Внутреннее строение стали

А. ЖУРАВСКИЙ

Сталь в нашем великом строительстве играет исключительно важную роль. Из нее мы делаем станки для всевозможных отраслей промышленности, стальные тракторы пашут наши необъятные поля, стальные ножи косилок и комбайнов снимают урожай, стальные паровозы по стальным рельсам доставляют эти товары и продукты во все районы Союза. А в случае надобности эту же сталь мы употребим и на защиту страны.

Стальные инструменты, которыми мы работаем, до их выпуска закаливают, и эта закалка придает им твердость. Если же инструмент слишком тверд настолько, что при работе начинает крошиться, то его немного нагревают или, как говорят, «отпускают». После этого инструмент приобретает нужную вязкость и эластичность, переставая крошиться. Как во время закалки, так и во время отпуска внутри стали происходят весьма интересные изменения ее внутреннего строения. Когда мы проникаем вглубь этих изменений, то познаем внутреннее строение стали и понимаем сущность закалки и отпуска.

В промышленности больше всего распространена углеродистая сталь, которая в основном состоит из железа с примесями углерода от 0,1 до 1,5%, а также из небольшого количества марганца, кремния и других примесей. В зависимости от процента углерода, сталь делится на мягкую, средней твердости и твердую. Из мягкой стали (от 0,1 до 0,3% углерода) делаются главным образом части машин и станков, строительные балки, сортовое и листовое железо. Из стали средней твердости (от 0,3 до 0,7%) прокатывают железнодорожные рельсы, изготовляют серпы, ножи и некоторые инструменты. Из более твердой стали делают стамески, сабельные клинки, напильники, бритвы, резцы, граверные и другие твердые инструменты.

Резцу, выкованному из твердой углеродистой стали, можно опиловкой его напильником придать любую требуемую форму, но после закалки тот же самый резец обрабатывать напильником уже нельзя; резец стал таким твердым, что напильник его не берет. А эта твердость, вызванная закалкой, сопровождалась не только внешними, но прежде всего внутренними изменениями в куске стали.

При изучении внутреннего строения стали основной наш помощник — микроскоп. Для того чтобы рассмотреть под микроскопом внутреннюю структуру стали, изготовляют из маленького кусочка этой стали «шлиф». Кусочек стали полируется так тщательно, пока его поверхность не станет зеркальной. Отполированную поверхность смазывают раствором кислоты, протравливают и после этого рассматривают под микроскопом. К такому металлографическому микроскопу приспособлен фотоаппарат, который и дает фотографии шлифа при различных увеличениях.

Кусочек отшлифованной стали рассматривают под микроскопом и делают фотоснимок. На таком кусочке — "шлифе"— из мягкой стали ясно видны белые пятна, — более мягкие части стали

Шлиф, изображенный на нашем снимке, был изготовлен из мягкой стали с содержанием углерода 0,22%. Если мы возьмем острую иглу и поцарапаем по шлифу, то заметим, что в тех местах, где шлиф имеет белые пятна, игла оставляет царапины, а темные места — это настолько твердые участки, что игла только скользит по ним. Исследования показали нам, что сталь состоит из отдельных веществ, смешанных между собой так, как например, в бетоне гравий смешан с песком и цементом. Белые места, видимые под микроскопом, — это чистое мягкое железо, и оно легко царапается иглой. В металлографии, изучающей строение металлов, эта составляющая часть называется ферритом (железо по-латыни — «феррум»). Твердые составляющие, кажущиеся на снимке черными, состоят из особого весьма твердого вещества, называемого перлитом. Если эти темные места рассмотрим при еще большем увеличении, то увидим, что они состоят из пластинок феррита и пластинок цементита. Такая составляющая в стали называется пластинчатым перлитом.

На снимке изображена сталь в виде пластинчатого перлита. Кусочек стали состоит из пластинок мягкого чистого железа, в которые включены пластинки твердого цементита

Цементит состоит из химического соединения железа с углеродом (Fe₃C). Такое соединение в химии называется «карбид железа». Карбид железа по твердости немного уступает алмазу, а алмаз самое твердое вещество.

Следовательно, взятый нами кусочек стали состоит из мягкого чистого железа, в массе которого разбросаны отдельными включениями зерна пластинчатого перлита. Если бы мы захотели изобразить это строение в виде какой-либо модели, то мы могли взять воск и в него вмять камешки. Воск изображал бы у нас феррит стали, а камешки — зерна перлита, состоящие из пластинок цементита и пластинок того же самого феррита.

