Углеродистая сталь

Мне самому интересно, почему и как всё работает именно так, как работает. Поэтому я лезу в интернет и стараюсь найти физические обоснования всяких там процессов, явлений. 

Тема сегодняшнего поста - что за сталь такая, почему, как. В основном в ключе углеродистости.

Начнём с того, что такое железо. Это такой популярный элемент. Металл, и он неплохо подходит для создания инструментов.

Говорят, первые железные изделия делали приблизительно за 4000 лет до н.э., а руда была из метеорита. Возможно, тогда люди не особо соображали, что надо рыть землю в поисках минералов, а метеорит мог быть более-менее на поверхности и легко доступен.

1000 лет до н.э. железо плавили уже много где. Не везде одновременно, в Индии это было примерно 1200 лет до н.э. в других местах могло быть и 600 лет до н.э. В момент, когда люди осваивают плавку железа, считается, что для этой цивилизации наступил "железный век". Технологии развивались, но всё равно состав сплавов был не очень (по современным меркам): внутрь попадало не совсем контролируемое количество углерода, и других примесей. У всех были свои методики, свои секреты. Сталь была нужна, важна. Кузнецы же были весьма в почете - об этом говорит популярность фамилии "Кузнецов" (или Smith если в английском варианте, или Schmidt в немецком, Ferrari/Ferraro/Ferreiro - в итальянском, Herrero - в испанском, Ковалев в белорусском и русском, Ковач/Ковачев/Ковачич - в сербской группе языков, Ковальчук/Коваленко - в украинском, Ковальчук/Ковальски - в Польском, Fevre/Lefevre - в французском).

Не то, чтобы кузнецов было сильно много среди популяции людей, но они неплохо жили, могли успешно вырастить, прокормить детей и распространять фамилию.

Так вот, в районе 1850 года уже нашей эры придумали как лучше лить чугун и сталь, лучше контролировать процесс, меньше тратить энергии. Ну и здорово помогло, что металлурги разобрались что за коксующийся уголь такой и как он хорош в сталелитейке. А он хорош, потому что в нём малое содержание золы, большое - собственно углерода. Ну там ещё и образующийся в процессе монооксид углерода не давал сильно окисляться железу...

Затянул с исторической справкой, я не про это. А про то, что нормальную сталь люди делают не так давно. 200 лет нет ещё. Ну и собственно слово "сталь" используют для обозначения сплава железа и углерода с этого времени. Технически, чугун тоже сплав железа и углерода, но в нём углерода заметно больше, и ЭТО ДРУГОЕ. Всё древнее железо было зачастую как раз чугуном.

И по прежнему составы, технологии, обработка - это ноу-хау больших металлургических концернов. Ну и патенты ещё. 

Сегодня речь пойдет про углерод в стали. Зачем он там нужен. Понятно, что изначально попал он туда случайно: плавили с помощью угля, уголь - это углерод и он неизбежно попадал в расплав. Сейчас этот процесс контролируется хорошо. И делаются стали с разным содержанием углерода (от низко углеродных до высоко углеродных): от 0.1% до 1.5% (это по весу). Если углерода больше 2.5% - это называется чугуном. И это тоже не с проста, потому что структура чугуна не такая как у стали.

Что не так с чистым железом. Оно слишком пластичное. Что такое пластичность - это когда мы давим на предмет, а он меняет форму. В случае с кристаллической структурой, как железо, казалось бы не должно такое происходить, но железо может образовывать различные кристаллические структуры внутри одного куска - различно ориентированные зёрна из кристаллов. А так же эти кристаллические структуры бывают с нарушениями, "дефектами". И мы можем давить на кусок железа, а его атомы будут перескакивать с одного места в кристалле на другое. А когда мы перестанем давить, то может быть эти атомы вернутся на место, а может и нет.

Способы борьбы с этим явлением следующие:

- убрать все нарушения/дефекты (фактически невыполнимая задача)

- сдвинуть все возможные сдвиги атомов, чтобы они уже улеглись и больше никуда не двигались. По-русски это завётся "наклеп" (вроде так?), по-английски - work hardening - "упрочнение трудом". Бьем молотком, прокатываем, прессуем - вот это вот всё - это чтобы дефекты кристаллической решетки вышли наружу. Но этим тоже не все дефекты получится выдавить.

- добавить что-то в кристаллическую структуру, чтобы атомы не скакали туда-сюда. И популярным решением стало добавить немного углерода.

Как же работает добавка углерода к железу? Присмотримся к кристаллической решетке железа. Это бывают кубики с атомом в середине, или кубики с дополнительными атомами в стенках (см на рисунки). С атомом в середине кубика - это феррит. с атомами в стенках - это аустенит. Аустенит более плотный, чем феррит. Феррит более плотный, чем просто кубик без атомов в середине... но железо такую структуру простого кубика не создает.

