Структура стали
Сталь, как и большинство металлов, затвердевающих в более или менее нормальных условиях, имеет кристаллическую структуру. Это означает, что составляющие каждый отдельный кристалл атомы расположены в определенной периодической последовательности друг относительно друга, образуя симметричную пространственную решетку. В идеальном случае кристаллическую решетку можно уподобить монолиту из хорошо подогнанных друг к другу блоков — элементарных ячеек, в местах соединения вершин которых (узлах решетки) расположены атомы. Любое отклонение от идеальности — небольшое смещение атома из узла решетки, отсутствие его в узле или даже внешняя поверхность, ограничивающая реальный кристалл, представляет собой дефект кристаллической решетки.
Структура стали зависит от температуры. Чистое железо имеет температуру плавления +1535 °С. По мере увеличения количества углерода температура плавления уменьшается. Сталь с содержанием углерода 0,2% начинает застывать при температуре примерно 1520 °С. Сначала идет процесс образования кристаллов чистого железа — феррита, затем в кристаллы попадают атомы углерода и при температуре 1490° вся сталь переходит в твердый раствор углерода в железе, называемым аустенитом, в котором этот углерод располагается в центре атомной кубической решетки железа. Атомы железа располагаются весьма плотно по углам куба решетки и в центре граней (рис. 1.22, а). При остывании стали до температуры примерно 900° происходит распад аустенита и замена его гране- центрированной решетки более рыхлой решеткой чистого железа — феррита (см. рис. 1.22, б).
Распад аустенита заканчивается при температуре примерно 700 °С. Выделившийся углерод входит в химическое соединение с железом, образуя карбид железа Fe3C — цементит. Таким образом, при более низких температурах сталь состоит из двух компонентов: феррита, содержащего ничтожно малое количество углерода (до 0,003%), и цементита. Феррит мягок и пластичен, цементит очень тверд и хрупок.
Феррит образует мелкие занимающие почти весь объем материала и не имеющие ясно выраженной огранки зерна (кристаллиты) с различной их ориентацией в зависимости от направления кристаллизации. Цементит располагается между зернами феррита. Там вместе с частицами феррита он образует смесь — перлит, который размещается между зернами феррита в виде отдельных включений или прослоек.
Зерна феррита получаются различными по размеру в зависимости от числа очагов кристаллизации. Каждое зерно как кристаллическое образование резко анизотропно (с различным сопротивлением по разным направлениям). Однако в целом сталь, состоящая из весьма большого числа зерен, ориентированных по разнообразным направлениям, статистически имеет в среднем по всем направлениям одинаковые сопротивления.
Как видим, прочность стали в высшей степени зависит от содержания углерода. Однако поскольку углерод снижает пластичность и свариваемость стали, его содержание в арматурных сталях ограничивают 0,25 ... 0,35%.
Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции, Киев, 2001