Но в строении незакаленной стали есть еще одна особенность, на которую необходимо обратить внимание. Если мы сломаем стальной слиток, то в изломе даже простым глазом заметим грани кристаллов, а излом стали будет похож на спрессованные зерна. Эти зерна при внимательном изучении под микроскопом представляют собой правильные, похожие друг на друга кристаллы, вроде кристаллов горных пород. Особенно хорошо заметны кристаллы стали в слитках в том месте, где образуется усадочная раковина (пустота, образовавшаяся при остывании). Кристаллы здесь настолько хорошо видны, что простым глазом мы видим целые друзы (группы кристаллов). Таким образом исследования показали, что металлы состоят из кристаллов.

Изучая мельчайший кристаллик поваренной соли, представляющий собой кубик, ученые нашли, что в этом кубике в строгом порядке расположены атомы натрия и хлора. Все атомы расположены симметрично, и часть их составляет как бы параллельные плоскости. По этим плоскостям раскалываются кристаллы при дроблении и эти плоскости называются плоскостями скалывания или плоскостями спайности.

Так расположены атомы в кристаллике поваренной соли

Железо также кристаллизуется в виде кубических кристаллов, но при перемене температур атомы железа в кубиках меняют расположение. В кусочке холодного железа атомы расположены так, что в каждом углу кубика находится по атому и один атом расположен в самом центре кубика. Таким образом в одном кубике находится всего девять атомов и такое расположение называется «центрированным кубом». Наглядно это расположение атомов можно представить в виде кубической комнаты, у которой в каждом углу, на полу и на потолке большие круглые лампы, а одна лампа — люстра — занимает самый центр комнаты.

В кусочке холодного железа атомы располагаются в углах кубика. Один атом в центре

Атомы не составляют сплошную однородную массу, заполняющую весь кубик, а между ними образуются свободные пространства. Просвечивание металлов х-лучами дало возможность не только определить расположение атомов в кубике кристалла, но и высчитать расстояние между атомами. Понятно, эти расстояния составляют ничтожные доли микрона.

Кристаллическую структуру железа можно, следовательно, рассматривать как пространственную решетку из кубиков, в узлах ее находятся атомы железа и по одному атому в центре куба. Все атомы расположены симметрично, а решетка состоит из параллельных плоскостей на одинаковом расстоянии друг от друга. В центрированном кубе находится 9 атомов, а потому такая система пространственной решетки названа девятиатомной.

Пространственная решетка железа, состоящая из кубиков

Но у железа есть весьма интересная особенность. Если мы нагреем кусок железа до 906°, то расположение атомов в пространственной решетке резко изменится. Атомы в кубе расположатся так, что кроме углов в центре каждой грани тоже поместится атом, зато из центра атом уйдет и в кубе будет уже не девять, а четырнадцать атомов (четырнадцатиатомная система). Такое расположение будет кубом с центрированными гранями. В это время происходит аллотропическое изменение железа (т. е. изменение его физических и химических свойств) и оно приобретает новые свойства (например при падении температуры ниже 20° олово станет хрупким и рассыпется в порошок — в этом его аллотропические свойства).

При нагревании железа атомы меняют свои места. Вместо девяти получается четырнадцать атомов. Они располагаются в центре каждой грани, по углам, а центровой атом уходит

При нагревании железо претерпевает всего четыре аллотропических видоизменения, при которых меняются его свойства, хотя атомы в пространственной решетке меняются за это время всего два раза.

Если мы возьмем железо и начнем его нагревать, все время точно измеряя температуру, то заметим, следующее явление. Когда температура нагреваемого куска достигнет 768°, то некоторое время, несмотря на нагревание, температура самого железа не будет повышаться. Произойдет как бы остановка в повышении температуры, а затем, спустя некоторое время, температура снова начнет подниматься до 906°. На этой температуре —  новая остановка в повышении, хотя нагревание идет.

При этой остановке и произойдет большая перестройка, перегруппировка атомов. Из девятиатомной решетки атомы перестроятся в четырнадцатиатомную. На эту перестройку потребуется энергия. Вот почему не повышается температура, так как поступающая теплота расходуется на перемещение атомов. Они, атомы, при этом уплотняются, происходит нечто подобное заводу пружины в часах. Тепловая энергия при этом превращается в скрытую теплоту, которая выделяется при охлаждении во время обратной перестройки атомов из четырнадцатиатомной решетки в девятиатомную. При  дальнейшем нагревании железа снова при температуре 1401° произойдет остановка и новая перестройка четырнадцатиатомной решетки в девятиатомную и наконец при дальнейшем нагревании до 1526° мы снова заметим остановку, при которой железо из твердого состояния перейдет в жидкое и расплавится. После того как железо полностью расплавится, мы можем нагревать его до более высокой температуры.