Феррит получается при нагреве не больше 723 градусов, а аустенит, соответственно при большем нагреве. Феррит практически не может куда-то принять (растворить в себе) углерод, потому что расстояние между атомами железа не велико. Аустенит - это более растянутый что ли кубик, и в него может поместиться до 2% углерода. Это по весу, а если смотреть по количеству атомов - то это 1 углерод на каждые 5 атомов железа (Это при максимальном нагреве до 1130 градусов). То есть два углеродика на один кубик аустенита.

Ещё можно прикинуть, что у этих структур различная плотность. Простой кубик имеет плотность порядка 52% (то есть в нём 48% - межатомной пустоты), кубик с атомом в центре - 68%. А кубик с атомами в стенках - 74%, да к тому же туда можно набить ещё и углерод, повысив общую плотность материала.

В таком виде, у нас уже более прочный сплав, но люди уже давно смекнули, что можно нагреть как следует металлическое изделие, а потом его резко охладить. Произвести ЗАКАЛКУ. И это работает ещё лучше, чем просто добавить углерод.

Как это работает: мы нагрели железо, получили аустенит, растворили в нём углерод. А потом взяли и резко охладили. И тут происходит ещё одна магия - у нас получается мартенсит!

Что произошло? произошла рекристаллизация, наш кубик (два кубика) аустенита по двум осям стал короче, а по одной оси - заметно длиннее. Да ещё и запер внутри себя атомы углерода. На картинках: два кристалла аустенита, стоящие рядом, при охлаждении создают внутри себя другой кристалл, с активным участием углерода.

Не совсем до конца понятно, почему он такой твёрдый и устойчивый к сдвигу атомов. Это и его форма, с меньшим количеством степеней свободы, и может быть связи между атомами железа и углерода другие. Но получилась крепкая, плотная структура, внутри кристалла атомы уже очень тяжело сдвинуть, да и между собой кристаллы образуют линзовидные структуры (которые на фото выглядят как иголки, потому что мы смотрим на них сбоку). Они направлены в разные стороны и держат друг друга. Обычно не весь аустенит преобразуется в мартенсит, но 10% остаточного аустенита - уже очень неплохой результат. 

Металлургия - сложное дело, поэтому иногда слишком большое количество мартенсита это даже вредит инструменту. В зависимости от других легирующих элементов, может получиться чрезмерно ржавеющая сталь, или слишком хрупкая, или с малой стойкостью (пластичного аустенита не хватает, чтобы хорошо удерживать кристаллы мартенсита, вроде как). Поэтому с каждым сплавом надо по своему обращаться, нет универсального рецепта.

Что же до чугуна, избыточное количество углерода при правильном охлаждении создает в нем чешуйки графита, которые хорошо держат железо между собой. Он очень хорошо устойчив к сжатию, поэтому его часто используют как основание для станков. Но он довольно хрупкий, и очень неустойчив на растяжение. Так же он становится твёрже при нагреве, поэтому сварка чугуна - та ещё затея, зато получаются хорошие сковородки!

Так, почему делают стали с разной углеродистостью? Потому что высокое количество углерода - большое количество мартенсита - делает изделие очень твёрдым. Но одновременно с этим и хрупким. Иногда и менее износостойким. В разных случаях нужны разные свойства, поэтому делают разное содержание углерода. У пружины и резца - совсем разные требования к материалу.

Что у нас с коррозийной стойкостью, о которой часто говорят в контексте высокоуглеродистых сталей?

Всё очень плохо. Большое количество мартенсита создаёт пористую структуру. Каждая такая "иголка" может быть более или менее электрически заряжена, относительно ближайших других "иголок". Как только появляется влага в воздухе вокруг, она может способствовать переходу электрона с атома железа на другую "иглу", оставшийся без электрона атом становится ионом, присоединяет к себе атом кислорода из воздуха - так появляется оксид железа. Или ржавчина.

Более гладкие структуры стали менее подвержены ржавлению. А вообще к стали добавляют другие металлы, для устойчивости к окислению. Тот же хром, но это уже совсем другая история.

Выводы

1. Чем больше у нас углерода в стали, тем больше там мартенсита можно вырастить и более твердую штуку получить.
2. Если мы нагреем нож слишком сильно, выше температуры рекристаллизации, то можно превратить мартенсит ( скорее всего не весь. но всё же) обратно в аустенит. и таким образом потерять в твёрдости. Поэтому бросать нож в костер - плохая идея.
3. Углеродистые стали обычно сильно ржавеют, за такими изделиями надо следить в этом плане. Протирать от влаги, хранить в сухом месте, желательно ещё покрывать маслом при хранении