Мир металла.

Беккерт М

Мир, 1980 г.

Чистое железо мягко, прочность его невелика, но когда в нем присутствуют легирующие элементы, оно становится тверже и прочнее. Из железа получают сталь, добавляя к нему углерод. Этот неметалл буквально творит с железом чудеса. Самые большие мосты через реки, ущелья, проливы сооружены из обыкновенной конструкционной стали, которая своей прочностью обязана углероду, содержащемуся в ней в количестве всего 0,2% (по весу). С увеличением содержания углерода прочность стали возрастает, и она приобретает способность к закалке. Но чем прочнее и тверже сталь, тем меньше ее вязкость и пластичность. Инструментальные стали, от которых требуются прежде всего твердость и закаливаемость, содержат 0,4—1,5% углерода, а иногда и больше. У сталей, особенно стойких к износу, содержание углерода достигает верхнего предела—около 2%.

Если в стали, кроме углерода, нет других легирующих элементов, то ее называют нелегированной или углеродистой. Правда, в такой стали тоже содержатся другие металлические и неметаллические элементы: марганец, кремний, фосфор, сера, хром, никель, медь, азот, кислород или водород, но они не введены в нее специально, а попали из исходных веществ (железной руды, лома, топлива) как неизбежные примеси либо в процессе выплавки. Тонкими аналитическими методами можно обнаружить в нелегированной стали многие элементы периодической системы, но решающую роль в превращении железа в сталь играет именно углерод.

С чем сравнить столь сильное влияние углерода? Два промилле (т.е. 0,2%) алкоголя в крови человека настолько меняют его поведение и реакции по сравнению с трезвым состоянием, что он кажется совсем другим человеком. Аналогично, два промилле углерода в железе превращают последнее в конструкционную сталь, т. е. материал с существенно иными свойствами. Правда, на этом и кончается аналогия между содержанием алкоголя в крови человека и содержанием углерода в железе: причины, механизмы действия и результаты здесь совершенно различны.

Углерод может проникать в железо двумя способами. Так, атомы углерода могут занимать в пространственной решетке свободное место между атомами (ионами) железа (по размеру атом углерода приблизительно в два раза меньше атома железа). Однако при комнатной температуре в пространственной решетке железа таким способом может поместиться всего лишь 0,0001% углерода. Остальным атомам углерода приходится находить другие пути для внедрения в железо, и они находят их, вступая с железом в химическую связь. При этом образуется карбид железа Fe3C, состоящий из трех атомов железа и одного атома углерода. Поэтому структура углеродистой (т. е. нелегированной) стали представляет собой смесь зерен железа и карбида железа. От количества и формы карбидных зерен, а также от их распределения в структуре в решающей степени зависят прочность, твердость и вязкость стали. Металлографы называют зерна железа ферритом, а зерна карбида железа—цементитом.

Структура, образующаяся при некоторых особых взаимных расположениях и соотношениях феррита и цементита, получила название «перлит» (буквально—подобный жемчугу). Если сталь содержит много перлита, то приготовленные из нее металлографические шлифы при косом освещении обладают характерным перламутровым блеском. Сплав железо—углерод, содержащий 0,80% углерода, целиком состоит из перлита. Строение перлита можно представить таким образом: в мягкой основной массе феррита очень близко, параллельно друг другу «уложены» мельчайшие твердые пластинки цементита. Слоистое . строение зерна перлита можно наблюдать в его поперечном разрезе. Если сплав железо—углерод содержит меньше 0,8% углерода, то его структура складывается из зерен феррита и перлита, причем доля последних тем больше, чем ближе содержание углерода к 0,80%. Если же в сплаве содержится 0,80—2,06% углерода, то структура такого сплава состоит из перлита и цементита. Еще большее содержание углерода имеют чугуны; в них помимо перлита и цементита присутствует еще одна структурная составляющая—ледебурит (названа в честь профессора металловедения Фрейбергской академии Альфреда Ледебура (1837—1906)), представляющая собой эвтектику. В заэвтектических чугунах (т. е. содержащих свыше 4,3% углерода) кроме ледебурита присутствует также карбид железа, который образуется непосредственно из расплава, и поэтому его называют первичным цементитом в отличие от вторичного цементита, который при охлаждении выделяется из твердого раствора углерода в железе.