Теперь будем охлаждать расплавленное железо и снова заметим остановки. Когда расплавленное железо охладится до температуры 1580°, то несмотря на охлаждение, некоторое время температура будет держаться одна и та же (1528°). Причина в том, что скрытая теплота плавления снова освобождается и нагревает металл, поддерживая температуру. При дальнейшем охлаждении до 1401° мы заметим новую остановку, но охлаждая дальше, мы встретимся с новым явлением.

Мы охладим металл до 906°, но не заметим остановки, охлаждение будет продолжаться равномерно дальше, до 898°, только тут произойдет остановка и начнется перегруппировка атомов из четырнадцатиатомной решетки в девятиатомную. Такое запаздывание превращений называется гистерезисом.

Охлаждая дальше, мы заметим также остановку при 768°. Все четыре аллотропических состояния железа имеют свои особенности и обозначаются греческими буквами. Железо при температуре не выше 768° называется железо альфа, от 768 до 906° — железо бета, от 906 до 1401° — железо гамма, а выше — до точки плавления — железо дельта.

Особенности отдельных аллотропических состояний, или, как их называют, «модификаций», заключаются в различии физических свойств. Так например, железо альфа хорошо притягивается магнитом, между тем как стоит только ему перейти при нагревании в модификацию железа бета, как магнит перестает притягивать железо — оно становится немагнитным.

Электропроводность и другие свойства тоже различны при различных состояниях. Но для нас в ознакомлении с закалкой, отпуском и другими процессами особенно интересно явление цементации.

Чтобы понять процесс цементации, возьмем полоску мягкого железа, нагреем ее в кузнечном горне и быстро замочим в воде. Такую полоску мы свободно можем загнуть и сбить молотком вплотную. На месте изгиба при хорошем железе не получится ни малейшей трещины или рванины (разрыва). Теперь возьмем такую же полоску мягкого железа, положим ее в чугунную коробку и засыпем сверху и снизу мелким древесным углем. Эту коробку с засыпанной полосой мы поместим в печь, нагреем ее несколько выше 900° и продержим в печи в таком нагретом состоянии около суток. После этого достанем полоску из коробки, очистим от угля и в раскаленном состоянии быстро охладим в воде. Когда мы попробуем загибать эту полоску, то увидим, что она будет пружинить и не загнется вплотную, а сломается. Эта полоска напиталась, или, как говорят, «нацементировалась» углем, превратилась в сталь средней твердости и получила свойство закаливаться.

Если полоску мягкого железа, засыпанную древесным углем, подержат в печи, нагретой до 900°, то она превратится в сталь и сможет закаливаться. Полоска напиталась, или как говорят, "нацементировалась" углем

Здесь нам на помощь и приходит наука со своей пространственной решеткой и аллотропическими измерениями железа. Оказывается, атомы углерода могут проникать в железо только тогда, когда оно находится в модификации железа гамма и, следовательно, имеет четырнадцатиатомную решетку. При девятиатомной решетке, когда в средине кубика находится атом железа, атомы углерода не могут проникать, «диффундировать» в железо. (Способность одних веществ проникать в другие, смешиваться и стремиться выровнять концентрацию раствора называется «диффузией».)

Для более прочного запоминания этого явления можно образно представить центральный атом в кубике сторожем, не пускающим углерод. Как только атомы железа перестроятся в четырнадцатиатомную решетку, так атомы углерода начинают проникать (диффундировать) в железо и образовывать так называемый твердый раствор углерода в железе. При охлаждении, когда железо гамма начинает при температуре 898° перестраивать свою решетку в девятиатомную, то атомы углерода выходят из кубиков и образуют с отдельными атомами железа знакомое нам особое соединение — карбид железа или цементит.

Цементит строит свою пространственную решетку в виде призм. В мягкой и средней твердости стали цементит образует перлит, смешиваясь с частичками чистого железа (с ферритом). Если цементит располагается пластинками вперемежку с пластинками феррита, то образуется пластинчатый перлит, а иногда перлит выделяется в виде зернистого перлита. Таким образом когда сталь находится в холодном и не закаленном состоянии, то феррит весь имеет девятиатомную решетку и цементит-решетку в виде призм. Если же мы нагреем сталь выше 906°, то цементит распадается на отдельные атомы железа и углерода, и тогда атомы углерода снова начинают диффундировать в кубики пространственной решетки железа гамма, и образуется твердый раствор углерода в железе.

Советские заводы изготовляют теперь всевозможные стали для всех отраслей промышленности. На снимке — прокат подшипниковой стали на Запорожстали