Сталь: железо + углерод +

Что такое сталь?

«Бытовое» определение стали звучит примерно так: «Твердый и прочный металл на основе железа с легированием небольшим количеством углерода, а также часто другими металлами, такими  как никель, хром, марганец».  Хотя и нельзя сказать, что это определение полностью неправильное, но оно вряд ли адекватно отражает понятие «сталь».

Более точное определение стали может быть таким: «Сплав на основе железа, хорошо деформируемый в определенном интервале температур и содержащий углерод, и часто другие легирующие элементы. В углеродистых и низколегированных сталях максимальное содержание углерода около 2 %, в высоколегированных сталях – до 2,5 %. Разделительная линия между низколегированными и высоколегированными сталями обычно проходит по 5 % металлических легирующих элементов.  

Три фазы стали – феррит, цементит и аустенит

В принципе, все стали являются смесями, а точнее, сплавами железа и углерода. Однако даже самые обычные стали, так называемые стали общего назначения, имеют небольшие, но контролируемые количества марганца и кремния, а также малое и обычно неизбежное количество фосфора и серы. Содержание углерода в сталях общего назначения обычно составляет от 0,05 до 1,0 %. 

Механизм легирования железа углеродом отличается от других систем сплавов тем, что является двухступенчатым. На первом этапе железо соединяется с 6,67 % углерода, образуя карбид железа, который чаще называют цементитом. Поэтому при комнатной температуре обычная сталь содержит смесь цементита и феррита. Оба они являются фазами. Фазой называют физически гомогенный и выделенную  часть материальной системы. Когда сталь нагревают до 725 ºС цементит цементит растворяется в железе и образуется новая фаза – аустенит. Заметим, что не надо путать «фазы стали» и «структуры стали». Любая сталь может иметь только три фазы, тогда как может быть несколько структур, а также их смесей.        

Классификация сталей

Невозможно определить точное число составов сталей, которые существует в настоящее время. Их насчитается, по крайней мере, за тысячу.  Жесткой классификации сталей не существует. Однако чаще всего стали разбивают на пять групп, что вполне устраивает большинство специалистов, которые работаю со сталью.

К этим пяти классам относятся:

углеродистые стали;
легированные стали, иногда их называют низколегированными сталями;
нержавеющие стали – стандарты называют их «коррозионно-стойкими»;
инструментальные стали;
специальные стали,

К специальным сталям относят стали со специальными свойствами, которые нужны для применения их в специфических условиях работы. Кроме того, это могут быть стали, которые очень похожи на стали из первых четырех групп, но все таки настолько отличаются от них, что требуют отдельного обозначения сплава.   

Почему сталь главная?

Было бы несправедливо заявлять, что какой-то один металл является более важным, чем другой. Например, без алюминия и титана не было бы современных самолетов и космических кораблей.

Сталь, тем не менее, значительно более широко применяется, чем любой другой металл. Обычно бытует мнение, что причина доминирования стали заключается в избытке железной руды, а также легкости, с которой железо можно извлекать из руды. И то, и другое ошибочно. Железо не является самым распространенным элементом. Извлекать его из руды не так-то просто, а вот, медь, например, в некоторых районах мира встречается в почти чистом виде. 

Сталь является таким важным материалом благодаря ее невероятной гибкости в ее обработке и применении. Эту гибкость ей дает разнообразие вариантов ее структуры и методов деформационной и термической обработки для их достижения.

Широкие возможности для применения стали дают два ее важных металлургических феномена:

1) железо является аллотропическим элементом, то есть может существовать в более чем одной кристаллических форм;
2) размер атом углерода составляет только 1/30 от размера атома железа.

Железо – основа стали

Все чистые металлы, а также сплавы имеют индивидуальные фазовые диаграммы, которые чаще называют диаграммами состояния. Как правило, по горизонтальной оси откладывают процентное содержание в сплаве легирующего элемента. Температуру откладывают по вертикали. Диаграмма чистого железа является прямой линией. При охлаждении чистого железа оно изменяется от одной фазы в другую при постоянной температуре.   

Чистое железо затвердевает при 1538 ºС с образованием кристаллической структуры, которая называют ферритом или дельта-железом. Эта фаза имеет объемноцентрированную кубическую атомную решетку . При дальнейшем охлаждении с достижением температуры 1395 ºС атомы перестраиваются в 14-ти атомную решетку, которая называется гамма-железо.

При продолжении охлаждения ниже температуры 910 °С структура железа возвращается 9-ти атомной решетке или альфа-железу. Изменение в точке 770 °С просто обозначает изменение от немагнитного железа к магнитному и не является сменой фаз. Все поле ниже 910 °С является ферритом вплоть до комнатной температуры и ниже. Феррит, который образуется выше аустенита, часто называют «дельта-феррит», а то феррит, которые образуется ниже точки А3 – альфа-феррит, хотя структурно оба они совершенно одинаковые.

Механизм аллотропии является наиважнейшим свойством железа, которое и обеспечивает ему разнообразие его структуры и гибкость термической обработки сталей.