Каждый металл, в том числе и сталь, состоит из очень мелких частичек,
называемых зернами. Зерна металла можно наблюдать на его изломе. Еще
лучше зерна будут видны, если из-металла вырезать небольшой кусочек,
изготовить из него специальный образец-пластинку (так называемый шлиф) и
рассмотреть этот образец под микроскопом. Микроскоп поможет нам ясно
увидеть, что металл действительно состоит из зерен. Зернистое строение
данного металла называется его структурой.
Зерна могут различаться между собой по величине и форме. В одном куске
металла зерна будут крупные, в другом мелкие, в третьем неоднородные
(смешанные), в четвертом они будут вытянуты в каком-либо направлении и
т. п.
Величина и форма зерен любого металла не являются постоянными. Они
изменяются в зависимости от его тепловой и механической обработки. В
литом металле зерна чаще всего бывают крупные, в кованом они значительно
мельче. В процессе прокатки или ковки зерна могут вытягиваться в
направлении вдоль прокатки или ковки и одновременно суживаться в
направлении поперек прокатки или ковки.
Но помимо простых зерен железа феррита и зерен цементита в структуре
стали имеются еще комбинированные (сложные) зерна, представляющие собой
зерна феррита, внутри которых в виде длинных узких пластинок находятся
маленькие зернышки цементита. Такие сложные комбинированные зерна
называются зернами перлита.
Из описания перлита следует, что его зерна не однородны, а представляют
собой механическую смесь феррита и цементита. Особенность этой
механической смеси в том, что соотношение между количеством феррита и
количеством цементита в перлите совершенно определенное. В перлите
содержится 86,5%; феррита и 13,5% цементита. Если это соотношение
пересчитать на с держание углерода, то, зная содержание в цементите
углерода, можно вычислить, что в перлите содержится 0,9% углерода (по
последним данным 0,83%).
Таким образом, при температуре не выше 720° в углеродистых сталях,
находящихся в отожженном состоянии, могут быть зерна только трех типов:
зерна феррита, зерна цементита и зерна перлита.
Одновременно в одной какой-либо определенной стали могут быть следующие
комбинации (сочетания) зерен: 1) зерна феррита и перлита; 2) только
зерна перлита; 3) зерна перлита и цементита. Наличие того или иного
сочетания зерен в стали зависит от процентного содержания в ней
углерода. Структура всех углеродистых сталей, содержащих меньше 0,9%
углерода, т. е. сталей марок Ст. О, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5,
Ст. 6, Ст. 7; 0,8, 10, 15, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60,65; У7, У7А,
У8, У8А; У8Г и У8ГА, находящихся в отожженном состоянии, при нормальной
температуре состоит из зерен феррита и зерен перлита. При этом чем
больше в стали углерода, тем больше в ней зерен перлита и, наоборот, тем
меньше зерен феррита. Стали этой группы называются доэвтектоидными
сталями.
Структура стали марки У9, содержащей 0,9% углерода, состоит в отожженном
состоянии при нормальной температуре из одних только зерен перлита. Эта
сталь называется эвтектоидной сталью.
Структура сталей, содержащих больше 0,9% углерода, т. е. сталей марок
У10, У10А, У10Г, У12, У12А, У13 и У13А, состоит из зерен перлита и зерен
цементита. Зерен феррита в этих сталях нет. Такие стали называются
заэвтектоидными.
При нагреве углеродистой стали любой марки никаких изменений в ее
структуре не происходит до температуры 720°. При температуре 720° в
стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зерна
перлита превращаются в зерна аустенита. Это превращение заключается в
том, что пластинчатые зерна цементита, которые образовали как бы каркас
внутри зерна перлита, растворяются в окружающем их железе и равномерно
по нему распределяются. Получившееся из зерна перлита зерно аустенита
представляет собой уже не сложное зерно чистого железа, внутри которого
были заключены пластинчатые зерна цементита, а однородное зерно твердого
раствора углерода в железе.
Превращение зерен перлита в зерна аустенита происходит в углеродистой
стали всех марок, когда температура металла достигает 720°. Эта очень
важная для теории и практики термической обработки температура
называется нижней критической температурой.
При нагреве углеродистых сталей выше 720° зерна аустенита будут
увеличиваться, а зерна феррита уменьшаться, потому что зерна аустенита
будут постепенно поглощать зерна феррита и растворять их в себе.
Наконец, при какой-то температуре зерен феррита не останется вовсе —
структура металла будет состоять из одних зерен аустенита. Та
температура, при которой заканчивается полностью процесс растворения
зерен феррита в зернах аустенита, называется верхней критической
температурой.
В отличие от нижней критической температуры, одинаковой для всех
углеродистых сталей, верхняя критическая температура для сталей
различных марок различна. Описанные изменения структуры углеродистых
сталей при нагреве можно представить графически в виде диаграммы
состояния «железо — углерод».
В 1868 г. русский ученый Д. К. Чернов первый указал на превращения в
стали, которые происходят при ее нагревании и охлаждении, на связь этих
превращений со структурой и механическими свойствами металла. На
основании работ Д. К. Чернова и была построена диаграмма
железоуглеродистых сплавов.