлетворительна, и потребности в отжиге почти нет. Но все же высокий отпуск для повышения практических свойств и уменьшения неоправданной твердости после форсированного охлаждения бывает необходим. Установлено, что высокотемпературный отпуск для доэвтектоидной стали лучше, чем полный отжиг. Он позволяет оптимизировать разрезаемость заготовок.

Прочность доэвтектоидного металла может довольно сильно отличаться. После закалки или отпуска при низких температурах она достигает максимума при концентрации кислорода в 0,6-0,7%. Отпуская металл при более высокой температуре, приходится мириться с меньшей твердостью и с падением прочностных показателей. Зато материал становится пластичнее и вязче, лучше переносит динамические нагрузки. Подобное обстоятельство позволяет изготавливать из подобного сырья инструмент для манипуляций с мягкими материалами, который чаще подвергается ударным нагрузкам, чем значительному давлению.

Свойства, как уже указано, зависят во многом от структурно-химического состава. Так, сплав на основе зернистого перлита имеет большую твердость, нежели тот, в чьем составе будет преобладать пластинчатый подтип. Но различия есть даже между отдельными марками материалов. Так, конструкционные углеродистые стали нормального качества обозначаются сочетанием символов «Ст». Вслед за ним идет цифра, соответствующая марочному номеру.

Чем выше номер, тем тверже и прочнее материал. Оборотной стороной этого момента оказывается падение пластичности. Самый гибкий вид стали отпускают на производство кровельного материала и крепежных метизов. Особо качественные виды сплава маркируют двузначным числом, показывающим концентрацию углерода в сотых долях процента.

Выше уже отмечалось, что доэвтектоидные ферритовые стали имеют чуть более низкую прочность, чем другие сплавы. Но это не мешает активно их использовать в различных случаях. Так, подобные материалы находят применение в машиностроительном производстве. В этом случае используют самые качественные марки стали. Их требуется тщательно обжигать и нормализовывать.

Доэвтектоидная сталь может иметь также низкое содержание феррита. В этом случае ее преимущественно применяют для изготовления строительных конструкций и элементов. Дешевизна таких марок материала позволяет заметно сэкономить. Причина проста — особая механическая прочность в этом случае не всегда нужна. Зато износостойкость и упругость будут вполне необходимы, что и делает целесообразным применение эвтектоидного типа сталей.

Методика производства таких сплавов примерно совпадает с процессом производства иных черных металлов и сплавов. Ее осуществляют путем нагрева до определенных температур и последующих проработок. Однако есть свои особенности и нюансы. Главная тонкость — поддержание распада аустенита одновременно с охлаждением. Регулируя интенсивность прогрева и остужения, можно гибко влиять на дисперсность ключевых компонентов, что крайне серьезно отражается на складывании определенных параметров вещества.

Концентрация углерода, обуславливаемая перлитом, остается без всяких изменений. На нее не повлияет даже дальнейший отжиг. Может применяться сразу несколько вариантов отжига, вернее, выбор между ними остается на усмотрение технологов. При неполной методике аустенит греют интенсивно, пока его температура не достигнет критической точки. Далее переходят к охладительной нормализации.

В таком режиме обеспечивается эффективный распад аустенита на искомые вещества. При полном отжиге температура составляет от 700 до 800 градусов. В таких условиях резко активизируется распад феррита. Специалисты стремятся при этом еще и поддержать оптимальную скорость понижения температуры. Отрегулировать ее помогают манипуляции с дверцами рабочей камеры. Влиять на открытие и закрытие этой дверцы могут как действия технического персонала, так и автоматические программы работы современных изотермических печей. Неполный отжиг ведут, прогревая металл более чем до 800 градусов. Но в таком случае критично время высокотемпературной обработки. Устранить феррит полностью не получится.

Может возникнуть вопрос того, зачем прибегать к манипуляции, которая не повышает качество материала и будущих конструкций. Однако смысл в подобной работе вполне есть. Именно неполнота термообработки дает возможность сберечь мягкость структуры. Да, полученный продукт можно использовать не везде, где применяют иные углеродистые стали. Однако механическая обработка существенно улучшается и упрощается, что порадует многих мастеров. Дешевизна тоже является бонусом. На обжиге дело не заканчивается. Его сменяют такие процедуры, как нормализация и нагрев. При них металл может прогреваться до 1000 градусов и более. Однако суть в том, что нормализуются доэвтектоидные стали уже после окончания высокотемпературной фазы. Процесс идет при охлаждении в окружении спокойного воздуха.

Конечная точка — окончательное преобразование структуры материала. В ходе нормализации металл надо остужать быстрее, чем при отжиге. Иначе важное условие (уменьшение размеров зерен) будет недостижимо. Так или иначе, и отжигаемый, и нормализуемый сплав приобретают все более мелкозернистую структуру. Коренное отличие между этими обработками состоит в том, что нормализация повышает дисперсность, а перлит фактически сменяется сорбитом, имеющим более высокие прочностные показатели.

Они могут даже быть лучшими, чем у качественной отожженной стали. Максимальное повышение дисперсности сорбита достигается при начале охладительного процесса с более высоких температур. Но в определенный момент эта закономерность нарушается, и качество готового продукта падает. Учесть все подобные нюансы могут только подготовленные технологи.

При ней наиболее ответственной частью работы оказывается охлаждение. Если этот прием выполняется неправильно, вся долгая предыдущая работа во многом обесценивается. Чтобы аустенит стал мартенситом, скорость падения температуры должна быть больше критической. В противном случае мартенсит распадется на комбинацию бейнита, троостита и сорбита. Если сплав содержит легирующие добавки, то критичная скорость манипуляции понижается, мартенсит оказывается более стойким к распаду.

Однако нахождение дополнительных элементов в виде соединений, напротив, приводит к возникновению центров кристаллизации. Из-за них охладительный процесс заметно осложняется. В целом эвтектоидные стали имеют самую низкую критическую скорость среди других углеродистых сплавов. Но и тут есть отличия между марками, партиями с различным химическим составом. Остужать металл при содержании углерода свыше 0,3% можно преимущественно водой.

Такой метод более привлекателен, нежели использование спокойного воздуха и другие решения. Охлаждающую способность воды могут регулировать введением дополнительных компонентов. Подбор идеального охлаждающего агента на все случаи жизни невозможен, и технологи вынуждены соблюдать баланс. Прерывистая закалка в двух средах близка к оптимальному режиму, но провести ее грамотно могут лишь квалифицированные термисты. При ступенчатом закаливании мартенситное превращение происходит в воздушной среде.