Структура стали

Технически чистое железо характеризуются низкой прочностью и высокой пластичностью, поэтому в технике применяют сплавы железа. Сплав — вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации. Сталь – это сплав железа с углеродом, но может содержать легирующие добавки. В зависимости от способа обработки и состава, сталь может быть мягкой и пластичной или очень твердой, практически немногим уступая алмазу. В настоящее время число сплавов на основе стали превысило 10 тысяч.

При кристаллизации компоненты сплавов могут образовывать:

• твердые растворы – когда элементы сплава взаимно распространяются один в другом;
• механическую смесь, – когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов, при их полной взаимной нерастворимости;
• химическое соединение, – при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.

Структура малоуглеродистой стали

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Сталь в твердом состоянии также имеет кристаллическое строение и состоит из множества различно ориентированных кристаллов [9]. В каждом кристалле атомы расположены упорядоченно в узлах кристаллической решетки (рис. 4.1).

Для стали характерны два типа кристаллической решетки ? объёмно-центрированная (рис. 4.1,а) и гранецентрированная (рис. 4.1,б). В процессе твердения чистого железа кристаллическая решетка меняется: ? с объемно-центрированной (при температуре 1535⁰С) на гранецентрированную (при температуре 1490⁰С) и далее снова на объемно-центрированную (при температуре 910⁰С)

В присутствии углерода (при температуре 1530⁰С) образуется гранецентрированная решетка с атомами железа, расположенными в узлах решетки и атомами углерода, расположенными в центре каждой грани.

При температуре 910⁰С и ниже образуется  a - железо (феррит), а углерод превращается в перлит. Таким образом сталь является механической смесью двух основных компонентов феррита и перлита, не способных к взаимодействию между собой. Кроме того, сталь может содержать легирующие добавки, улучшающие ее свойства, но и вредные примеси. Сталь способна широко изменять свои свойства при легировании и специальной обработке (нагреве, вакуумировании и др.).

На рис. 4.2 представлена микроструктура углеродистой стали, увеличенная в 100 раз. Светлые зерна – это феррит;  темные зерна, а также прослойки – это перлит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a - железе. Феррит почти чистое железо. Углерода в феррите очень мало. Он как бы распространяется по зерну феррита (внедряется в него) в виде отдельных вкраплений.

Феррит – пластичный материал, абсолютно не прочный. В чистом виде он не может применяться в строительных конструкциях.

Перлит – механическая смесь из тонких чередующихся пластин феррита и карбида железа (цементита) (рис. 4.3).

Цементит – химическое соединение углерода с железом Fe₃C. Содержит 6,67% углерода.

Перлит очень твердый хрупкий материал – более прочный, чем феррит, но более пластичный и менее прочный, чем цементит. На рис. 4.3 представлена микроструктура зерна перлита, увеличенная в 2000 раз.

В углеродистых сталях, широко применяемых в строительстве, перлит располагается на стыках ферритных зерен и в виде вкраплений между ними (рис. 4.2).

Сталь может иметь различное соотношение количества и размеров зерен феррита и перлита. При увеличении содержания перлита сталь становится более прочной, но менее пластичной и, следовательно, более хрупкой. Например, инструментальная сталь – очень прочная и хрупкая, но не пластичная.

В строительстве применяют пластичные стали, содержащие углерода не более 0,22%.

В сталях содержащих легирующие добавки углерода мало. Прочность обеспечивают легирующие добавки. Некоторые из них находятся в твердом растворе с ферритом, упрочняя его. Некоторые образуют карбиды и упрочняют прослойки перлита.