Перлитный класс стали: описание, марки, сварка

Согласно принятой терминологии классификацию сталей перлитного класса рекомендуется производить по проценту углерода, который имеется в них. При условии равновесности микроструктуры (имеется в виду медленное охлаждение, которое исключает образование цементита Fe₃C) различают стали:

1. Доэвтектоидные
2. Эвтектоидные
3. Заэвтектоидные.

Как уже отмечалось, доэвтектоидные стали содержат не выше 0,6% углерода, а заэвтектоидные - более 0,6…0,8%. В доэвтектоидных сталях равновесная микроструктура при комнатной температуре состоит из феррита и перлита; этот феррит называется доэвтектоидным ферритом. Охлаждение от аустенита (в области от 875°C до 775°C) и дальнейшее охлаждение до комнатной температуры даёт микроструктуру, состоящую из доэвтектоидного феррита и перлита (изотермическое превращение происходит при 727°C, когда аустенит достигает эвтектоидного состава).

Когда температура становится ниже линии эвтектоида (727°C), весь аустенит превращается в перлит, при этом практически не происходит никаких изменений в структуре доэвтектоидного феррита, полученной во время охлаждения. Проэвтектоидный феррит присутствует в виде непрерывной матричной фазы, окружающей изолированные колонии перлита. Феррит также присутствует в перлите, он известен как эвтектоидный феррит, который на микрофотографиях кажется белым. Тёмный вид перлита объясняется узостью состава присутствующих в нём микрокомпонентов.

Сталь, содержащая 0,8% C, известна как эвтектоидная. Равновесная микроструктура, полученная при комнатной температуре, представляет собой перлит, который, в свою очередь, является смесью феррита и цементита. Феррит - очень мягкий, а цементит - очень твердый компонент стали. Такая микроструктура получается путём равновесного охлаждения от 800°C и имеет пластинчатую структуру.

Толстые слои в зерне перлита представляют собой фазу феррита, а фаза цементита выглядит как тонкие тёмные пластинки.

Перлит имеет свойства, промежуточные между мягким пластичным ферритом и твердым хрупким цементитом. В заэвтектоидной стали равновесная микроструктура при комнатной температуре содержит доэвтектоидный цементит и перлит. Основное отличие от доэвтектоидной структуры состоит в том, что наблюдается непрерывная сеть цементита, которая разделяет каждую перлитную колонию. По мере увеличения содержания углерода толщина цементитной сетки увеличивается.

Процесс производства

Оптимизация производства сталей перлитного класса связана с поиском наилучших сочетаний легирующих элементов: их, как известно, не должно быть много, поэтому исследования отличаются тщательностью.

В частности, для улучшения прокатки регулируют предельный процент ванадия и кремния ванадия и кремния – элементов, повышающих эксплуатационные показатели данных сталей.

Результаты механических испытаний показывают, что подобные легирующие добавки благоприятно влияют на механические свойства сталей, особенно тех, что касаются прочности на разрыв. Кремний упрочняет перлит, в основном за счет твердорастворного упрочнения ферритной фазы. Ванадий увеличивает прочность перлита, в основном за счет дисперсионного упрочнения перлитного феррита. При добавлении по отдельности эти элементы обеспечивают относительно большее упрочнение при более высоких температурах превращения. При добавлении в комбинации (ванадий+кремний) поведение отличается, и достигается существенное увеличение прочности при всех исследованных температурах превращения (от 550°C до 650°C).

Особенности сварки

Сварка перлитных сталей, независимо от способа, обычно не встречает никаких сложностей. При сварке происходит локальное плавление, повторное затвердевание и последующее охлаждение до комнатной температуры.

Микроструктура в зоне термического влияния включает центральную область расплава с аустенитом, который получен путём локального нагрева перлита. При условии, что сварной шов достаточно медленно охлаждается до комнатной температуры, в области сварного шва образуется перлит. Он может иметь другой размер зерна, чем исходный материал, но будет обладать аналогичными свойствами. При повышенной скорости охлаждения равновесный фазовый переход не происходит, поэтому в зоне расплава из аустенита образуется мартенсит. В результате сварной шов становится твёрдым и хрупким, что для механического соединения деталей нежелательно. Чтобы избежать этой ситуации, обычно уменьшают скорость охлаждения или подвергают сварной шов термообработке (отпуску).

Сферы применения

Стали перлитного класса в исходном состоянии хорошо обрабатываются методами обработки резанием, поэтому применяются в качестве распространённых конструкционных материалов, в том числе, изготавливаемых штамповкой и сваркой.

При необходимости повышения прочностных свойств проводится термообработка, которая заключается в закалке с последующим низким отпуском. Она выполняется преимущественно в масло, что позволяет наиболее полно произвести аустенитное превращение.

В настоящее время перлитные стали являются самыми прочными и в то же время пластичными материалами. Однако не рекомендуется применять их для изготовления продукции, работающей в условиях высоких температур, поскольку жаропрочность перлитных сталей невысока.