Как микроструктура металла (феррит, перлит, бейнит) влияет на его свойства

При обработке углеродистых сталей внимание уделяется их микроструктуре, поскольку именно она определяет конечные эксплуатационные характеристики. Структурные составляющие формируются в зависимости от режима охлаждения после нагрева и от содержания углерода.

Наиболее распространены феррит, перлит и бейнит, каждый из которых влияет на поведение изделия при нагрузках, истирании и в условиях температурных перепадов.

Феррит представляет собой мягкую твердую растворённую фазу на базе альфа-железа с кубической объемно-центрированной решеткой. Его удельная прочность при комнатной температуре не превышает 280–320 МПа, при этом относительное удлинение достигает 30%.

Пластичность позволяет проводить гибку, штамповку и вытяжку без опасения трещинообразования, но из-за невысокой твердости до 90 по Бринеллю такая структура не годится для силовых элементов, подверженных износу.

В холодном состоянии ферритная матрица не дает усадки при резком охлаждении, что упрощает сварку и снижает вероятность появления трещин в зоне термического влияния.

При содержании углерода свыше 0,02% и умеренной скорости охлаждения формируется перлит — чередование тонких пластин цементита и феррита. Такой пакет образуется при температуре около 727 °C. Плотность укладки пластин зависит от процентного содержания углерода: при 0,8% слои наиболее равномерны, что обеспечивает твердость до 220 HB и предел прочности порядка 700 МПа. Для штамповки и гибки допускается использовать материал с перлитной составляющей, но уже при толщине более 4 мм требуется предварительный отжиг для снижения внутренних напряжений.

Перлитные структуры предпочтительны при производстве пружин, тормозных колодок, реек, зубчатых колес, особенно если материал подвергался нормализации — нагреву до 900 °C с последующим охлаждением на воздухе.

Этот режим создает равномерную зернистость, устойчивую к образованию усталостных трещин. При контроле размеров перлитных колоний опираются на стандарты, прописанные в ГОСТ 8233, где регламентированы показатели межпластинчатого расстояния в диапазоне 0,3–0,8 мкм в зависимости от назначения изделия.

При более интенсивном охлаждении, в интервале 300–500 °C, наблюдается формирование бейнита. Это структура, содержащая избыточный углерод, не успевший выделиться в виде цементита, и характерна повышенной прочностью, достигающей 1100 МПа, при твердости до 350 HB.

При этом ударная вязкость бейнита на порядок выше, чем у мартенсита, поэтому его используют в тех случаях, где важна одновременно стойкость к износу и способность выдерживать ударные нагрузки. В трансмиссионных валах и элементах подвески бейнитная основа позволяет увеличить ресурс до 40% по сравнению с перлитом при сохранении прочностных параметров.

Выбор типа структуры зависит от толщины сечения и теплопроводности материала. Для деталей до 15 мм, при желании получить бейнит, охлаждение ведут в расплавленной селитре или соляной ванне, поддерживая температуру около 400 °C в течение 5–15 минут. Такой режим требует контроля толщины слоя, так как перегрев или недогрев зоны существенно сказывается на равномерности. При большей толщине используется ступенчатое охлаждение с задержкой в масляной ванне, затем — воздушное дожигание остаточного тепла.

Практика показывает, что даже в рамках одной отливки может наблюдаться чередование структур, что связано с разной скоростью остывания у края и в середине. В таких случаях проводят зональную термообработку — прогрев проблемных участков и выравнивание по всей длине. Специалисты при сборке шестерён и корпусов редукторов, зная возможную неоднородность, применяют фрезеровку с припуском на термическое искажение и последующий шлифовальный проход.

Для отливок из стали 45 с толщиной стенки от 10 до 30 мм достигается перлитно-ферритная структура при охлаждении со скоростью 10–15 °C в минуту. При увеличении скорости до 30 °C в минуту появляется участок бейнита. Такая конфигурация допустима для рабочих цилиндров и ступеней прессов, но при этом требования к поверхности возрастает. Для минимизации риска трещин после термической обработки применяют механическую зачистку переходных зон.

При наплавке участков конструкций, подверженных циклическим нагрузкам, рекомендуется избегать ферритного слоя между основой и сварным валиком. Он снижает предел выносливости соединения. Для его исключения применяют предварительный подогрев до 150–200 °C, выдержку не менее 30 минут и переход к электродам с низким содержанием водорода.

Формирование требуемой микроструктуры возможно только при строгом соблюдении режимов, поэтому рабочие параметры должны соответствовать справочным таблицам, где указываются температуры закалки, отжига и отпуска. Так, для получения бейнита в стали 40Х используется нагрев до 840 °C с последующим выдерживанием при 400 °C в течение 30 минут, затем охлаждение на воздухе. Это обеспечивает равномерную структуру с хорошим сочетанием твердости и вязкости.

При необходимости повышения износостойкости и сопротивления контактному напряжению целесообразно формировать мелкодисперсный бейнит. Для этого применяют изотермическую закалку в соли с точным контролем времени выдержки. Допуск на колебания не превышает ±10 секунд, особенно при производстве кулачков, зубчатых колес и шарниров, где отклонение приводит к неравномерному распределению нагрузок.

В случае, если требуется обработка резанием, предпочтение отдают стали с перлитной или ферритно-перлитной составляющей. Такие материалы обеспечивают предсказуемое поведение при фрезеровании, сверлении и точении, не вызывая чрезмерного износа инструмента. При твердости до 200 HB применяют быстрорежущую сталь Р6М5, выше — твердосплавные пластины с покрытием TiAlN.

Резюмируя параметры, можно указать: феррит применим при невысоких нагрузках и простых деталях, где важна деформируемость. Перлит предпочтителен в элементах, испытывающих умеренное давление и знакопеременные усилия. Бейнит эффективен в зонах повышенного трения и в деталях, где требуется долгий срок службы без деформации и разрушения.