§ 38. Макро- и микроструктура металлов и сварных соединений

Железо, а также сплавы на его основе, в том числе и сталь, являются кристаллическими телами. В каждом кристаллическом теле атомы занимают определенное положение, образуя кристаллическую решетку.

Железо имеет две кристаллические решетки. Это свойство полиморфизма железа определяет многие практические данные свойства сплавов железа.

Полиморфизмом называется способность простых и сложных веществ в зависимости от условий кристаллизоваться в различных формах. Железо в зависимости от температуры имеет следующие решетки:

до t = 911°С - объемно-центрированного куба (а-железо);

от t = 911°С до t = 1392°С - гранецентрированного куба (у-железо);

от t = 1392°С до t = 1536°С (температура плавления) - объемно-центрированного куба (δ-железо).

Взаимодействие углерода и других компонентов с модификациями железа приводит к образованию различных структур. Твердый раствор углерода и других легирующих компонентов в у-железе называют аустенитом. Сталь, имеющую аустенитовую микроструктуру, называют аустенитной. Твердый раствор углерода и других легирующих компонентов в а и 5-железе называют а-ферритом и 5-ферритом. Сталь, имеющую ферритную микроструктуру, называют ферритной. Химическое соединение углерода с железом называют цементитом (карбит железа - Fe₃C). Механическую смесь феррита и цементита называют перлитом. Сталь, имеющую перлитную микроструктуру, называют перлитной. Если в стали увеличено содержание перлита, следовательно, увеличено и содержание углерода, что в свою очередь повышает прочность, снижая пластичность стали.

Феррит при температуре 723°С в твердом растворе может содержать до 0,02 % С, а при комнатной температуре только 0,006 % С. Твердость и механические свойства феррита зависят от наличия и количества элементов, находящихся в феррите. Наибольшее влияние на его свойства в углеродистых сталях и чугуне оказывают кремний и фосфор. Чистый феррит имеет твердость порядка НВ 60.

Цементит - химические соединения углерода с железом Fe₃C. Цементит имеет сложную решетку. Цементит до температуры 210°С ферромагнитен и, обладая весьма высокой твердостью (НВ>800), отличается большой хрупкостью. Растворение в цементите марганца, хрома и других карбидо-образователей увеличивает его твердость.

Первичная кристаллизация низко углеродистой стали происходит при температуре 1500- 1520 °С, при которой перемещение атомов железа в жидкой фазе становится несколько затрудненным из-за уменьшения числа пустых узлов и полостей жидкой фазы, в результате чего возникают длительные задержки, достаточные для того, чтобы вокруг задержанного атома сгруппировалось соединение, являющееся очагом или зародышем кристаллизации.

Примеси в сталях можно разбить на две группы: полезные (Cr, Ni, Мn, Si, V, С) и вредные (Н, N, S, О, Р).

Углерод повышает прочность, а в виде Fe₃C делает сталь хрупкой. Si образует с кислородом тугоплавкие силикаты, являющиеся центрами кристаллизации, уменьшающими величину зерна.

Металл, имеющий мелкую структуру (мелкие зерна), является более прочным и пластичным, чем металл с более крупной структурой. Si повышает механические свойства, но при его содержании около 1% коррозионные свойства стали понижаются.

Мn образует простые Мn₃С и смешанные (MnFe)₃C карбиды и легко растворяется как в феррите, так и в цементите, упрочняя их прослойки и являясь ценной легирующей добавкой, повышающей прочность и вязкость (Мn = 1 + 1,5 %). При более высоком содержании Мn сталь приобретает хрупкость.

Сг улучшает вязкость и коррозионную стойкость стали. Сг хорошо растворяется в феррите. Хорошо также растворяются в феррите Mo, Ni, W, V.

Вредными примесями являются: О, S, Р, N, Н. Кислород образует закись железа FeO, растворяющуюся в железе, нарушая целостность и снижая механические свойства. Азот образует с железом нитриды, которые расщепляют и блокируют зерна феррита, вследствие чего сталь становится малопластичной и весьма хрупкой. Азот способствует старению стали, но делает сталь более прочной и износоустойчивой.

Сера образует FeS - сульфид железа. Наличие серы способствует образованию горячих трещин. Вредное действие серы нейтрализуется марганцем, который с серой образует тугоплавкое соединение MnS. Фосфор образует нестойкий раствор с ферритом и вызывает сильный рост зерна. Фосфор повышает коррозионные свойства стали. Температура, при которой сталь приобретает хрупкость, носит название порога хладноломкости. При пониженных температурах развивается хрупкость стали.

Для оценки качества сварного соединения исследуют его макро- и микроструктуру. Для определения макроструктуры сварного соединения по его поперечному сечению вырезается образец, поверхность которого проходит травление. После травления на поверхности шва выступают его слои. Дефекты в шве (поры, трещины, неметаллические включения) видны, как правило, без лупы. На этом же образце под микроскопом рассматривают его микроструктуру при 100-кратном и более увеличениях. Чем мельче микроструктура, тем лучше качество сварного шва.

Исследование макро- и микроструктуры сварных швов производится в том случае, если оно оговорено в технических условиях на сборку и сварку того или иного изделия.