Диаграмма состояния железо—углерод столь же необходима металловеду, как карта географу. При содержании углерода, не превышающем 6,67% (эта предельная величина соответствует 100% цементита), такая диаграмма позволяет судить обо всех структурных состояниях сплавов, которые возможны в зависимости от температуры при условии сохранения термодинамического равновесия. Подобно государственным границам на политической карте, линии на диаграмме железо—углерод разделяют области существования различных фаз. Например, ломаная линия ABCD на диаграмме состояния железо—углерод ограничивает снизу область, где существует только жидкий расплав. Ломаная линия GOSEING служит границей области, в которой в виде твердого у-раствора существует железо с кубической гранецентрированной решеткой. диаграмма дает специалисту много важной информации о поведении сплавов железо—углерод при нагреве и охлаждении. Она совершенно необходима для понимания процессов термической обработки. Сегодня металлурги имеют в своем распоряжении более сложные диаграммы, которые позволяют судить о превращениях в легированной стали и устанавливать наилучшие режимы термической обработки. Но начало всему было положено диаграммой состояния железо—углерод. Именно она служит основой и исходной точкой современного развития теории и технологии железных материалов. Начиная с конца прошлого века ученые и инженеры, теоретики и практики достигли больших успехов в разработке новых сталей и чугунов. Заслуги уже упоминавшегося Альфреда Ледебура и англичанина У. Робертса-Остена (в старой русской и немецкой транскрипции—Аустен) отмечены тем, что их именами названы структурные составляющие в сплавах железо—углерод. Это ледебурит (эвтектика железа с углеродом, выделяющаяся из жидкого сплава) и аустенит (твердый у-раствор углерода в железе с кубической гранецентрированной решеткой). Подобной чести вполне заслужили и многие другие исследователи, но на их долю не хватило структурных составляющих в сплаве.

Заканчивая описание диаграммы железо—углерод, следует отметить, что ее часто изображают двумя типами линий, причем пунктирные линии отражают поведение так называемой стабильной системы железо—графит, а сплошные—поведение метастабильной системы железо—цементит. Для сталей практическое значение имеет только вторая система.

Если раскаленную докрасна сталь погрузить в воду, то она станет гораздо прочнее и тверже. Это и есть закалка—давно известный и широко применяемый способ термической обработки стали. Правда, закалке поддается не каждая сталь. Если в стали слишком мало углерода (меньше 0,2%), то ее твердость в результате закалки возрастает лишь незначительно.

Что же, собственно, происходит в металле при закалке? Этого металлурги долгое время не знали. Рецепты передавались из поколения в поколение под строжайшим секретом, как некое «колдовское зелье». Не обходилось и без курьезов. Например, еще в прошлом веке специальное наливное судно доставляло воду из Шеффилда—прославленного английского центра сталеплавильного производства—через океан в Америку. Заказчики полагали, что высокое качество шеффилдской стали объясняется водой, которую используют для ее закалки. Впрочем, такое предположение не лишено оснований: качество стали в первую очередь зависит от ее состава, особенно от содержания углерода, но жидкость, в которой производят закалку, тоже оказывает определенное влияние, хотя и не решающее, как полагали американские предприниматели, стремившиеся составить конкуренцию шеффилдским сталеварам.

Одна из особенностей железа заключается в том, что кубическая объемно-центрированная решетка а-железа при нагреве превращается в кубическую гранецентрированную решетку у-железа. Для чистого железа температура, при которой происходит превращение, составляет 911°С. Если же к железу добавить углерод, то в таком сплаве превращение в у-железо начинается уже при 723° С1. линия GOSE на диаграмме железо—углерод определяет температуру конца превращения. Если а-железо способно растворить в себе не более 0,02% углерода, то в у-железе концентрация растворенного углерода может достигать 2%. Когда сталь нагрета до такой высокой температуры, при которой она состоит только из у-кристаллов (т. е. аустенита), углерод в ней целиком переходит в твердый раствор. При последующем медленном охлаждении растворимость углерода в железе уменьшается, и он, выделяясь из твердого раствора, вступает в химическую связь с частью железа и образует цементит. Если же сталь охладить очень быстро, например закалить в воде, то углерод не успевает выделиться и остается в пересыщенном твердом растворе. Но в кристаллической решетке а-железа (т.е. феррита) для него не хватает места, поэтому элементарные ячейки решетки феррита несколько растягиваются в одном направлении, превращаясь из кубиков в прямоугольные призмы с квадратным основанием. Металлографический микроскоп позволяет отчетливо наблюдать существенные различия в структурах закаленной и медленно охлажденной сталей. В закаленной стали вместо ферритно-цементитной смеси образуется новая структурная составляющая. Она названа мартенситом по имени немецкого металловеда А. Мартенса (1850—1914).