§ 2

§ 2. МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Влияние углерода. Микроструктура медленно охлажденной (после прокатки или отжига, или после нормализации) стали, содержащей до 0,8% С, состоит из феррита и перлита. Сталь с 0,1% С имеет очень много светлых участков структуры — феррита, а темных — перлита — весьма мало (фиг. 19, а). С увеличением в стали до 0,2% С количество феррита начинает уменьшаться, а перлита увеличиваться (фиг. 19,6). С дальнейшим увеличением содержания, в стали углерода — от 0,3 до 0,8% —количество феррита в структуре постепенно уменьшается, а перлита возрастает (фиг. 20, а, 6, 2] и 22, а). При содержании в стали 0,8% С ее микроструктура состоит из одного перлита (см. фиг. 15). У стали с содержанием углерода больше 0,8%, например при 1,2% С, прокатка которой была закончена при излишне высокой температуре, микроструктура состоит из темных зерен перлита и светлой сетки цементита (фиг. 21,6).

Эталоны микроструктуры стали [6]. Для количественной оценки микроструктуры стали ГОСТом 8233-56 установлен ряд эталонных шкал.

Для определения количественного соотношения перлита и феррита при увеличении в 100 раз предусмотрена следующая шкала (фиг. 22, а): балл

Эта шкала пригодна для оценки соотношения перлита и феррита в структуре, независимо от характера перлитных участков (пластинчатый или зернистый или смешанный) или от их дисперсности (измельченности), что устанавливается дополнительно на основании сопоставления с другими шкалами.

Дисперсность (измельченность) пластинчатого перлита оценивается по десятибалльной шкале (фиг. 22,6).

Шкалы для зернистого и смешанного перлита приведены в разделе инструментальных сталей.

Пороки микроструктуры стали. При перегреве стали или при медленном охлаждении стального литья получается крупнозернистость (фиг. 23, а), которая сильно понижает ударную вязкость стали и повышает температуру перехода ее в хрупкое состояние. При этом феррит в микроструктуре стали может расположиться не только по границам крупных зерен, но и по кристаллографическим плоскостям самих зерен (фиг. 23,6). Такая структура носит название видманштеттовой и характеризуется весьма низкими механическими свойствами.

Крупнейшим пороком микроструктуры стали является обезуглероживание ее поверхности (фиг. 24, а), а также строчечность (фиг. 24, б), когда полосы феррита чередуются с полосами перлита.

Строчечность создает неоднородные механические свойства вдоль и поперек прокатки, ухудшает обрабатываемость стали резанием и вызывает массовый брак при холодной штамповке. Особенно вредна строчечность, связанная с неметаллическими включениями.

Неметаллические включения. При изготовлении микрошлифов для выявления неметаллических включений при шлифовании и полировании, необходимо строго соблюдать все предосторожности, чтобы сохранить неметаллические включения и не выкрошить их. Как видно из фиг. 25, неметаллические включения бывают простые и сложные по структуре; особенно важно, являются ли они пластичными или хрупкими. Неметаллические включения опасны тем, что около них происходит концентрация напряжений и начинается разрушение металла, наиболее опасны здесь хрупкие, твердые, не поддающиеся деформациям включения, например окись алюминия (А12О3), хрупкие силикаты и т. д.

Эталоны неметаллических включений [8]. Для количественной оценки наиболее распространенных и типичных неметаллических включений ГОСТом 1778-57 предусмотрены особые шкалы их эталонов: оксиды, сульфиды, пластичные силикаты, хрупкие силикаты, глобулярные включения, точечные включения. Некоторые из них приведены на фиг. 26.

Пороки макроструктуры стали. Качество стали в значительной мере определяется ее макроструктурой, определяемой путем травления поперечных сечений (темплетов) заготовки, обжатой из слитков на блюминге. Макроструктура стали должна быть однородной и плотной, без значительных пороков.

К числу типичных пороков макроструктуры стали (фиг. 27) относятся остатки усадочной раковины, зональная ликвация (ликвационный квадрат), пористость общая и центральная, подкорковые пузыри и флокены.

Поломки изделий вследствие пороков макро- и микроструктуры. Очень часто поломки изделий в эксплуатации и брак в производстве (закалочные трещины, недостаточная твердость, плохая обрабатываемость) обусловливаются пороками их макро- и микроструктуры.

Например: смещенная усадочная раковина вызвала продольное расслоение головки рельса (фиг. 28, а); надрыв полоски сегрегата, заполнявшего газовый пузырь, вызвал большую поперечную трещину усталости (фиг. 28,6), которая занимала большую часть сечения головки рельса, но не выходила на ее поверхность, следуя за конфигурацией головки. Волосовина (фиг. 28, в), возникшая из газового, подкоркового пузыря, заполненного сегрегатом, вызвала хрупкий поперечный излом рельса (фиг. 28, г). Флокены вызвали усталостную трещину в коленчатом вале (фиг. 29, а) и поперечную усталостную трещину в головке рельса (фиг. 29,6), которая вышла на его поверхность. Неметаллические включения, окись алюминия А12О3 (глинозем), вызвали продольное расслоение головки рельса по усталостной трещине (фиг. 29, в и г). Такие поломки, как и закалочные трещины, происходят вследствие концентрации напряжений в месте пороков макро- и микроструктуры.

а) б)

Фиг. 19. Сталь; х200: а - с 0,1 % С. Светлые тона - феррит, темные - перлит

Фиг. 20. Сталь; Х200: а — с 0,3% С; б — с 0,4% С. Светлые поля — феррит, темные — перлит.

Фиг. 21. Сталь; X 200: а - с 0 6% С (темные поля — перлит и светлая сетка феррита); б — с 1,2% С (темные поля — перлит и светлая сетка цементита).

а) б)

Фиг. 22. Эталоны микроструктуры стали (по ГОСТу 8233-56): а -соотношение перлита и феррита; х100; б - дисперсность (измельченность) пластинчатого перлита; х1000

Фиг. 23. Пороки микроструктуры стали; х200: а - крупнозернистая структура стали; б - видмандштеттова структура стали.

а) б)

Фиг. 24. Пороки микроструктуры стали; х200: обезуглероживание поверхности стали; б — строчечная структура стали.

Фиг, 25. Неметаллические включения в стали (А. Н. Червяков):

а — эвтектика FeS — Fe; X 1000; б— деформированный пластичный MnS;X500; в — твердая и хрупкая окись алюминия А12О3; X 500; г — нитрид алюминия A1N; X 500; д — нитрид титана (TiN); X 500; е — силикатное включение, содержащее никель; X 500; ж — пластичный силикат; X 100; з — хрупкий силикат; X 100; и — файялит (2FeO-SiOi) с выделившейся двуокисью кремния; X 500; к — файялит (2FeOSiO2) с выделившейся закисью железа; X 200; л — кремнезем (SiO2) при обычном освещении; X 500; м — кремнезем (SIOt)

в поляризованном свете; X 500.

а) б) в) г)

Фиг. 26. Эталоны неметаллических включений; X 100 (по ГОСТу 1778-57): о — оксиды; б — сульфиды; в — пластичные силикаты; г — глобулярные включения.

Фиг. 27. Пороки макроструктуры стали (А. Н. Червяков): остатки усадочной раковины; 2 — ликвационный квадрат: 3 — общая пористость; 4 — центральная пористость; S — подкорковые пузыри; в — флокены.

Фиг. 28. Поломки изделий вследствие пороков макро- и микроструктуры стали (Р. С. Николаев): а - продольное расслоение головки рельса по остаткам смещенной усадочной раковины; б—поперечный излом усталости, возникший в месте газового пузыря, заполненного сегрегатом; в— микроструктура стали, где находится волосовина; г — хрупкий поперечный излом от волосовины (раскатанного подкоркового пузыря, заполненного сегрегатом).

Фиг. 29. Поломки изделий вследствие пороков макро- и микроструктуры стали (Р. С. Николаев): а - усталостный излом коленчатого вала возникший от флокена на поверхности щеки вблизи галтели; б - поперечный излом усталости у рельса, возникший в месте флокена; в - продольное расслоение головки рельса, образовавшееся от включений окиси алюминия А12О, (глинозема); г — то же, что и на в, но расслоение завернуто вниз, переходя в поперечную трещину